以FSRU 為載體對(duì)BOG 液化循環(huán)計(jì)算分析

李蘇澄 吳福龍 徐常安

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

天然氣作為世界公認(rèn)的清潔能源之一，其燃燒后對(duì)空氣污染非常小、釋放的熱量大，已經(jīng)被世界上許多國家所采用[1]。近年來，隨著綠色環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，溫室氣體排放要求日趨嚴(yán)格以及相關(guān)環(huán)保法規(guī)頒布，使得全球LNG 貿(mào)易量逐年增加。作為運(yùn)輸LNG 的重要工具，LNG 運(yùn)輸船近年來在航運(yùn)市場上異?；鸨?，越來越多的船舶搭配了LNG 動(dòng)力。浮式儲(chǔ)存及再氣化裝置（FSRU）是在LNG 船基礎(chǔ)上升級(jí)而來的，可以在近?？坎醋鳛楹Ｉ闲⌒蚅NG 儲(chǔ)存及再氣化裝置將天然氣通過管道輸送到陸上使用。

目前處理BOG 的主要方式是：提高儲(chǔ)罐的耐壓能力，將蒸發(fā)氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐內(nèi)；直接排放；配備再液化裝置；配備BOG 壓縮機(jī)對(duì)BOG 增壓來作為燃料供給雙燃料主機(jī)。顯然，隨著國際上對(duì)于環(huán)境保護(hù)的要求越來越嚴(yán)格，直接將BOG 排放已經(jīng)不是一種好的選擇，根據(jù)KURLE 等人的研究表明，用于冷凝BOG 的能耗不到所冷凝BOG 能耗的20%，與燃燒后排放相比，相當(dāng)于節(jié)省了80%左右的能量。所以，無論是從減少污染還是節(jié)約能源來說，配備BOG 液化裝置都是一種非常好的解決方案。

1 BOG 液化工藝的比較與選擇

目前BOG 液化主要有三種工藝：氮膨脹制冷液化工藝、混合制冷劑液化工藝和高壓射流制劑液化工藝。混合制冷劑液化工藝的特點(diǎn)是在液化循環(huán)中對(duì)制冷劑的組分進(jìn)行配比，所以其能耗相較于另外兩種液化工藝更低，但是理論上來講混合制冷劑的組成隨著原料氣組成、壓力及工藝流程的不同而不同，所以在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于原料氣的性質(zhì)及混合制冷劑的配比都有著嚴(yán)格的要求，難度較大。氮膨脹制冷劑循環(huán)又分為氮制冷劑循環(huán)、氮- 甲烷制冷劑循環(huán)和天然氣膨脹循環(huán)。與混合制冷劑循環(huán)相比，氮膨脹制冷劑液化循環(huán)工藝更為簡單、緊湊，造價(jià)也更低；運(yùn)行靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，操作性強(qiáng)易于控制；安全性高，不會(huì)引起火災(zāi)或爆炸；制冷劑采用單組分氣體，相較于混合制冷劑也省去了在不同工況下對(duì)于制冷劑配比及分離和儲(chǔ)存混合制冷劑的麻煩，也避免了由此導(dǎo)致安全方面的隱患，不過其液化循環(huán)整體能耗相對(duì)混合制冷劑循環(huán)要更高一些，大約40%左右。

正如Mokhatab 等人[3]在他們的工作中提出的，這個(gè)規(guī)模問題的一個(gè)例子是丙烷預(yù)冷混合制冷劑系統(tǒng)（C3MR）。這種循環(huán)雖然效率高、靈活性高，但投資較高，且整個(gè)循環(huán)鏈較為復(fù)雜。在對(duì)BOG 液化系統(tǒng)進(jìn)行選擇的時(shí)候，整個(gè)過程的液化效率與安裝的運(yùn)營成本之間存在密切的聯(lián)系，基于Mak等人和Castillo&Dorao[2]的圖形分析，通過表1 對(duì)不同液化技術(shù)及其關(guān)鍵特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

表1 不同液化技術(shù)及其關(guān)鍵特性

從表1 可以推斷，與氮?dú)獗榕蛎浿评湎啾?，單氮膨脹制冷循環(huán)有兩大優(yōu)勢(shì):復(fù)雜性較低，投資成本較小。對(duì)膨脹循環(huán)效率影響較大的一個(gè)問題是制冷劑與天然氣的溫差過大導(dǎo)致?lián)Q熱器的不可逆損失大。由于本文研究的對(duì)象為FSRU，所以本文假設(shè)FSRU 原料氣體不會(huì)與冷卻液出現(xiàn)溫差。此外，使用氮?dú)庾鳛橹评鋭p少了接收站潛在的火災(zāi)危險(xiǎn)。由于制冷劑是惰性的，不需要儲(chǔ)存碳?xì)浠衔锪黧w。此外，在緊急情況下排氣不構(gòu)成環(huán)境問題，所以緊急燃除也是不必要的。

綜上，本文所選用的液化循環(huán)是氮膨脹制冷液化循環(huán)，在下一章進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2 BOG 液化循環(huán)研究

2.1 氮膨脹循環(huán)

氮膨脹液化循環(huán)是基于逆布雷頓循環(huán)，如圖1 所示。雖然其循環(huán)效率不如其他考慮的方案，但在進(jìn)行成本效益分析時(shí)卻是最適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行BOG 再液化的解決方法。

圖1 逆布雷頓循環(huán)

逆布雷頓循環(huán)是一種制冷機(jī)系統(tǒng)，由壓氣機(jī)、熱交換器、中冷器和膨脹式汽輪機(jī)等設(shè)備組成。很重要的一點(diǎn)是，在循環(huán)中使用的制冷劑應(yīng)保持氣態(tài)，一般使用的制冷劑是氮?dú)?。要想提高這個(gè)循環(huán)的效率，通過較降低壓縮機(jī)出口溫度可以實(shí)現(xiàn)，不過這樣可能導(dǎo)致有液體產(chǎn)生[4]。

使用氮?dú)庾鳛橹评鋭┑囊粋€(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，在氣體狀態(tài)下獲得如此低的溫度，在熱交換器中不會(huì)出現(xiàn)不均勻分布，改善了系統(tǒng)的傳熱[5]。此外，液化單元非常緊湊，制冷流體可以在一個(gè)閉環(huán)內(nèi)運(yùn)行。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要制冷劑儲(chǔ)存或補(bǔ)充。氮膨脹制冷循環(huán)的基本配置如圖2 所示。

圖2 氮膨脹制冷循環(huán)

當(dāng)然除了配置一臺(tái)增壓壓縮機(jī)之外還有配置兩臺(tái)壓縮機(jī)的情況，雖然配置兩臺(tái)壓縮機(jī)能夠減少氮和LNG的冷端溫差，但是這種配置無疑會(huì)增加更多的成本和熱交換面，現(xiàn)階段對(duì)于壓縮膨脹循環(huán)不同配置的分析一般利用熱力學(xué)模型根據(jù)以下公式來進(jìn)行計(jì)算和評(píng)價(jià)，以求得整個(gè)循環(huán)的最大效率[6]。

2.1.1 壓縮機(jī)

其中：Wc為壓縮機(jī)所做的功；ηc為壓縮機(jī)等熵效率；mN2為氮?dú)獾馁|(zhì)量；ho，c和hi，c分別為壓縮機(jī)出口焓值和進(jìn)口焓值。

2.1.2 渦輪膨脹機(jī)

渦輪對(duì)制冷劑進(jìn)行降壓以降低制冷劑的溫度。同時(shí)，這些部件通過鏈接軸向壓縮機(jī)來傳遞機(jī)械動(dòng)力以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。渦輪膨脹機(jī)的能量平衡計(jì)算如式（2）：

其中：We為渦輪膨脹機(jī)所做的功；ηe為渦輪膨脹機(jī)的等熵效率；hi，e和ho，e分別為渦輪膨脹機(jī)的進(jìn)口焓值和出口焓值。

其中：Wspc為單位消耗量；Wc為壓縮機(jī)所做的功；mBOG為BOG 的質(zhì)量。

這些方程會(huì)應(yīng)用于所研究的氮膨脹制冷循環(huán)，以得出更適合應(yīng)用于FSRU 上BOG 液化系統(tǒng)的選型，從而平衡好成本與效率之間的關(guān)系。

2.2 BOG 不同工況下的液化循環(huán)

2.2.1 確定所需的制冷功率

確定液化裝置所需的制冷功率取決于BOG 進(jìn)入液化系統(tǒng)時(shí)的溫度和壓力以及LNG 輸送到儲(chǔ)罐里的溫度和壓力。因而可以確定從液化循環(huán)開始時(shí)的BOG 的焓值和LNG 的焓值，并確定從BOG 中冷凝成LNG 所需的熱量，如式（7）：

其中：href為從BOG 中冷凝成LNG 所需的熱量；hBOG和hLNG分別為BOG 和LNG 的從液化循環(huán)開始時(shí)的焓值。

知道了BOG 的質(zhì)量流量，就可以通過式（8）計(jì)算來計(jì)算制冷/液化循環(huán)的功率。

其中：pref為制冷/液化循環(huán)的功率。

式（7）用來確定為達(dá)到所需的制冷能力，制冷液氮必須吸收的熱量是由式（8）來確定。

2.2.2 液化循環(huán)階段的確定

根據(jù)確定的液化循環(huán)的功率，制冷流體必須從BOG中除去的熱量，通過圖2 確定液化循環(huán)是如何工作的，再根據(jù)氮?dú)獾哪枅D就可以得到與循環(huán)各階段相對(duì)應(yīng)的壓力、溫度和焓。

在狀態(tài)1 時(shí)的進(jìn)口氮?dú)鈮毫?yīng)在0.8-1Mpa 之間并且膨脹機(jī)的進(jìn)口壓力應(yīng)在3.5-6.0Mpa 之間，空壓機(jī)的效率考慮在0.8 左右。

循環(huán)的壓強(qiáng)比計(jì)算公式如式（9）和（10）：

其中：h1和h7粉筆為狀態(tài)1 和狀態(tài)7 的焓值；其余同上。

壓縮機(jī)的總功如式（12）所示，而中冷器的總熱量消耗Q1 的計(jì)算如式（13）：

其中：Qhe為熱交換器中制冷劑流所吸收的熱量。

根據(jù)本節(jié)中描述的值，研究了不同BOG 入口溫度下的液化循環(huán)配置（-155℃、-140℃、-125℃和-110℃），為了研究液化系統(tǒng)在不同溫度下（可以考慮為不同季節(jié)對(duì)應(yīng)的不同溫度）的能量性能。

3 液化循環(huán)模擬與結(jié)果討論

氮膨脹制冷液化系統(tǒng)模擬結(jié)果：

為了確定再液化系統(tǒng)的容量和制冷劑的數(shù)量，可以通過使用甲烷和氮?dú)獾腗ollier 圖來確定液化過程中兩種流體的焓值、壓力和溫度變化。作為LNG 的主要成分，甲烷的Mollier 圖用來研究BOG 的近似動(dòng)作。所研究的循環(huán)如圖3 所示，該圖表示了氮?dú)庋h(huán)和BOG 循環(huán)，從罐中以氣態(tài)形式收集，并在向制冷劑傳遞熱量后液化回到罐中。

圖3 Mollier 圖

在第一個(gè)循環(huán)（以下簡稱循環(huán)A）中，壓縮機(jī)進(jìn)口氮?dú)鈮毫?.8Mpa，計(jì)算中間壓力為1.79Mpa，膨脹機(jī)進(jìn)口壓力為4Mpa；循環(huán)B（以下簡稱循環(huán)B）旨在評(píng)估將壓力變化到較低壓力（0.4Mpa）并增加制冷劑從BOG 中吸收的熱量。兩個(gè)循環(huán)都在-168℃時(shí)開始?jí)嚎s，使得氮?dú)獾臏囟瓤偸切∮贐OG 溫度，制冷劑和BOG 之間的最小溫度差為2℃；兩個(gè)循環(huán)中的壓縮動(dòng)作都是通過壓縮過熱的氮?dú)鈦磉M(jìn)行的，以保證在壓縮機(jī)入口沒有液氮存在。由圖3 在Mollier 圖中演示了兩個(gè)模擬周期。

表2 給出了四種不同溫度下兩種模擬循環(huán)的模擬結(jié)果，根據(jù)式（1）-（8）和式（9）-（14）。

表2 不同溫度下兩種循環(huán)的計(jì)算結(jié)果

正如預(yù)期的那樣，從BOG 中吸收熱量所需的氮的質(zhì)量流量隨著其溫度和質(zhì)量流量的增加而增加。循環(huán)A 要求氮?dú)獾牧魉俦妊h(huán)B 快31%，需要更多地壓縮動(dòng)作以獲得相同的液化功率。此外，如圖4 所示的線性回歸方程可以推斷，當(dāng)BOG 溫度升高時(shí)，循環(huán)A 所需的氮?dú)饬砍杀壤拇笥谘h(huán)B 所需的氮?dú)饬俊?/p>

圖4 制冷劑的流速與BOG 入口溫度的變化

在不同的BOG 蒸發(fā)率和溫度下，每個(gè)循環(huán)周期所表現(xiàn)的效果如表3 所示。

表3 液化循環(huán)性能評(píng)價(jià)

結(jié)果表明循環(huán)B 要比循環(huán)A 更有效率。主要表現(xiàn)在BOG 液化時(shí)有明顯更小的比能量消耗，大約在24%左右。圖5 為BOG 在不同溫度液化時(shí)產(chǎn)生的能量和造價(jià)。

圖5 處理每噸BOG 的消耗量和成本

當(dāng)然，關(guān)于計(jì)算的能耗值，循環(huán)泵、潤滑泵和其他固有輔助設(shè)備沒有考慮。

圖6 給出了一個(gè)循環(huán)周期COP（coefficients of performance）的值以及實(shí)際COP 的值。利用式（15）來計(jì)算COP 的值：

圖6 液化循環(huán)周期性能系數(shù)比較

其中：QBOG為從BOG 吸收的能量。

根據(jù)結(jié)果可知，循環(huán)B 的COP 值高于循環(huán)A；實(shí)際COP 值展示了每個(gè)循環(huán)的實(shí)際潛力，循環(huán)B 要比循環(huán)A效率更高一些。

本文以FSRU 為載體對(duì)氮膨脹液化循環(huán)進(jìn)行了研究計(jì)算，分別分析了不同的BOG 蒸發(fā)率和不同季節(jié)下的兩種液化循環(huán)，分析出從BOG 中吸收熱量所需的氮的質(zhì)量流量隨著其溫度和質(zhì)量流量的增加而增加；通過計(jì)算得出循環(huán)A 要求氮?dú)獾牧魉俦妊h(huán)B 快31%，需要進(jìn)行更多地壓縮動(dòng)作以獲得相同的功率；此外，當(dāng)BOG 溫度升高時(shí)，循環(huán)A 所需的氮?dú)饬砍杀壤拇笥谘h(huán)B 所需的氮?dú)饬俊?/p>

通過分析兩種不同的入口壓力，對(duì)液化循環(huán)進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算了兩個(gè)循環(huán)的比能耗和COP 值，指出了在第一壓縮階段進(jìn)口壓力較低的循環(huán)B 是更有效的循環(huán)。

對(duì)于BOG 在不同溫度、氮?dú)獠煌倪M(jìn)口壓力來控制液化系統(tǒng)的表現(xiàn)對(duì)于在實(shí)際項(xiàng)目生產(chǎn)中對(duì)BOG 液化系統(tǒng)的效率與成本之間的控制有著實(shí)際借鑒意義。