李亞軍 夏 巖

(華南理工大學傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室 廣州 510641)

1 引言

常壓下，LNG的儲存溫度低至－160℃左右。在儲存和運輸LNG過程中，不論是儲罐還是管線，都不可能做到絕對的熱絕緣，在內外巨大溫差的推動下，LNG體系持續(xù)漏熱，這些熱量促使LNG蒸發(fā)為氣體(BOG)。目前世界上大部分LNG接收站采用再冷凝工藝回收BOG［1］，即將壓縮后的BOG和LNG送入再冷凝器進行換熱，利用LNG的冷能將BOG再液化回收。

LNG接收站一般設有兩組BOG壓縮機，正常操作時開啟一組，另外一組備用。中國某一LNG接收站，設有兩臺BOG壓縮機。在非卸船操作中，開啟一臺壓縮機;卸船BOG大量增加時開啟兩臺。但當BOG量達到高峰時，流量超過兩臺壓縮機的處理量，多余的只能燃燒排放。同時，由于BOG量波動大，后續(xù)再冷凝工藝等操作控制難度加大。本文針對該LNG接收站存在的BOG量波動大、能耗高、資源浪費等問題，在其現(xiàn)有設備的基礎上，對現(xiàn)有操作進行優(yōu)化，以達到提高BOG蒸發(fā)量的穩(wěn)定性，降低能耗，減少資源浪費的目的。

2 LNG接收站BOG蒸發(fā)系統(tǒng)分析

2.1 LNG接收站流程概述

某LNG接收站流程如圖1所示。LNG由低溫運輸船由產地運往接收站，經卸料管線卸載到接收站LNG儲罐，卸船過程中產生的BOG分成兩股，一股進入LNG船上，置換卸出LNG的體積;另一股流經緩沖罐后進入壓縮機增壓，加壓后的BOG進入再冷凝器。BOG被冷凝后與另外一股LNG混合進入高壓泵，再被汽化輸送至高壓管網［2］。非卸船時，接收站設備和卸料管線需保持在低溫狀態(tài)，因此LNG低壓泵將一股LNG自儲罐經卸料管線通至碼頭，再由另一條循環(huán)線流回廠區(qū)。

圖1 LNG接收站流程圖Fig.1 LNG receiving and regasification system

2.2 LNG接收站BOG來源

LNG接收站在非卸船時，BOG蒸發(fā)的原因主要有3部分:首先，LNG在超低溫下儲存，儲罐持續(xù)漏熱。其次，LNG罐內設有低壓輸送泵，該輸送泵為潛液泵，泵正常工作時，會有部分電能轉化為熱量。再次，保冷循環(huán)中，各類設備、管線也會持續(xù)漏熱。

卸船之前，接收站的LNG儲罐須降壓操作，導致部分LNG氣化，同時接收LNG船上的BOG。卸船時，船上LNG儲罐也會漏熱;船上卸料泵工作時，也會有熱量進入到LNG中。LNG在卸料管道中流動時，與管道之間的摩擦及產生的渦流，將部分靜壓能轉化為熱量。以上這些熱量，最終都加入到LNG中，促使LNG蒸發(fā)為BOG。

3 接收站現(xiàn)有操作下BOG蒸發(fā)量

3.1 接收站現(xiàn)有工藝BOG蒸發(fā)量分析

該LNG接收站運行之初年接收量為370萬噸，目前增長到600萬噸。接收站現(xiàn)有1個卸料碼頭和3個有效容積160 000 m3的LNG儲罐，有兩臺BOG壓縮機，每臺壓縮機電機功率為500 kW，設計流量為3 320 m3/h(6 690 kg/h)［3］。

該LNG接收站氣源復雜，來源廣泛，但主要為來自澳大利亞和卡塔爾的LNG。其中卡塔爾LNG甲烷含量較高，為貧氣;澳大利亞LNG甲烷含量較低，為富氣。2種LNG組成如表1所示。

表1 貧富液組成Table 1 Components of rich and lean LNG

非卸船時，該接收站LNG儲罐壓力約16 kPa(表壓，下同)，BOG總量6.3 t/h左右，開啟一臺BOG壓縮機即可處理。在卸船開始之前的6個小時，儲罐壓力緩慢降低到12 kPa左右。降壓的目的是，使接收站儲罐壓力在卸船之前略低于LNG船壓力，便于船上BOG自動流向接收站。在降壓的同時，罐內LNG成為過熱液體，BOG量增加，兩臺壓縮機均開啟。

LNG船在航行時，儲罐漏熱產生的BOG燃燒用作船動力;船到達接收站后，要進行卸船準備，包括連接、吹掃卸料臂，液貨計量等。在此階段，船上仍漏熱產生BOG。但停泊后，船上動設備停止運轉，BOG儲存在船上，導致船儲罐壓力由航行時的10 kPa逐漸升高到15 kPa左右，高于接收站儲罐的12 kPa，BOG可自動上岸。

卸船開始時，卸船速度由200 m3/h逐漸增加到12 000 m3/h，此過程耗時75分鐘。接收站儲罐壓力則快速由12 kPa升高到16 kPa左右。卸船的最初階段，BOG量(BOG凈量，已除去補充到船上等，下同)最高可達16 t/h以上［4］。船上LNG液面下降，壓力迅速降到10 kPa，之后需由接收站補充大量BOG，以維持船壓在10 kPa。此后全速卸船，速度維持在12 000 m3/h，卸船結束前，再緩慢降速直至卸船結束。

圖2為從該接收站獲得的某次貧液卸船全過程的儲罐壓力和BOG量關系。此艘LNG船容量為147 000 m3，船上的 LNG與接收站儲罐內存留的LNG組分相同，皆為表1中卡塔爾貧液LNG，罐頂進料。卸船開始的時間是0 h，結束于14 h左右。

可以看出，儲罐壓力在卸船前10小時(－10 h)為16 kPa，BOG量約6.3 t/h。卸船前6小時，儲罐開始降壓，在卸船前1小時達到12 kPa;該階段BOG量由6.3 t/h增加到9.3 t/h。之后船上BOG流入接收站儲罐，BOG量在0 h左右達到16.5 t/h;罐壓也隨之升高到16 kPa以上。隨著卸船速度的增加，接收站向LNG船補充大量BOG，接收站的BOG量迅速下降。全速卸船階段，儲罐壓力約16.1 kPa，BOG量約6.3 t/h。卸船結束時，罐壓恢復到16 kPa，BOG量仍是6.3 t/h。

圖2 卸船時接收站儲罐壓力和BOG量Fig.2 Operation pressure of LNG tanks and BOG volume during ship unloading

3.2 現(xiàn)有操作存在的問題

由圖2可以看到，BOG在整個卸船過程中的波動極大。最小量6.3 t/h，最大量16.5 t/h，最大量是最小量的2.6倍以上。BOG高峰期即使兩臺壓縮機全開，額定處理量也只有13.38 t/h。不能處理的BOG只能送火炬燃燒，造成了資源極大浪費，經濟效益受損。

因BOG量劇烈波動，BOG在再冷凝器中被LNG冷凝時，再冷凝器的液位和壓力就容易出現(xiàn)波動，操作難度增加。同時，BOG波動大，單位BOG處理量的能耗也增加［5］。本文通過對BOG蒸發(fā)原因和影響因素深入分析，借助Pro/Ⅱ流程模擬軟件，對整個操作進行優(yōu)化，以解決實際操作中存在的上述問題。

4 BOG蒸發(fā)量影響因素分析

LNG接收站的BOG量受諸多因素影響，非卸船時，受環(huán)境溫度、光照、外輸量、LNG組成、儲罐壓力等影響;卸船時，除以上因素外，還受進料位置、不同密度LNG混合影響。

4.1 氣溫、光照和外輸量

氣溫、光照的改變，均是改變了傳熱溫差，進而改變系統(tǒng)漏熱量。由于LNG的溫度低至－160℃，外界溫度即使在0—40℃范圍內變化，再加上光照影響，該接收站的BOG量波動也小于30%［4］。

由于接收站下游用戶用氣量波動頻繁，外輸量隨季節(jié)和晝夜而變化。外輸量對于BOG量的影響在于:外輸量大時，開啟的低壓輸送泵數量多，轉化為熱量的電能也會增加，促進BOG的蒸發(fā)。而同時，外輸量大導致罐內LNG液面下降更快，需要更多BOG來填補LNG外輸留下的空間，就會減少BOG凈量，兩種趨勢相互抵消。目前接收站最小外輸是360 t/h，最大外輸1 260 t/h，最小外輸時的BOG量比最大外輸時多了14.9%。

4.2 LNG組分

采用流程模擬軟件PRO/II模擬，分析LNG組分對BOG量的影響。模擬中采用的熱力學方法是Soave－Redlich－Kwong(SRK)狀態(tài)方程［6］，模擬中的模塊及參數，均以該接收站實際設備和參數為基礎。

由于BOG中氮氣和甲烷占絕大多數，二者質量分數之和超過99%，對BOG蒸發(fā)量影響很大［7］。因此，模擬側重于甲烷和氮氣含量對BOG的影響。在表1貧、富液的基礎上，改變甲烷和氮氣的含量，其它組分含量不變。在非卸船漏熱量一定，罐壓不變時BOG蒸發(fā)量的模擬結果如圖3所示。

圖3 非卸船時BOG量與N2含量的關系Fig.3 BOG volume with change of nitrogen content in LNG

可以看出，卡塔爾貧液 LNG(含氮摩爾分數0.11%)的BOG量是6 275 kg/h，澳大利亞富液LNG(含氮摩爾分數0.09%)的BOG量是6 228 kg/h。貧、富液的BOG量均隨著氮氣含量的增加而增加。在含氮量相同時，貧液的BOG始終高于富液。在含氮量為零時，貧、富液的BOG量基本相同。

4.3 卸船時LNG進料位置

LNG產業(yè)迅猛發(fā)展，氣源趨于復雜化，各種LNG組分含量也不同。不同密度的LNG在儲罐中混合已是不可避免，如果操作不當，將會產生分層，繼而產生翻滾和BOG爆發(fā)［8］。LNG儲罐有2個進料口，一個在罐底，在罐內設有立式導管，引導LNG直達底部;另一個在罐頂，即LNG直接由罐頂注入液面。為防止LNG翻滾和BOG爆發(fā)事故的發(fā)生，首先要避免LNG分層，所以原則上LNG進料位置是根據罐內和船上LNG密度來選擇的。如果罐內LNG密度較小，船上LNG密度較大，應選用罐頂進料，使不同密度的LNG自動混合均勻，避免發(fā)生分層;反之則從罐底進料［9］。圖4為國外某接收站不同進料方式對BOG量影響關系。該接收站LNG儲罐屬于低壓罐，正常操作壓力為5—15 kPa。

圖4 BOG蒸發(fā)量與不同進料位置的關系Fig.4 BOG volume vs.feed position

4.4 儲罐壓力

飽和狀態(tài)的LNG吸收熱量之后可發(fā)生下列兩種情況:(1)如壓力保持不變，則一部分液體蒸發(fā)為氣體，以吸收傳入的熱量;(2)如液態(tài)保持不變，則液體的顯熱增加，溫度升高，壓力亦隨之增高。某LNG飽和壓力與焓值關系如表2。

表2 LNG飽和壓力與焓值的關系Table 2 Saturated enthalpy of LNG vs.pressure

由表2可知，壓力每提高1 kPa，則飽和液體焓增加0.335 7 kJ/kg。理論上，LNG接收站儲罐操作壓力越高，BOG量越少;相反，降低儲罐操作壓力，BOG量就增加［10］。由圖2也可看到，卸船前，儲罐壓力稍有降低，BOG量就大幅提升。通過模擬發(fā)現(xiàn):全速卸料階段，如果接收站儲罐壓力與船上LNG儲罐壓力同樣保持在10 kPa，接收站BOG總量可以達到33.77 t/h。如果岸上儲罐壓力維持在19 kPa左右，BOG凈量就為零。

由于氣溫等因素是客觀條件決定的，不能隨意改變。能夠人為控制的因素只有進料位置和儲罐壓力，對比這兩種影響因素，進料位置是由卸船時的客觀條件決定，不能任意改變，更不能用來調節(jié)BOG蒸發(fā)規(guī)律。該接收站LNG儲罐正常操作壓力是5—25 kPa，有足夠的空間進行BOG蒸發(fā)規(guī)律的調節(jié)。因此，通過調節(jié)儲罐操壓力來提高BOG量的穩(wěn)定性，是最現(xiàn)實可行的方式。

5 提高BOG蒸發(fā)量穩(wěn)定性的優(yōu)化

根據上文分析，現(xiàn)有操作存在的問題，均源于不同操作工況下，BOG量波動過大。綜合上述BOG蒸發(fā)量的影響因素，本文提出了優(yōu)化接收站操作的方法。該方法通過調節(jié)接收站LNG儲罐操作壓力，降低BOG量的波動程度，即提高BOG量的穩(wěn)定性，來解決現(xiàn)有操作中存在的問題。

5.1 儲罐操作壓力優(yōu)化

上文分析得出LNG儲罐操作壓力對BOG的蒸發(fā)量影響最大。事實上，LNG接收站是通過BOG處理系統(tǒng)來調節(jié)儲罐操作壓力的。加大BOG處理系統(tǒng)的處理量，儲罐操作壓力降低;反之儲罐壓力升高。與圖2對應的現(xiàn)場操作是:－6 h開啟兩臺壓縮機，處理量超過漏熱產生的BOG，儲罐壓力在－1 h降到12 kPa。

本文通過優(yōu)化BOG處理系統(tǒng)來調節(jié)儲罐壓力，進而改變BOG蒸發(fā)量，最終提高BOG量的穩(wěn)定性。因接收站BOG量受多種因素影響，對于一次實際卸船過程，很難預測各種因素的波動情況。首先假定其它因素維持不變，只通過改變儲罐操作壓力，來提高BOG量的穩(wěn)定性，然后再考慮其他因素綜合影響下的情況。在優(yōu)化模擬中，卸船開始時接收站儲罐液面高度取10 m，LNG為貧液，外輸量685 t/h，外界溫度30℃，罐頂進料。目前該接收站年接收量600萬噸，以船容147 000 m3計，平均兩次卸船間隔約97 h。圖5為優(yōu)化的儲罐操作壓力與BOG蒸發(fā)量的關系，圖中操作時間－5—92 h共97小時為一個卸船周期。

圖5 優(yōu)化的BOG蒸發(fā)量和儲罐壓力Fig.5 BOG volume and operation pressure of LNG tanks in optimized system

優(yōu)化后，卸船操作與現(xiàn)有操作保持一致，圖5中0—14 h卸船，1.5—13 h為全速卸船(12 000 m3/h)階段。優(yōu)化操作后，在全速卸船階段，將儲罐壓力保持在16.0 kPa(現(xiàn)有操作16.1 kPa)，在此壓力下，BOG總量為6.69 t/h，開啟一臺BOG壓縮機。14—87 h屬于非卸船狀態(tài)，雖然漏熱產生的BOG只有6.3 t/h，但將壓縮機的處理量仍保持6.69 t/h不變，儲罐壓力持續(xù)下降，79 h降低到10.85 kPa。之后調整處理量為6.3 t/h，儲罐壓力維持10.85 kPa不變。新一輪的卸船開始時，儲罐壓力迅速上升，最高時可達19.8 kPa，罐內液體成為過冷液體，可將船上來的BOG冷凝。在此過程中，BOG量由6.3 t/h升高到6.69 t/h。新一輪卸船達到全速時，罐壓降至16.0 kPa，BOG量仍為6.69 t/h，整個過程只需開啟一臺壓縮機。

現(xiàn)有操作中，BOG壓縮機處理量長時間保持在6.3 t/h，而沒有達到一臺壓縮機的額定處理量6.69 t/h。待卸船BOG大量增加時，只能開啟備用壓縮機。在優(yōu)化的操作中，放棄了產生多少BOG即處理多少BOG的思路，而是將BOG處理量保持在壓縮機的額定處理量6.69 t/h，直到儲罐壓力降到所需值。優(yōu)化操作中，卸船前降壓到10.85 kPa，較現(xiàn)有操作壓力(12 kPa)低，此時降壓的目的不只是讓船上BOG自動上岸，同時也是升壓后快速冷凝BOG的需要。而且罐壓最高值19.8 kPa也高于現(xiàn)有操作，但仍在5—25 kPa的正常操作范圍內。備用壓縮機只是在臺風來襲等非正常操作工況下開啟。

優(yōu)化前后，在一個卸船和非卸船操作周期中，加入到LNG的總熱量是相同的，產生的BOG總量也相同。優(yōu)化操作只是通過調節(jié)儲罐壓力，讓BOG在一個卸船周期中，更加均勻地蒸發(fā)，從而提高BOG量的穩(wěn)定性。

5.2 其它因素對BOG量穩(wěn)定性的影響

影響B(tài)OG蒸發(fā)量的各種因素(如氣溫)總是在變化著，它們對于BOG的穩(wěn)定性同樣存在影響。上文已經分析出，氣溫、光照和外輸量，均是在小范圍內影響B(tài)OG蒸發(fā)量。LNG組分對BOG蒸發(fā)量影響較大，但該接收站LNG的主要來源中，氮氣摩爾分數均低于0.5%，BOG蒸發(fā)量仍在一臺壓縮機處理范圍內。進料位置對于BOG蒸發(fā)規(guī)律影響很大，但無論如何進料，只是改變了BOG閃發(fā)的規(guī)律和時間，而不會改變總BOG量。罐底進料并沒有出現(xiàn)BOG爆發(fā)的情況，BOG高峰期也小于罐頂進料的高峰期。

因此，相對于儲罐操作壓力，其它因素對BOG蒸發(fā)量影響較小。上述因素發(fā)生變化時，所引起的BOG蒸發(fā)量波動，均可以通過調節(jié)儲罐操作壓力，來抵消這些影響;而且所需的壓力調節(jié)范圍，均在儲罐正常操作壓力范圍之內。綜上，雖然接收站BOG蒸發(fā)量受各種因素錯綜復雜地影響，但只要相應地調節(jié)儲罐的操作壓力，均可維持BOG量的穩(wěn)定性。

5.3 優(yōu)化效果

比較現(xiàn)有操作和優(yōu)化后的操作(圖2和圖5)，圖2對應的操作需在短時間里開啟第二臺壓縮機，而圖5中BOG量穩(wěn)定性提高，始終在一臺壓縮機處理量之內。BOG免于燃燒外排，減少資源浪費，增加經濟效益，同時保護了環(huán)境。第二臺壓縮機無需經常開啟，能耗降低。

BOG量的穩(wěn)定性提高，也給后續(xù)操作工藝帶來好處:用來冷凝BOG的LNG量也趨于穩(wěn)定，再冷凝器的液位和壓力波動減小，操控更加容易;接收站其他設備乃至整個接收站運行更加平穩(wěn)，故障率降低。在后續(xù)再冷凝中，因操作穩(wěn)定，冷凝單位BOG的能耗降低。

6 結論

LNG接收站的 BOG量受氣溫、光照、外輸量、LNG組成、儲罐壓力、卸船與非卸船以及進料位置等影響。日常操作時BOG較少且相對穩(wěn)定，在卸船之前降壓至卸船之初，BOG量會迅速增加。通過分析影響B(tài)OG蒸發(fā)量的各類因素和維持BOG蒸發(fā)量穩(wěn)定性的可行性，確定儲罐操作壓力是對其影響最大并且可調控的因素。

對中國某一接收站現(xiàn)有BOG系統(tǒng)通過調節(jié)儲罐操作壓力進行優(yōu)化。優(yōu)化結果表明，在各種復雜工況下，通過調節(jié)儲罐操作壓力，均可維持接收站BOG量的穩(wěn)定性。因此可解決該接收站目前存在的資源浪費、能耗高等問題。

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