薛 倩, 劉名瑞

（中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

LNG接收站BOG處理工藝的優(yōu)化

薛 倩, 劉名瑞

（中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

LNG接收站的蒸發(fā)氣（BOG）處理工藝包括直接壓縮工藝和再冷凝工藝。但是目前的BOG處理工藝存在系統(tǒng)能耗大、外輸負荷波動時工藝操作困難，再冷凝器的液位波動不穩(wěn)定，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較差等缺點。本文論述了目前國內(nèi)外LNG接收站中的BOG處理工藝優(yōu)化技術方面的發(fā)展概況，指出了國內(nèi)在這方面存在的問題，為今后開展這方面的研究提供了可靠的依據(jù)。

LNG接收站；BOG處理工藝；優(yōu)化

天然氣是由甲烷組成的可燃性氣體，是從氣田中自然開采出來.隨著經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境受到了很大的污染，亟需清潔無污染的能源[1]。而液化天然氣（LNG）是在常壓的環(huán)境下通過把開采出的天然氣冷卻到約-162 ℃時，氣體就變成了無色、無味、無毒且無腐蝕性的液體，并且通過這個冷卻過程天然氣的體積縮小600倍，從而也有利于天然氣的遠距離運輸[2]。我國是一個能源消費大國，天然氣的消費量還相對較少，在能源消費結(jié)構中所占比例還很低。眾所周知，我國的天然氣資源非常有限，其開采量遠遠小于需求量[3]。為了緩解我國經(jīng)濟的快速發(fā)展對環(huán)保和能源的需求，我國在沿海地區(qū)已經(jīng)先后建成投產(chǎn)深圳大鵬、福建莆田、上海洋山港、江蘇如東、遼寧大連和浙江寧波共6座接收站，在沿海區(qū)域在建和運營的LNG接收站已經(jīng)達到了14座，LNG接收站在我國蓬勃的發(fā)展。

1 LNG接收站概述

1.1 LNG接收站的工藝

LNG一般由專用運輸船運輸?shù)絃NG接收站接受。LNG接收站一般建設在沿海地區(qū)專門為了接受海運的LNG的汽化工廠，是將通過遠洋運輸船輸送來的LNG進行卸船、儲存、BOG汽化，LNG汽化外輸給用戶、工程等[4]。

1.2 LNG接收站中BOG處理的工藝

根據(jù) LNG接收站中 LNG儲罐產(chǎn)生的蒸發(fā)氣（BOG）的處理方式的不同，LNG接收站整體的工藝可分為兩種[5,6]。其中一種是BOG直接輸出工藝，LNG儲罐中產(chǎn)生的BOG經(jīng)過BOG壓縮機壓縮直接增壓到外輸管網(wǎng)壓力，然后直接外輸，如圖1所示；

圖1 BOG直接壓縮工藝Fig.1 The direct compression process

另一種是BOG再冷凝工藝，如圖2所示。LNG儲罐中生成的BOG首先經(jīng)低壓BOG壓縮機加壓，加壓后輸出到再冷凝器，在冷凝器中由從儲罐中輸出的LNG并經(jīng)低壓泵加壓的過冷LNG冷卻液化，混合均勻后，由高壓泵繼續(xù)加壓至外輸管網(wǎng)壓力，并由汽化器汽化后直接外輸。

目前國內(nèi)的接收站類型可分為三種即氣源型接收站，調(diào)峰型接收站和衛(wèi)星型接收站它們的外輸壓力分別為5～9、2～3、0.1～0.8 MPa[7]。氣源型接收站儲罐多，能產(chǎn)生大量BOG，為了達到遠距離的運輸，所以外輸管道的輸氣壓力很高，并且外輸量也大，從而LNG儲罐內(nèi)的低壓泵始終保持運行，所以也就確保了有足夠的過冷LNG來充當BOG再冷凝器的冷源。所以國內(nèi)外氣源型的LNG接收站多采用再冷凝工藝。調(diào)峰型接收站規(guī)模小，距離用戶較近，一般為了適應用戶用氣量的波動而建，無法保證LNG的持續(xù)供應，因此較多的采用BOG直接壓縮工藝，節(jié)能效果不明顯。而衛(wèi)星型接收站規(guī)模更小，所以也采用直接外輸工藝[8]。

圖2 BOG再冷凝工藝Fig.2 The BOG re-liquefaction processes

1.3 BOG再冷凝工藝的控制系統(tǒng)

在再冷凝器中發(fā)生的是氣體的 BOG被過冷的LNG冷卻成液體，BOG在冷凝器中發(fā)生了相變，從而只需要控制好進入到再冷凝器中的 BOG和過冷LNG的氣液比和出口、入口的進出平衡，再冷凝器就能穩(wěn)定運行。目前在我國的LNG接收站中再冷凝器的控制方式主要有兩種形式。第一種，通過再冷凝器的液位以及進入到再冷凝器中的 BOG的量來控制氣體和液體的進入比例，而再冷凝器的物料平衡是通過控制再冷凝器出口壓力。第二種，通過再冷凝器上部氣體產(chǎn)生的壓力來控制再冷凝器中的氣體和液體的進入比例，再冷凝器的物料平衡是通過控制液位來實現(xiàn)的[9]。進入到再冷凝器的BOG的流量由閥控制，根據(jù)外輸高壓泵的進口壓力通過壓力信號源來設定再冷凝器的出口壓力，然后將BOG的流量以及進口壓力經(jīng)由計算公式計算，并根據(jù)此值來控制閥門的開度大小，從而控制進入的低壓過冷的LNG的流量，這樣就維持了再冷凝器的液位的穩(wěn)定以及保證了高壓泵進口壓力的恒定。通過高壓泵吸入端的壓力信號源同時還需要調(diào)節(jié)閥門的開度來一并維持吸入端的壓力恒定[10]。

目前BOG處理工藝存在系統(tǒng)能耗高，對輸氣負荷波動適應性差，并且BOG再冷凝器液位波動，控制系統(tǒng)操作穩(wěn)定性較差。

2 BOG處理工藝的優(yōu)化

2.1 直接壓縮工藝的優(yōu)化

將 BOG直接壓縮工藝中的單階壓縮改為多階壓縮，與不斷加壓后過冷的LNG進行混合換熱，其中每一階的BOG壓縮機的出口壓力與LNG泵的出口壓力相同，然后進入混合器進行混合換熱，一部分BOG被過冷的LNG冷卻，然后經(jīng)氣液分離器分離后，LNG液體再進入泵加壓(圖3)。

圖3 BOG直接冷凝多階壓縮示意圖Fig.3 The flowsheet of multiple stage compression

眾所周知，單位質(zhì)量的液體加壓要易于單位質(zhì)量的氣體，因此功耗比原直接壓縮工藝低。而未被冷凝的BOG通過與LNG混合冷卻降溫后再進入下一階BOG壓縮機進行壓縮，當壓縮機入口的氣體溫度降低時，壓縮能耗也會減少。這個過程不斷繼續(xù)，最后直到蒸發(fā)氣被全部液化或加壓到外輸壓力。采用多階壓縮后，階數(shù)越多，節(jié)能效果越明顯，但是當階數(shù)增加到一定的范圍后，通過增加階數(shù)的節(jié)能效果不明顯，因此考慮了投資成本與節(jié)能效果后，存在一個最佳階數(shù)[11,12]。

2.2 BOG再冷凝工藝的優(yōu)化

當對外長距離運輸時，外輸壓力較大，再冷凝工藝要比直接壓縮工藝的功耗低，LNG接收站中再冷凝工藝的能耗主要取決于：高壓泵的進口壓力、管網(wǎng)外輸壓力和儲罐中BOG氣體的產(chǎn)量。再冷凝器和BOG壓縮機是再冷凝工藝的主要設備，再冷凝工藝的主要影響因素是進入到再冷凝器中的 BOG的壓力以及冷卻BOG所需要的過冷LNG量。楊志國、向麗君等人采用Aspen和Hysys等化工模擬軟件對再冷凝工藝進行模擬計算，并對能耗進行對比分析，得出對總能耗影響最大的是BOG壓縮機的能耗，因此如果能大幅降低 BOG壓縮機的能耗就能達到節(jié)能的效果。在外輸 LNG量不變的情況下，冷卻經(jīng)BOG壓縮機加壓后的BOG，降低其進入再冷凝器的溫度，就能降低壓縮機的出口壓力，降低能耗[13～15]。如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的BOG再冷凝工藝Fig.4 The new flow diagram of BOG reliquefaction process

2.3 綜合BOG回收工藝

劉浩等采用化工模擬軟件對兩種工藝進行模擬計算并對比分析，分別得出兩者的適用范圍，但再冷凝工藝比直接壓縮工藝更節(jié)能，但再冷凝工藝也存在一個缺點：需要有不斷的冷源，所以再冷凝工藝適合于大型的氣源型接收站，直接壓縮工藝適合小型的調(diào)峰型接收站。李兵等人提出將直接壓縮工藝和再冷凝工藝相結(jié)合的新工藝，從而避免了當外輸量較小時或者無外輸時，再冷凝工藝無法冷凝BOG，也避免了當外輸壓力較大時直接回收工藝中BOG壓縮機能耗較高的問題[16], 如圖5。

圖5 綜合BOG回收工藝Fig.5 The comprehensive process of BOG recovery

2.4 BOG再冷凝工藝控制系統(tǒng)的優(yōu)化

再冷凝工藝中 BOG再冷凝控制系統(tǒng)存在以下兩種問題：（1）外輸負荷變動時，再冷凝器的壓力控制系統(tǒng)反應比較慢，不能隨壓力的變化很快地做出響應。（2）液位升高時，采用補入高壓NG的方法來降低液位，十分耗能。所以當外輸負荷波動較大時，再冷凝器仍能穩(wěn)定操作，并且避免調(diào)整液位時對再冷凝器經(jīng)常補氣造成的浪費。

以某沿海 LNG接收站的控制系統(tǒng)為例來進行分析說明。陳等人在不增加外部設備同時也不改變現(xiàn)用再冷凝器結(jié)構的情況下，對控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化。再冷凝器通過的自身控制點來控制再冷凝器的壓力和液位。通過優(yōu)化后，由再冷凝器的壓力控制器的設定值來決定BOG壓縮機的出口壓力，用液化BOG的LNG的流量來維持再冷凝器的壓力。并且同時再冷凝器的壓力也由排氣閥和補氣閥共同調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)液位控制器來控制液位控制閥的開度來調(diào)整再冷凝器的液位[17,18]。

3 結(jié)束語

近年國內(nèi)經(jīng)濟迅猛發(fā)展，能源需求量越來越大，促進了液化天然氣項目的迅猛發(fā)展，隨之LNG接收站的建設也如雨后春筍一般。LNG接收站的重中之重是儲罐中產(chǎn)生BOG的處理。而目前的BOG處理工藝能耗都比較高，并且存在當外輸負荷波動時工藝操作困難的問題。因此科學合理的BOG處理工藝可節(jié)約投資、降低生產(chǎn)成本和工藝能耗、改善工藝操作彈性和提高能源利用率，對促進能源結(jié)構優(yōu)化和實現(xiàn)效益的最大化有深刻意義。

［1］王華北. 我國 LNG工業(yè)發(fā)展及應用研究[D]. 大慶:大慶石油學院碩士學位論文， 2009.

［2］李兆慈，王敏.LNG接收站BOG再冷凝工藝[J].化工進展，2011，30：521-524.

［3］張奕，吳斌.液化天然氣接收站的工藝流程[J].重慶科技學院學報，2012，14（1）：104-105，114.

［4］王紅，白改玲等.LNG接收站流程模擬計算[J].天然氣工業(yè)，2007，27(11):108-109.

［5］劉浩，金國強.LNG接收站BOG氣體處理工藝[J].化工設計，2006，16（1）：13-16.

［6］宮明，劉久剛.LNG接收站蒸發(fā)氣管輸控制方案研究[J].管道技術與設備，2012，5：20-22.

［7］GB50028-93城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范[S].2002..

［8］陳雪.LNG接收終端工藝對比及選擇[J].石油規(guī)劃設計，2008，19(2):44-48.

［9］崔婧，成永強.LNG接收站蒸發(fā)氣回收技術[J].油氣田地面工程，2012，31(12):16-17.

［10］陳行水.LNG接收站再冷凝工藝模型與動態(tài)優(yōu)化 [D]. 廣州:華南理工大學碩士學位論文，2012.

［11］Chaowei Liu, Jian Zhang. Thermodynamic–Analysis -Based Design and Operation for Boil-Off Gas Flare Minimization at LNG Receiving Terminals[J].Ind. Eng. Chem. Res., 2010, 49: 7412-7420.

［12］李亞軍，陳蒙.LNG接收站BOG多階壓縮再液化工藝優(yōu)化分析[J].化工學報，2013，64(3):986- 992.

［13］向麗君，全日.LNG接收站BOG氣體回收工藝改進與能耗分析[J].天然汽化工，2012，37:48-50.

［14］Madsen, Per Helges. A Plant for Recovering BOG from LNG Stored in Tanks: WO, 2011/062505A1[P]. 2011-5-26.

［15］楊志國，李亞軍.液化天然氣接收站蒸發(fā)氣體再冷凝工藝的優(yōu)化[J].化工學報，2009，60(11): 2876–2881.

［16］李兵，程香軍.LNG接收站BOG處理技術優(yōu)化[J].天然氣與石油，2012，30(5):27-30.

［17］李亞軍，陳行水.液化天然氣接收站蒸發(fā)氣體再冷凝工藝控制系統(tǒng)優(yōu)化[J].低溫工程，2011(3):44-49.

［18］李亞軍，陳行水.一種液化天然氣接收站蒸發(fā)氣體再冷凝回收系統(tǒng)及其回收方法:中國，201010210 850.6[P].2010-06-25.

Optimization of Boil-off Gas Treatment in LNG Receiving Terminal

XUE Qian, LIU Ming-rui
（Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001, China）

The treatment process of boil-off gas in LNG receiving terminal include BOG recondensation system and BOG direct compression processes. But these two kinds of treatment processes still have some shortcomings respectively. The problems of the current process are high energy consumption and operational difficulties at fluctuation of transmission load, recondensation instability and poor flexibility of control system in BOG recondensation. In this paper, the optimization of current BOG treatment processes of LNG receiving terminal was presented; existed problems of the processes in our country were pointed out, which could provide reliable basis for the future study.

LNG receiving terminal; Treatment processes of BOG; Optimization

TE 832

A

1671-0460（2014）12-2612-03

2014-10-25

薛倩（1987-），女，河北保定人，助理工程師，碩士學位，2012年畢業(yè)于大連理工大學化學工程專業(yè)，研究方向：從事LNG液化方面。E-mail：xueqian.fshy@sinopec.com，電話：02456389300。