摘 要

　　　　　　　　——以青島LNG接收站為例摘　要：蒸發(fā)氣(Boil Off Gas，縮寫為BOG)的處理是LNG接收站必須考慮的關(guān)鍵I'q題之一，關(guān)系著LNG接收站的能耗及安全、平穩(wěn)運(yùn)

　　　　　　　　——以青島LNG接收站為例

摘　要：蒸發(fā)氣(Boil Off Gas，縮寫為BOG)的處理是LNG接收站必須考慮的關(guān)鍵I'q題之一，關(guān)系著LNG接收站的能耗及安全、平穩(wěn)運(yùn)行。為此，介紹了LNG接收站BOG處理的4種工藝：①BOG直接壓縮工藝；②BOG再冷凝液化工藝；③BOG間接熱交換再液化工藝；④蓄冷式BOG再液化工藝。運(yùn)用HYSYS軟件建立了采用不同BOG處理工藝的LNG接收站模型，對(duì)比了目前主要采用的BOG直接壓縮_T-藝和再冷凝液化工藝在工藝流程及能耗方面的差異，并分析了外輸量、外輸壓力及再冷凝器壓力對(duì)BOG處理S-藝節(jié)能效果的影響，在此基礎(chǔ)上提出了BOG再冷凝液化工藝的改進(jìn)措施——BOG進(jìn)入再冷凝器前進(jìn)行預(yù)冷，可比原工藝節(jié)約l8.2％的能耗。同時(shí)還針對(duì)青島LNG接收站提出了BOG再冷凝液化及直接壓縮工藝混合使用的優(yōu)化運(yùn)行方案，可使進(jìn)入再冷凝器的LNG流量保持恒定，沒被冷凝的BOG經(jīng)過高壓壓縮機(jī)提壓到外輸壓力，與完成氣化的LNG混合后外輸，可避免BOG進(jìn)入火炬系統(tǒng)而造成的能源浪費(fèi)，同時(shí)減小再冷凝器入口流量的波動(dòng)，使裝置運(yùn)行更穩(wěn)定、更經(jīng)濟(jì)。

關(guān)鍵詞：LNG  接收站  BOG  直接壓縮  再冷凝液化  間接熱交換再液化  蓄冷式再液化  優(yōu)化  混合運(yùn)行  節(jié)能

A case study of processing and optimization of BOG gas treatment in an LNG terminal in Qingdao

Abstract：The BOG(Boil-Off Gas)processing system is one of the key issues relating directly to energy consumption and safe&steady operarion in an LNG terminal．Therefore，we introduced four processing systems for BOG treatment：direct condensation，recondensation，indirect heat exchange reliquefaction，and cooling storage reliquefaction．On this basis，we applied the HYSYS to build different LNG terminal models，simulated and compared the commonly used recondensation process and the direct condensation in terms of process and energy consumption．And we also analyzed the impacts of the flow rate，pressure of send-out NG and re condenser pressure on the energy saving results of BOG processing．Therefore，we recommended a further innovative measure for the recondensation BOG process，i．e．，to precool the BOG before it enters the re condenser，which can save the energy consumption by 18.2％．Meanwhile，we also presented an optimal operating scheme of mixing the above two processes for an LNG terminal in Qingdao．This can keeP the LNG flow rate steadily entering the re condenser，and the uncondensed BOG can be compressed to mix with the liquefied LNG，thus the BOG will be saved instead of entering the flare venting system，meanwhile，the flow rate fluctuation at the inlet of the re condenser will be reduced to make the whole BOG processing more stable and cost effective as a result．

Keywords：LNG terminal，BOG，direct condensation，re-condensation process，indirect heat exchange，cooling storage reliquefaction，optimization，hybrid operation，energy saving

LNG接收站目前主要有3種類型：①大型LNG接收站，如已運(yùn)行的廣東大鵬LNG、福建LNG、上海LNG等接收站及在建的青島LNG、廣西LNG等接收站；②小型LNG接收站；③衛(wèi)星型LNG接收站。

LNG系統(tǒng)的漏熱、動(dòng)設(shè)備能量輸入、卸料和外輸體積置換、壓力差、閃蒸等因素必定導(dǎo)致LNG接收站的儲(chǔ)槽、操作設(shè)備、管線內(nèi)產(chǎn)生大量BOG(Boil Off Gas，蒸發(fā)氣)^[1-2]。2009年楊志國等^[3]分析了再冷凝器運(yùn)行參數(shù)對(duì)BOG再冷凝工藝的影響，提出通過調(diào)整壓縮機(jī)的壓比、物料比來實(shí)現(xiàn)BOG再冷凝工藝的優(yōu)化運(yùn)行。2012年李亞軍等剛通過調(diào)節(jié)BOG再冷凝工藝中壓縮機(jī)的階數(shù)來達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能降耗的目的。

筆者主要從工藝和能耗兩方面對(duì)比了目前主要采用的2種BOG處理工藝，以方便不同類型的LNG接收站選用合適的BOG處理工藝，同時(shí)針對(duì)在建的青島LNG接收站進(jìn)行了BOG再冷凝工藝改進(jìn)。

1　不同的BOG處理工藝對(duì)比

目前，LNG接收站BOG處理工藝主要有以下4種：0BOG直接壓縮工藝；②BOG再冷凝液化工藝；③BOG間接熱交換再液化工藝；④蓄冷式再液化工藝^[5]。前兩種BOG處理工藝為目前主要采用方式，其流程分別見圖l、2，2種工藝的對(duì)比見表l。BOG直接壓縮工藝中，BOG加壓后直接進(jìn)入外輸管網(wǎng)；BOG再冷凝液化工藝中，BOG加壓后進(jìn)入再冷凝器，與進(jìn)入再冷凝器的過冷LNG混合，形成液態(tài)，然后與剩余LNG一起通過高壓泵加壓，進(jìn)入氣化器氣化，再外輸。

 

 

 

2　不同BOG處理工藝的能耗對(duì)比

用HYSYS軟件對(duì)氣源型LNG接收站和調(diào)峰型LNG接收站分別采用再冷凝液化和直接壓縮的BOG處理工藝進(jìn)行了模擬計(jì)算(氣源型LNG接收站按青島LNG接收站設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行模擬)，模擬圖分別見圖1、2，能耗對(duì)比結(jié)果見表2?？梢钥闯?，無論是對(duì)調(diào)峰型LNG接收站還是氣源型LNG接收站，BOG再冷凝液化工藝都比BOG直接壓縮工藝更為節(jié)能。

 

對(duì)比2種工藝的能耗，以氣源型LNG接收站為例進(jìn)行分析，繪制出2種工藝的壓比焓圖(圖3)。

 

圖3中，紅色線ABCDEF表示BOG直接壓縮工藝的壓比焓線，藍(lán)色線abcdefgh表示BOG再冷凝液化工藝的壓比焓線。LNG和BOG在等熵條件下通過泵或壓縮機(jī)進(jìn)行提壓。從圖3可以看出，對(duì)于泵的比焓差(qCD、qcd+qeg)、氣化器的比焓差(qDE、qgh)，2種工藝相差不大，而對(duì)于壓縮機(jī)的比焓差，BOG直接壓縮工藝的qAB遠(yuǎn)大于BOG再冷凝液化工藝的qab。另外，在實(shí)際生產(chǎn)中，壓縮機(jī)的效率小于泵的效率，2種BOG處理工藝進(jìn)行能耗比較時(shí)，壓縮機(jī)對(duì)能耗的影響更大。因此，輸送單位質(zhì)量流體時(shí)，BOG再冷凝工藝比BOG直接壓縮工藝的能耗低。影響再冷凝器節(jié)能效果的因素有很多，現(xiàn)采用單一變量法來分析幾種變量對(duì)節(jié)能效果產(chǎn)生的影響。以下模擬以氣源型LNG接收站的參數(shù)為基礎(chǔ)。

2．1　外輸量對(duì)節(jié)能效果的影響

外輸量對(duì)BOG處理工藝能耗的影響見圖4。從圖4可以看出，外輸量的改變對(duì)節(jié)能效果影響不大。但當(dāng)外輸量較大時(shí)，BOG的量也相應(yīng)增加，BOG再冷凝液化工藝的總節(jié)能量則相當(dāng)可觀。

 

2．2　外輸壓力對(duì)節(jié)能效果的影響

外輸壓力對(duì)BOG處理工藝的能耗影響見圖5。從圖5可以看出，隨著外輸壓力的增加，BOG再冷凝凝液化工藝的節(jié)能量減小。

 

但當(dāng)再冷凝器壓力降低時(shí)，再冷凝器入口BOG溫度升高，需要冷凝BOG的LNG用量增加，則物料液化工藝的節(jié)能量隨之增加。這是由于當(dāng)外輸壓力增加時(shí)，BOG直接壓縮工藝中壓縮機(jī)的比焓差增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于BOG再冷凝液化工藝中高壓泵的比焓差增加量，即BOG直接壓縮工藝的能耗增加量大于BOG再冷凝液化工藝的能耗增加量^[6-7]。

2．3　再冷凝器壓力對(duì)節(jié)能效果的影響

物料比為進(jìn)入再冷凝器的LNG與BOG質(zhì)量比，以下所指物料比為最小物料比，即LNG流量為將BOG全部冷凝為液體所需的最小流量。

再冷凝器壓力對(duì)BOG再冷凝液化工藝能耗、節(jié)能的影響見圖6。從圖6可以看出，隨著再冷凝器壓力的升高，即低壓泵和壓縮機(jī)壓力的升高，BOG再冷凝液化工藝所消耗的能量相應(yīng)增加，則BOG再冷比增加，當(dāng)LNG接收站處于外輸量最小工況時(shí)，操作困難。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，再冷凝器的壓力一般控制在0.7～O.9MPa^[8]。

 

3　青島LNG接收站BOG再冷凝液化工藝改進(jìn)措施

3．1　BOG進(jìn)入再冷凝器前預(yù)冷

根據(jù)2.3的分析得知，降低壓縮機(jī)出口壓力會(huì)增加節(jié)能雖，但會(huì)造成物料比增加，從而導(dǎo)致裝置操作困難。為了在降低壓縮機(jī)出口壓力的同時(shí)保證物料比恒定，從而達(dá)到節(jié)能的效果，本文參考文獻(xiàn)[9-10]提出了如圖7所示的優(yōu)化后BOG再冷凝液化工藝流程，添加了BOG冷換器設(shè)備，BOG在進(jìn)入再冷凝器之前先與高壓泵出口的一部分LNG換熱，進(jìn)行預(yù)冷，降低BOG溫度。由于BOG及LNG均屬于清潔的高壓物料，因此，冷換器選用傳熱效率高、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、承壓能力強(qiáng)的“U”形管式換熱器^[11]。冷換器入口的LNG流量設(shè)定為5000kg／h。優(yōu)化后再冷凝器壓力與壓縮機(jī)能耗及物料比的關(guān)系見表3。

 

 

從圖6-b及表3可以看出，工藝優(yōu)化前再冷凝器壓力為0.88MPa時(shí)的物料比與工藝優(yōu)化后再冷凝器壓力為0.65MPa時(shí)的物料比接近，而壓縮機(jī)能耗則由302.4kW降為246.9kW，降低l8.2％，節(jié)能效果明顯。

3．2　混合使用2種BOG處理工藝

從能耗對(duì)比分析及實(shí)際應(yīng)用情況來看，氣源型LNG接收站一般都采用BOG再冷凝液化工藝。根據(jù)本文參考文獻(xiàn)[1，12-13]計(jì)算得到青島LNG接收站在不同工況下的BOG處理量：①卸船最小外輸量時(shí)，BOG處理量為20.6t／h；②卸船最大外輸量時(shí)，BOG處理量為l9.9t／h；③非卸船最小外輸量時(shí)，BOG處理量為7.3t／h；④非卸船最小外輸量時(shí)，BOG處理量為4.3t／h。理論模擬計(jì)算得知卸船工況下的BOG處理量為非卸船工況下BOG處理量的4.5倍，同時(shí)，根據(jù)下游用戶用氣量的不同，LNG接收站外輸量也有較大波動(dòng)，這些都造成BOG再冷凝液化工藝操作困難，尤其是當(dāng)BOG處理量較大，而下游用戶用氣量較低時(shí)，會(huì)造成BOG無法完全液化就不得不進(jìn)入火炬系統(tǒng)，導(dǎo)致能源浪費(fèi)。因此，針對(duì)青島LNG接收站提出BOG再冷凝液化及BOG直接壓縮2種工藝混合使用的方案(圖8)，使進(jìn)再冷凝器的LNG流量保持恒定，沒被冷凝的BOG經(jīng)過高壓壓縮機(jī)提壓到外輸壓力，與完成氣化的LNG混合后外輸。

 

模擬混合工藝卸船工況下的流程參數(shù)見表4，在卸船工況下再冷凝器入口的LNG流量為62.00 t／h，在再冷凝器安全運(yùn)行的同時(shí)，盡可能降低高壓壓縮機(jī)的入口流量，從而節(jié)約總能耗。低壓壓縮機(jī)設(shè)計(jì)負(fù)荷為6.7t／h，為統(tǒng)一設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，并節(jié)約投資成本，再冷凝器入口LNG流量的設(shè)定以滿足高壓壓縮機(jī)入口BOG流量小于6.7t／h為限。

 

BOG混合處理工藝與BOG再冷凝液化工藝能耗對(duì)比情況見表5。BOG混合處理工藝的壓比焓線見圖3中的黑色線，從圖3可以看出，由于高壓壓縮機(jī)的存在，BOG混合處理工藝的能耗大于BOG再冷凝液化工藝的能耗。從表5可以看出，正常工況下，采用BOG混合處理工藝的總能耗比單用BOG再冷凝液化工藝的總能耗要高6.8％，但在最小外輸量的工況下，采用BOG混合處理工藝可避免BOG進(jìn)入火炬系統(tǒng)而造成能源浪費(fèi)，同時(shí)減小再冷凝器入口流量的波動(dòng)，裝置運(yùn)行更穩(wěn)定、更安全。綜合考慮，青島LNG接收站BOG處理工藝采用BOG再冷凝液化工藝及BOG直接壓縮混合處理工藝可行。

 

4　結(jié)論

1)BOG再冷凝液化工藝的能耗均小于BOG直接壓縮工藝的能耗。針對(duì)2種BOG處理工藝，外輸量的改變幾乎不影響再冷凝器的節(jié)能效果，但當(dāng)BOG量較大時(shí)，BOG再冷凝液化工藝的節(jié)能效果更顯著。

2)隨著外輸壓力的增加，再冷凝器的節(jié)能量也增加。

3)隨著再冷凝器壓力的增加，再冷凝器的節(jié)能量減少，但為了便于操作，再冷凝器壓力一般設(shè)為0.7～0.9MPa。

4)BOG進(jìn)入再冷凝器前進(jìn)行預(yù)冷，可在處理相同BOG量時(shí)降低再冷凝器的壓力，從而節(jié)約壓縮機(jī)的能耗，節(jié)約率達(dá)l8.2％。

5)青島LNG接收站采用BOG再冷凝液化工藝及BOG直接壓縮混合處理工藝，可避免最小外輸量工況下BOG進(jìn)入火炬，減少能源浪費(fèi)，使裝置運(yùn)行更安全、穩(wěn)定。

 

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本文作者：王小尚  劉景俊  李玉星  多志麗  王武昌

作者單位：中國石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司

  中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院