上海液化天然氣有限責(zé)任公司 李世斌

0 前言

液化天然氣(簡(jiǎn)稱LNG)接收站是最近幾年在國(guó)內(nèi)開始興建，以接收和儲(chǔ)存船運(yùn)的液化天然氣，并將其升壓、氣化后輸送到各門站和用戶為目的的大型工業(yè)裝置。目前國(guó)內(nèi)已建成并投用的有三座LNG接收站，分別在廣東大鵬、福建莆田、上海洋山港。在這三座 LNG接收站運(yùn)行的過(guò)程中，均不同程度地出現(xiàn)了BOG壓縮機(jī)入口阻力升高(具體表現(xiàn)為入口過(guò)濾器前后差壓過(guò)高)導(dǎo)致壓縮機(jī)吸入壓力過(guò)低而不能持續(xù)運(yùn)行的狀況。本文以上海 LNG接收站為例，對(duì)BOG壓縮機(jī)入口過(guò)濾器差壓高的原因進(jìn)行了分析并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 工藝簡(jiǎn)介

1.1 接收站主工藝流程

LNG接收站一般具有三大功能——接船裝卸LNG、儲(chǔ)存LNG并回收產(chǎn)生的蒸發(fā)氣(簡(jiǎn)稱BOG)、氣化外輸。LNG接收站主工藝流程如圖 1所示。LNG船上的輸送泵將LNG從船上排出，通過(guò)卸料臂進(jìn)入LNG卸載管線和LNG循環(huán)保冷線將LNG輸送到岸上的LNG儲(chǔ)罐中。

圖1 LNG接收站主工藝流程

為維持LNG船艙的壓力，通過(guò)氣體返回線將岸上儲(chǔ)罐的BOG流回船艙。在卸船過(guò)程中，LNG儲(chǔ)罐的工作壓力必須高于LNG運(yùn)輸船的工作壓力，以便氣體可以自然地從儲(chǔ)罐流向船中。

LNG一般在-160 ℃、常壓(大多在微正壓15 kPa左右)的條件下儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐，由于外部熱量的滲入會(huì)產(chǎn)生一定量的BOG。這些BOG匯入BOG總管，然后經(jīng)過(guò)BOG壓縮機(jī)加壓到0.8 MPa以上，再進(jìn)入再冷凝器被LNG吸收變成液體。

儲(chǔ)罐里的LNG通過(guò)罐內(nèi)泵增壓到1.4 MPa左右，分兩路輸送。一路進(jìn)入再冷凝器頂部吸收經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)加壓的BOG，吸收BOG后的LNG從再冷凝器底部出來(lái)和另外一路LNG匯合，進(jìn)入高壓泵，再次加壓到10 MPa后輸送到汽化器，變成氣體的天然氣最后經(jīng)過(guò)外輸主管道送到各門站和終端用戶。

1.2 BOG壓縮機(jī)簡(jiǎn)介

LNG接收站BOG壓縮機(jī)的主要作用是：回收LNG在儲(chǔ)存的過(guò)程中產(chǎn)生的BOG氣體，將其加壓后送到再冷凝器轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。上海液化天然氣公司使用的BOG壓縮機(jī)是由日本“IHI壓縮機(jī)機(jī)械公司”生產(chǎn)的 23HD-2N-CM型二級(jí)四缸往復(fù)式壓縮機(jī)，有四個(gè)容量控制級(jí)(25%、50%、75%和 100%)，每臺(tái)容量為6 400 m3/h，第一期共配置2臺(tái)。設(shè)計(jì)進(jìn)氣溫度-137.6 ℃，進(jìn)氣壓力0.108 MPa(絕壓)，排氣溫度約34 ℃，排氣壓力1.03 MPa(絕壓)。

1.2.1 BOG氣體回收的主工藝流程

BOG氣體回收的主工藝流程如圖2所示。

圖2 BOG氣體回收主工藝流程示意

從罐頂來(lái)的BOG氣體匯集到BOG總管，先經(jīng)過(guò)入口緩沖罐(V-0301)，在進(jìn)罐之前，還設(shè)有BOG減溫器(E-0301)，如果BOG氣體溫度高于-100℃，則自動(dòng)噴入LNG進(jìn)行降溫。低于-100℃的BOG氣體經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)入口過(guò)濾器(S-031101/S-031201)，過(guò)濾網(wǎng) 40目，然后經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)的吸入管進(jìn)入壓縮機(jī)一級(jí)壓縮，壓縮后氣體壓力約0.34 MPa，再經(jīng)過(guò)二級(jí)壓縮，壓力升到0.94 MPa，最后送到再冷凝器。

1.2.2 BOG壓縮機(jī)對(duì)工藝氣的參數(shù)要求

BOG壓縮機(jī)對(duì)工藝氣的參數(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 BOG壓縮機(jī)對(duì)工藝介質(zhì)的參數(shù)要求

壓縮機(jī)入口過(guò)濾器的壓差不能高于 5 kPa，如果高于此數(shù)值，很容易導(dǎo)致壓縮機(jī)的入口壓力低而產(chǎn)生聯(lián)鎖停機(jī)。壓縮機(jī)入口溫度要求低于-100 ℃，如果高于此溫度，有可能導(dǎo)致壓縮后的氣體溫度高于設(shè)計(jì)溫度而產(chǎn)生聯(lián)鎖停機(jī)。

2 現(xiàn)象及原因分析

2.1 現(xiàn)象

BOG壓縮機(jī)通過(guò)抽出LNG儲(chǔ)罐多余的BOG氣體，使儲(chǔ)罐保持恒定的壓力(15kPa左右)，同時(shí)將BOG氣體增壓后送到再冷凝器變成液相，以提高產(chǎn)品的商品化率。目前，上海 LNG接收站建有三個(gè)16.5萬(wàn)m3的儲(chǔ)罐，按設(shè)計(jì)每小時(shí)氣化量為0.5 ‰，正常情況只需要開啟一臺(tái)BOG壓縮機(jī)，在自動(dòng)狀態(tài)下負(fù)荷在 50%和 75%間變動(dòng)。壓縮機(jī)入口過(guò)濾器的壓差隨壓縮機(jī)負(fù)荷的變動(dòng)會(huì)有一定的波動(dòng)，但一般在0~3 kPa，當(dāng)壓差大于4 kPa后，則會(huì)在短時(shí)間迅速上升，導(dǎo)致壓縮機(jī)入口壓力降低到2 kPa低報(bào)，甚至0.5 kPa連鎖停機(jī)。上海液化天然氣接收站自開始試運(yùn)行以后，多次出現(xiàn)過(guò)因過(guò)濾器壓差增高被迫停運(yùn)蒸發(fā)氣壓縮機(jī)的狀況，其中在2010年4月份，就總共出現(xiàn)6次，對(duì)生產(chǎn)造成重大的干擾。

2.2 原因初步分析

過(guò)濾器差壓高說(shuō)明過(guò)濾網(wǎng)有堵塞的現(xiàn)象，原因有兩種：

(1)管道不干凈，在運(yùn)行的過(guò)程中，將管道中的雜質(zhì)帶入過(guò)濾器堵塞過(guò)濾網(wǎng)，從而導(dǎo)致前后壓差高，介質(zhì)的通過(guò)率低；

(2)BOG總管中一般是自然蒸發(fā)的甲烷氣體，不會(huì)有液體或重組分進(jìn)入。但是在特定條件下，如果有重組分被帶入，介質(zhì)的露點(diǎn)升高，當(dāng)管道運(yùn)行溫度下容易在金屬過(guò)濾網(wǎng)的表面形成液相膜，也可能導(dǎo)致前后壓差高，介質(zhì)的通過(guò)率低。

通過(guò)對(duì)上海LNG接收站歷次發(fā)生的壓縮機(jī)入口過(guò)濾器的差壓高進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在接卸船后出現(xiàn)該現(xiàn)象的概率非常高。出現(xiàn)該現(xiàn)象后，將該壓縮機(jī)停運(yùn)，靜置一段時(shí)間后，再次開啟時(shí)，壓縮機(jī)入口過(guò)濾器的差壓正常且可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。由此可以初步判斷，壓縮機(jī)入口過(guò)濾器出現(xiàn)差壓高的原因不是由于固體垃圾導(dǎo)致過(guò)濾網(wǎng)得堵塞，極有可能是由于BOG管道中攜帶有較多的重組分在過(guò)濾網(wǎng)上凝聚成液膜，從而導(dǎo)致過(guò)濾網(wǎng)前后差壓變大。

針對(duì)這種情況，我們對(duì)出現(xiàn)該現(xiàn)象的狀況進(jìn)行了模擬，并和正常狀況下BOG總管的氣體組分、各組分在常壓下的飽和露點(diǎn)以及通過(guò)計(jì)算所得的不同百分比的混合氣體的烴露點(diǎn)進(jìn)行了分析對(duì)比。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 不同組成的烴類混合物的露點(diǎn)

正常情況下BOG壓縮機(jī)入口溫度：

-105~-125℃，壓力：14~16 kPa；

在接卸船情況下BOG壓縮機(jī)入口溫度：

-125~-152℃，壓力：14~16 kPa。

從表2可以看出：

(1)常壓下乙烷和丙烷以及 C4等的露點(diǎn)均高于BOG總管的運(yùn)行溫度(-125~-125℃)；

(2)在模擬卸船的狀況下，BOG氣體的組分百分比發(fā)生了顯著的變化，甲烷含量下降，乙烷和丙烷的含量顯著上升；

(3)在模擬卸船的狀況下，BOG混合氣體的飽和露點(diǎn)也遠(yuǎn)高于BOG總管的運(yùn)行溫度。(烴類混合氣體飽和露點(diǎn)的計(jì)算見(jiàn)2.3)

2.3 對(duì)烴類混合氣體飽和露點(diǎn)的計(jì)算

對(duì)烴類混合氣體露點(diǎn)計(jì)算一般借助計(jì)算機(jī)編程，采用逐步迭代算法或擬牛頓直接算法，求解混合氣體露點(diǎn)(具體算法可參考《天然氣工程》或《液化天然氣技術(shù)》)。

計(jì)算結(jié)果如表2所示，在15 kPa的表壓下，擁有LNG組分的氣體飽和露點(diǎn)-80.82℃，BOG總管的氣體飽和露點(diǎn)-161℃，模擬接卸LNG船的狀況下BOG總管的氣體飽和露點(diǎn)-89.85℃。

2.4 綜合分析

從上面的分析可以看出，BOG氣體組分中重組分的增加，導(dǎo)致混合氣體的飽和露點(diǎn)升高，而BOG總管的運(yùn)行溫度(-105~-125℃)相對(duì)較低，這樣被帶入的重組分很容易在壓縮機(jī)過(guò)濾網(wǎng)(40目)的表面凝結(jié)為液體，堵塞過(guò)濾網(wǎng)，降低工藝氣體的通過(guò)率，增大了過(guò)濾器前后的壓差，最終導(dǎo)致壓縮機(jī)入口壓力低。

導(dǎo)致BOG氣體組分中重組分的增加的原因主要有兩種：

(1)由于工藝的原因，直接將LNG排入BOG總管。例如在接卸LNG船的過(guò)程中，對(duì)卸料臂的預(yù)冷過(guò)程；對(duì)LNG管道和設(shè)備的排凝、排漏的過(guò)程等。

(2)儲(chǔ)存中的LNG的過(guò)度氣化。例如BOG壓縮機(jī)對(duì)儲(chǔ)罐壓力的過(guò)度抽?。粌?chǔ)罐發(fā)生閃蒸或類似閃蒸的操作；和BOG總管相連的排凝罐(壓縮機(jī)前排凝罐、碼頭排凝罐等)存有大量的LNG自然氣化等。

3 措施

下面是針對(duì)工藝和操作中易導(dǎo)致LNG或LNG所含的重組分進(jìn)入BOG總管的幾種情況所采取的措施。

(1)改變卸船時(shí)預(yù)冷卸料臂的方式。在最初設(shè)計(jì)的預(yù)冷卸料臂方案中，用船上的LNG對(duì)卸料臂進(jìn)行預(yù)冷后直接排入BOG總管，這樣低溫的LNG大量進(jìn)入了BOG總管。更新后的預(yù)冷方式是直接將卸料臂連接岸上的快開閥打開，這樣冷卻卸料臂的LNG氣液混合物可以進(jìn)入卸料總管。

(2)盡量減少啟用 E-0301對(duì)壓縮機(jī)的入口進(jìn)行降溫。由于BOG壓縮機(jī)入口溫度不能高于–100℃，當(dāng)BOG 溫度高于此溫度時(shí)，E-0301自動(dòng)噴入LNG進(jìn)行降溫，雖然有分液罐，但帶入的重組分還是有可能直接在過(guò)濾網(wǎng)上形成液膜，這也是導(dǎo)致壓縮機(jī)入口過(guò)濾器壓差高的主要原因之一。

要減少啟用 E-0301的次數(shù)，需要注意下面的情況：當(dāng)發(fā)生事故或管線、設(shè)備維修的情況下進(jìn)行排放時(shí)，要控制好速度，因?yàn)榻邮照镜母邏号欧藕偷蛪号欧哦际沁M(jìn)入BOG總管，快速、大量的高溫或高壓介質(zhì)的排放很容易帶高壓縮機(jī)入口溫度從而啟用E-0301。

(3)在卸船時(shí)儲(chǔ)罐壓力不足，需要補(bǔ)氣時(shí)，最好先停止運(yùn)行壓縮機(jī)，采用外送的高壓天然氣回補(bǔ)。但在補(bǔ)氣結(jié)束后，應(yīng)盡快開啟壓縮機(jī)，防止 BOG總管溫度升高。其它補(bǔ)氣的方式，如通過(guò)低壓泵或高壓泵打回流的方式，產(chǎn)生的氣量有限，但因閃蒸的原因也可能將LNG中的重組分帶入BOG總管。

(4)BOG壓縮機(jī)增加級(jí)間冷卻器。由于BOG壓縮機(jī)是往復(fù)式兩段壓縮機(jī)，氣體經(jīng)壓縮后，溫度會(huì)有較大幅度的升高，如果增加級(jí)間冷卻器，可以放寬壓縮機(jī)入口溫度的限制范圍，改善壓縮機(jī)的可操作性能。這也會(huì)減少壓縮機(jī)入口因?yàn)闇囟雀邌⒂肊-0301的概率，也減少了BOG總管帶入中組分的可能。

(5)在正常操作運(yùn)行中，和BOG總管相連的排凝罐(壓縮機(jī)前排凝罐V-0302、碼頭排凝罐V-0101等)不要長(zhǎng)時(shí)間存放大量的LNG液體，防止自然受熱蒸發(fā)，重組分帶入BOG總管。

采取以上5點(diǎn)措施后，上海液化天然氣接收站BOG壓縮機(jī)入口過(guò)濾器阻力高的現(xiàn)象已經(jīng)大大減少，從2010年7月到2010年12月只出現(xiàn)了1次。

4 結(jié)論

BOG壓縮機(jī)入口阻力高的最直接的原因是BOG總管中混合氣體的組成發(fā)生了顯著的改變，少量的重組分如乙烷、丙烷等進(jìn)入BOG總管，當(dāng)壓縮機(jī)入口溫度低到一定程度時(shí)，這些氣態(tài)的重組分容易在過(guò)濾網(wǎng)上形成液膜，堵塞過(guò)濾網(wǎng)，過(guò)濾器前后壓差變大，壓縮機(jī)入口壓力低，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)中斷運(yùn)行。

而要防止BOG壓縮機(jī)入口過(guò)濾器壓差出現(xiàn)高的現(xiàn)象，不僅要從工藝上采取措施，如改變卸船時(shí)預(yù)冷的方式，不讓LNG直接進(jìn)入BOG總管，還要在平時(shí)操作時(shí)，注意一些細(xì)節(jié)，如在事故或管線設(shè)備維修的情況下需要排放時(shí)，要控制好速度，快速、大量排放很容易帶高壓縮機(jī)入口溫度。另外，上海LNG接收站所選用的BOG壓縮機(jī)由于沒(méi)有設(shè)置級(jí)間冷卻器，所以一級(jí)入口溫度必須要低于-100℃，如果增加級(jí)間冷卻器，將很大程度提高操作的靈活性。