浮式液化天然氣裝置BOG處理方式研究

張躍征，江浩，劉曉剛，林淑勤

浮式液化天然氣裝置BOG處理方式研究

張躍征，江浩，劉曉剛，林淑勤

（惠生（南通）重工有限公司， 江蘇 南通 226007）

蒸發(fā)氣（Boil Off Gas, 縮寫為BOG）的處理回收方式不僅會(huì)影響浮式液化天然氣（FLNG）裝置上的設(shè)備配置及裝置投資，同時(shí)會(huì)直接影響到整個(gè)裝置生產(chǎn)運(yùn)營的安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境保護(hù)。為了能夠選擇經(jīng)濟(jì)合理的BOG處理回收方式，以惠生海洋工程正在執(zhí)行的3.0 MTPA FLNG標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目為例，介紹了浮式液化天然氣裝置上兩種主要的BOG處理回收方式即作為燃?xì)廨啓C(jī)的燃料氣和返回制冷劑換熱器進(jìn)行再液化。通過Aspen HYSYS模擬軟件，分析了在不同工況下BOG的產(chǎn)生量及不同的處理回收方式對(duì)裝置能耗的影響。并建議了針對(duì)不同的原料氣組分以及裝置內(nèi)主要轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)方式，選擇針對(duì)性的BOG處理方式，避免BOG直接燃燒造成環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失，降低裝置投資，為浮式液化天然氣裝置的國產(chǎn)化以及BOG處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

FLNG；BOG；浮式液化天然氣；BOG再液化；BOG回收；BOG脫氮

蒸發(fā)天然氣（BOG）是液化天然氣（LNG）在工藝裝置的生產(chǎn)運(yùn)行中，低溫LNG從環(huán)境中吸收熱量氣化所致。BOG氣體如果是直接排放或者燃燒，不僅是對(duì)能源的浪費(fèi)，而且也對(duì)環(huán)境造成了污染[1]。同時(shí)，BOG的處理方式還會(huì)影響整個(gè)液化裝置的壓縮機(jī)、制冷劑換熱器等關(guān)鍵設(shè)備的配置。因此，需要采取合理的工藝對(duì)BOG氣體進(jìn)行回收再利用[2-3]。浮式天然氣液化裝置（FLNG）的BOG處理方式不同于陸地上的LNG生產(chǎn)及接收裝置，可以采用直接加壓至高壓外輸管網(wǎng)對(duì)BOG 進(jìn)行回收利用，只能將BOG返回浮式裝置內(nèi)部進(jìn)行回收處理。本文以惠生正在執(zhí)行的3.0 MTPA FLNG標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目為例，對(duì)浮式天然氣液化裝置的BOG回收處理方式進(jìn)行探討。

1 BOG產(chǎn)生的原因分析

由于LNG是一種低溫液體，在儲(chǔ)存和輸送的過程中，將會(huì)因熱傳導(dǎo)產(chǎn)生BOG。BOG主要由儲(chǔ)存容器內(nèi)液體自然蒸發(fā)和在其儲(chǔ)存和輸送的過程中，因熱傳導(dǎo)而產(chǎn)生[4-5]。在LNG裝船期間，由于不斷與LNG裝船設(shè)備發(fā)生熱量交換，以及裝船期間LNG在運(yùn)輸船儲(chǔ)罐內(nèi)體積置換，也會(huì)形成BOG[6]。

通過Aspen HYSYS以惠生正在執(zhí)行的3.0 MTPA FLNG項(xiàng)目為例。根據(jù)BOG產(chǎn)生的來源對(duì)BOG產(chǎn)生量進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果見表1。LNG減壓產(chǎn)生的BOG為從制冷劑換熱器出來的高壓LNG經(jīng)過減壓后所產(chǎn)生的BOG。儲(chǔ)罐蒸發(fā)產(chǎn)生的BOG為儲(chǔ)罐中的LNG從外界吸熱而不斷蒸發(fā)產(chǎn)生的BOG，LNG裝船產(chǎn)生的BOG為浮式液化天然氣裝置從自身LNG儲(chǔ)罐向LNG運(yùn)輸船進(jìn)行LNG裝船時(shí)產(chǎn)生的BOG量。此外，在模擬中還增加余量以包括冷卻LNG裝卸臂，冷卻LNG輸送管線，LNG輸送泵運(yùn)轉(zhuǎn)等產(chǎn)生的BOG量。

表1 BOG來源及產(chǎn)生量

2 BOG的回收處理方法

BOG處理系統(tǒng)的主要作用是在正常操作工況下保證LNG儲(chǔ)罐壓力能夠維持在正常操作壓力范圍內(nèi)，同時(shí)能夠處理LNG裝船工況下產(chǎn)生的大量BOG和低負(fù)荷工況下燃料氣消耗剩余的BOG[7]。目前浮式液化天然氣裝置（FLNG）BOG的處理方法主要有兩種：一是以燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力裝置的主發(fā)電機(jī)和制冷劑壓縮機(jī)，將BOG作為燃?xì)廨啓C(jī)的燃料；二是將BOG通過制冷劑換熱器，將多余的BOG重新冷凝液化后送入LNG儲(chǔ)罐[8]。

2.1 BOG作為燃料氣

浮式液化天然氣裝置的主發(fā)電機(jī)和制冷劑壓縮機(jī)以燃?xì)廨啓C(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置并以天然氣或者柴油作為燃料。將BOG作為燃?xì)廨啓C(jī)的燃料是一種既經(jīng)濟(jì)又高效的解決方案[9-10]。

如圖1所示，BOG回收作為燃料氣工藝流程主要包括BOG壓縮機(jī)和再生氣壓縮機(jī)等主要設(shè)備。在正常操作工況下，BOG經(jīng)過BOG壓縮機(jī)加壓首先作為原料氣分子篩脫水床的再生氣，從分子篩床出來的再生氣再經(jīng)過再生氣壓縮機(jī)進(jìn)一步加壓后作為燃?xì)廨啓C(jī)的燃料氣。正常工況下，燃?xì)廨啓C(jī)需要的燃料氣量多于裝置產(chǎn)生的BOG量，由一股來自原料氣管線的天然氣提供額外的燃料氣。在LNG裝船工況下，BOG產(chǎn)生量增加，部分BOG作為燃?xì)廨啓C(jī)燃料，剩余BOG經(jīng)過再次加壓返回液化裝置上游進(jìn)行回收。在低負(fù)荷操作工況下，燃?xì)廨啓C(jī)所需燃料氣量少于分子篩再生氣量，多余再生氣由再生氣壓縮機(jī)加壓后返回至液化裝置上游。

圖1 BOG作為燃料氣流程圖

2.2 BOG部分再液化

BOG部分再液化處理方式主要是通過將BOG再液化來控制LNG儲(chǔ)罐的壓力，避免其壓力過高并回收過量的BOG。當(dāng)浮式液化天然氣裝置在LNG裝船工況下，產(chǎn)生的BOG量增加，除了給燃?xì)廨啓C(jī)消耗以外，將剩余的BOG重新冷凝液化。在裝置低負(fù)荷運(yùn)行工況下，燃?xì)廨啓C(jī)燃料氣量消耗降低，BOG量相對(duì)于燃料氣量過剩，過剩的BOG也將重新冷凝液化。

如圖2所示，BOG部分回收再液化系統(tǒng)主要包括BOG壓縮機(jī)和制冷劑換熱器等主要設(shè)備。來自BOG總管的BOG經(jīng)過BOG壓縮機(jī)加壓后，部分作為燃?xì)廨啓C(jī)燃料，剩余部分進(jìn)入制冷劑換熱器重新冷凝液化。

圖2 BOG部分再液化流程圖

2.3 BOG全部再液化

在一些近岸浮式液化天然氣裝置中，由于可獲得持續(xù)且穩(wěn)定的電力來源，例如水力發(fā)電等可再生的清潔能源，具有環(huán)境友好、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，變頻電動(dòng)機(jī)會(huì)被采用作為制冷劑壓縮機(jī)、BOG壓縮機(jī)等大型設(shè)備的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。當(dāng)采用電動(dòng)機(jī)作為壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備時(shí)，裝置不會(huì)再消耗大量的燃料氣，BOG回收應(yīng)采取BOG全部再液化的方式進(jìn)行。BOG全部再液化的流程見圖3，與部分再液化流程相比，減少了燃料氣消耗部分。

圖3 BOG全部再液化流程圖

2.4 BOG中氮?dú)饷摮?/h3>

在以電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置的浮式液化天然氣裝置中，當(dāng)原料氣組分中氮?dú)夂枯^高時(shí)，產(chǎn)生的BOG重新進(jìn)入裝置回收甲烷過程中，氮?dú)夂坎粩嗬鄯e，造成BOG量和BOG再液化過程能耗的增加，影響LNG熱值的同時(shí)會(huì)增加裝置的能耗，需要根據(jù)LNG組分和熱值的要求將BOG中氮?dú)饷摮齕11]。如圖4所示，來自總管的BOG進(jìn)入制冷劑換熱器重新液化，然后進(jìn)入精餾塔對(duì)氮?dú)夂图淄檫M(jìn)行分離。

圖4 BOG再液化脫氮?dú)饬鞒虉D

LNG從塔底流出作為產(chǎn)品匯入裝置LNG總管。塔頂氣相重新進(jìn)入制冷劑換熱器進(jìn)行部分冷凝，塔頂回流罐液相部分作為塔頂回流進(jìn)入精餾塔上部，氣相主要成分為氮?dú)猓瑥南到y(tǒng)中分離出來。

3 BOG回收工藝計(jì)算

3.1 兩種工況下BOG流量及壓力

通過Aspen HYSYS對(duì)2.1和2.2中兩種BOG處理回收方案在不同操作工況下的流程進(jìn)行模擬。本案例中涉及兩種不同型號(hào)的燃?xì)廨啓C(jī)，所需燃料氣壓力也不同，為兩種規(guī)格。如表2所示，在不同操作工況下，需滿足所需燃料氣及返回氣流量變化及所需壓力等級(jí)等復(fù)雜工藝需求。要求工程設(shè)計(jì)人員根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求、設(shè)備配置及投資、能耗等指標(biāo)合理選擇BOG回收處理方式。

BOG加壓后作為燃料氣回收方案不需要BOG通過制冷劑換熱器以及占用制冷劑換熱器部分冷量，降低制冷劑換熱器制造復(fù)雜程度[12]。根據(jù)不同燃料氣及返回氣壓力等級(jí)要求，合理配置BOG壓縮機(jī)和再生氣壓縮機(jī)，滿足工藝要求并實(shí)現(xiàn)能耗最小化。

表2 燃料氣用戶及規(guī)格

3.2 BOG處理回收方式能耗對(duì)比

通過Aspen HYSYS對(duì)2.1和2.2中兩種BOG處理回收方案進(jìn)行模擬并對(duì)主要設(shè)備的能耗進(jìn)行對(duì)比。如表3所示，對(duì)比兩種不同的BOG回收處理方式，在不同操作工況下，制冷劑壓縮機(jī)軸功率基本保持不變。在LNG裝船工況下，由于采用BOG再液化回收方式時(shí)再生氣壓縮機(jī)分擔(dān)了BOG壓縮機(jī)的軸功率，所以兩種BOG處理方式下，裝置消耗的總功率基本保持不變。在低負(fù)荷運(yùn)行工況下，裝置所需BOG壓縮機(jī)和再生氣壓縮機(jī)的總功率也基本保持不變。由下表可知，由于裝船所產(chǎn)生的大量BOG使得BOG壓縮機(jī)和再生氣壓縮機(jī)軸功率增大。需要根據(jù)燃料氣和返回氣流量及壓力變化的情況，選擇合適的BOG壓縮機(jī)和再生氣壓縮機(jī)形式以及數(shù)量[13-15]。

表3 BOG處理回收方式能耗對(duì)比

4 結(jié) 論

浮式液化天然氣裝置產(chǎn)生BOG量并非定值，會(huì)出現(xiàn)峰值和低值，兩者之間差別較大。通過對(duì)以上兩種BOG回收處理方式的介紹并基于Aspen HYSYS流程模擬計(jì)算，對(duì)不同操作工況下BOG的產(chǎn)量及裝置能耗進(jìn)行了對(duì)比。得出如下結(jié)論。

1）當(dāng)浮式液化天然氣裝置以燃?xì)廨啓C(jī)作為發(fā)電機(jī)和制冷劑壓縮機(jī)等的驅(qū)動(dòng)設(shè)備時(shí)，既可以采用將BOG作為燃?xì)廨啓C(jī)的燃料氣進(jìn)行回收利用，也可以將BOG部分液化或者全部液化進(jìn)行回收。

2）當(dāng)浮式液化天然氣裝置的壓縮機(jī)等設(shè)備以電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，燃料氣的消耗大量減少，BOG應(yīng)全部返回制冷劑換熱器再液化進(jìn)行回收。

3）當(dāng)原料氣中的氮?dú)夂枯^高時(shí)，為了脫除BOG中的過量氮?dú)猓苊獾獨(dú)庠贐OG中累積，需要將BOG全部再液化，再通過精餾塔將氮?dú)饷摮?/p>

浮式液化天然氣裝置由于產(chǎn)量規(guī)模、工藝流程的不同等，在對(duì)待BOG回收方式上要基于項(xiàng)目的實(shí)際情況，先考慮裝置的正常生產(chǎn)以及LNG裝船以及低負(fù)荷生產(chǎn)等工況，再考慮裝置的投資、設(shè)備配置及節(jié)能問題。

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Study of BOG Treatment for Floating Liquefied Natural Gas Plants

,,,

（Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd., Nantong Jiangsu 201210, China）

BOG (Boil-Off Gas) treatment can not only affect the equipment configuration and investment of the floating liquefied natural gas (FLNG) plant, but also directly affect the safety, economy of the entire plant’s production and environment. In order to choose an economical and reasonable BOG treatment method, taking Wison Offshore & Marine’s 3.0 MTPA FLNG standardization project as an example, two main BOG treatment methods for floating LNG unit were introduced, includingusing as fuel gas for gas turbines and returning to refrigerant heat exchanger for re-liquefication. The generation of BOG and energy consumption under different treating conditions were analyzed with Aspen HYSYS. For different raw gas components and driver of main rotating equipment, a proper BOG treatment method was selected to avoid environmental pollution and economic losses caused by BOG direct combustion, reducing plant investment. The papet can provide some reference for localization of floating liquefied natural gas plant and subsequent design of the BOG treatment system of floating LNG plant.

FLNG; BOG; Floating liquefied natural gas; BOG re-liquefication; BOG recovery; Nitrogen removal from BOG

2021-10-12

張躍征（1982-），男，內(nèi)蒙古赤峰市人，高級(jí)工藝工程師，碩士，2007年畢業(yè)于天津大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)：主要從事液化天然氣項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和開車。

TE646

A

1004-0935（2022）01-0129-04