周宇罕 楊偉紅 蔡主斌 趙治周 崔偉永 徐擘達(dá)

中海浙江寧波液化天然氣有限公司, 浙江 寧波 315800

0 前言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas,簡(jiǎn)稱LNG)是將常壓下氣態(tài)的天然氣冷卻至-162℃,使之凝結(jié)成液體。天然氣液化后體積縮小到氣態(tài)時(shí)的1/600,可大大節(jié)約儲(chǔ)運(yùn)空間和成本,為天然氣高效運(yùn)輸提供了有效途徑,也擴(kuò)大了天然氣的應(yīng)用領(lǐng)域[1]。

LNG接收站的主要功能是接卸、儲(chǔ)存和氣化LNG,并通過(guò)管網(wǎng)向下游用戶供氣[2-3]。部分LNG接收站還設(shè)有LNG槽車(chē)裝車(chē)站,向用戶直接提供LNG。由于LNG自身的低溫特性,LNG接收站在接卸、儲(chǔ)存和氣化過(guò)程中產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣(BOG)。為了維持儲(chǔ)罐壓力的穩(wěn)定,保證接收站安全運(yùn)行,必須處理掉過(guò)量的BOG[4-6]。BOG處理工藝主要以BOG直接壓縮外輸和再冷凝工藝為主,科學(xué)合理優(yōu)化不同BOG處理工藝,不但可以提高設(shè)備壽命,還可有效降低生產(chǎn)成本[7-9]。本文從LNG接收站的實(shí)際情況出發(fā),以浙江LNG接收站為例,通過(guò)控制儲(chǔ)罐壓力,降低BOG壓縮機(jī)負(fù)荷和間歇啟停BOG壓縮機(jī),從而降低壓縮機(jī)的能耗,為其他LNG接收站的運(yùn)營(yíng)提供參考。

1 LNG接收站BOG系統(tǒng)分析

1.1 LNG接收站BOG系統(tǒng)流程

儲(chǔ)罐內(nèi)安裝的低壓泵將LNG加壓輸送至下游管道[10],其中一部分用于充裝LNG槽車(chē)實(shí)現(xiàn)液態(tài)外輸,另一部分通過(guò)高壓泵、氣化器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)氣化外輸[11-12]。BOG低壓壓縮機(jī)將儲(chǔ)罐內(nèi)的BOG抽出,經(jīng)過(guò)升壓后送入再冷凝器進(jìn)行冷凝回收或BOG高壓壓縮機(jī)直接外輸,流程見(jiàn)圖1[13-14]。BOG高壓壓縮機(jī)僅用于LNG接收站運(yùn)行初期,這一時(shí)期LNG外輸量小,沒(méi)有足夠的LNG把產(chǎn)生的BOG冷凝下來(lái),因此本文所有優(yōu)化均是在BOG高壓壓縮機(jī)未運(yùn)行時(shí)進(jìn)行。

圖1 LNG接收站BOG系統(tǒng)流程

1.2 LNG接收站BOG來(lái)源

LNG接收站在非卸船時(shí),BOG產(chǎn)生的原因主要有[15-16]：

1)LNG在超低溫下,儲(chǔ)罐漏熱,引起LNG自然蒸發(fā)產(chǎn)生BOG。

2)LNG低壓泵和高壓泵在正常工作時(shí),部分電能轉(zhuǎn)化為熱量,引起LNG蒸發(fā)[17]產(chǎn)生BOG。

3)保冷循環(huán)中,各類設(shè)備、工藝管道漏熱,引起LNG蒸發(fā)產(chǎn)生BOG。

4)在大氣壓變化明顯,特別是臺(tái)風(fēng)天氣時(shí),LNG蒸發(fā)量顯著增加[5,18-19]產(chǎn)生BOG。

LNG接收站在卸船之前,須對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行降壓操作,會(huì)引起部分LNG氣化,在卸船過(guò)程中,BOG產(chǎn)生的原因主要有：

1)來(lái)自LNG船方的BOG。

2)船方LNG儲(chǔ)罐漏熱,引起LNG自然蒸發(fā)產(chǎn)生BOG。

3)船方卸料泵運(yùn)行時(shí),熱量進(jìn)入LNG,引起LNG蒸發(fā)產(chǎn)生BOG。

4)LNG在卸料管道中流動(dòng),與管道之間的摩擦及產(chǎn)生的渦流將部分靜壓能轉(zhuǎn)化為熱量,導(dǎo)致大量LNG蒸發(fā)產(chǎn)生BOG。

2 BOG壓縮機(jī)及儲(chǔ)罐工藝參數(shù)

LNG接收站儲(chǔ)罐壓力的穩(wěn)定主要由BOG低壓壓縮機(jī)維持,以浙江LNG接收站的儲(chǔ)罐和BOG低壓壓縮機(jī)為例,介紹其工藝參數(shù)。

2.1 儲(chǔ)罐工藝參數(shù)

浙江LNG接收站現(xiàn)有3個(gè)儲(chǔ)罐,儲(chǔ)罐容積為160 000 m3,其工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1儲(chǔ)罐工藝參數(shù)

工藝參數(shù)數(shù)值設(shè)計(jì)壓力/kPa-1～29正常操作壓力/kPa10～24操作溫度/℃約-160最高液位/mm35295

2.2 BOG壓縮機(jī)工藝參數(shù)

浙江LNG接收站現(xiàn)有4臺(tái)BOG壓縮機(jī),其中3臺(tái)低壓壓縮機(jī),1臺(tái)高壓壓縮機(jī),BOG低壓壓縮機(jī)工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2BOG低壓壓縮機(jī)工藝參數(shù)

工藝參數(shù)數(shù)值入口溫度/℃-140～-110入口壓力/MPa0.125出口壓力/MPa1.0處理能力/(m3·h-1·臺(tái)-1)5769功率/kW880

2.3 儲(chǔ)罐壓力控制方式

表3LNG儲(chǔ)罐壓力與壓縮機(jī)負(fù)荷等級(jí)對(duì)照

LNG儲(chǔ)罐壓力等級(jí)/kPa壓縮機(jī)負(fù)荷等級(jí)/(%)1225145016751810020100+2521100+5022100+7523100+100

在兩次卸船操作之間,儲(chǔ)罐應(yīng)按低壓條件操作,可以在壓力控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)提供安全“緩沖能力”。卸船時(shí),儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力波動(dòng)較大,可適當(dāng)增加儲(chǔ)罐壓力,保證足夠的BOG返回LNG運(yùn)輸船并減少因LNG卸載引起的氣體閃蒸。

3 優(yōu)化前LNG接收站BOG壓縮機(jī)能耗

在保證接收站正常外輸情況下,嚴(yán)格按照表3操作,對(duì)接收站2014年7月～2015年6月BOG壓縮機(jī)的能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見(jiàn)表4。

表42014年7月～2015年6月BOG壓縮機(jī)能耗統(tǒng)計(jì)

時(shí)間能耗/kWh外輸量/tLNG2014年7月6998391206752014年8月777092136246.72014年9月6806291242322014年10月624264101050.72014年11月748272166081.382014年12月634440229307.92015年1月693827103217.92015年2月60913039189.82015年3月60011176720.62015年4月694158106800.82015年5月716878116779.82015年6月747996116968合計(jì)82266361437270.6

從表4可以計(jì)算出2014年7月～2015年6月期間,BOG壓縮機(jī)的平均能耗為每月68.6×104kWh,外輸單位LNG的BOG壓縮機(jī)能耗為5.72 kWh。

當(dāng)LNG儲(chǔ)罐壓力較高時(shí),儲(chǔ)罐內(nèi)產(chǎn)生的BOG量相對(duì)較少,BOG壓縮機(jī)運(yùn)行能耗較低,所以LNG儲(chǔ)罐壓力應(yīng)盡量控制在高位。浙江LNG接收站儲(chǔ)罐控制壓力目標(biāo)為19 kPa。BOG總量為6.2 t/h,即使1臺(tái)BOG壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行,也不能維持儲(chǔ)罐壓力穩(wěn)定,根據(jù)表3中LNG儲(chǔ)罐壓力與壓縮機(jī)負(fù)荷等級(jí)對(duì)照,需要開(kāi)啟2臺(tái)壓縮機(jī)外輸,勢(shì)必造成BOG壓縮機(jī)運(yùn)行能耗增加。

4 LNG接收站BOG系統(tǒng)運(yùn)行模式優(yōu)化

4.1 優(yōu)化BOG壓縮機(jī)運(yùn)行控制模式

日期運(yùn)行時(shí)間/h節(jié)省能耗/kWh日期運(yùn)行時(shí)間/h節(jié)省能耗/kWh2015年8月15日11.817392015年12月17日2334042015年9月9日12.518502015年12月18日2435522015年10月2日14.321162015年12月19日2435522015年11月26日1217762015年12月20日2435522015年11月27日2435522015年12月21日913322015年11月28日2435522015年12月27日1217762015年11月29日2435522015年12月28日2435522015年11月30日2435522015年12月29日2435522015年12月3日1217762015年12月30日2435522015年12月6日1217762015年12月31日1217762015年12月7日4592

圖2 2015年8～12月BOG壓縮機(jī)75 負(fù)荷 節(jié)省能耗與外輸量統(tǒng)計(jì)圖

4.2 間歇啟停BOG壓縮機(jī)

在保證接收站應(yīng)急設(shè)備、設(shè)施全部正常的狀態(tài)下,在非卸船期間,將LNG儲(chǔ)罐的壓力維持在14～19 kPa,即在LNG儲(chǔ)罐壓力低于14 kPa時(shí),關(guān)停BOG壓縮機(jī),當(dāng)儲(chǔ)罐壓力超過(guò)19 kPa時(shí),才啟動(dòng)BOG壓縮機(jī)。該措施一方面縮短了BOG壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間,降低了能耗,另一方面可以使BOG均勻蒸發(fā),從而提高BOG量的穩(wěn)定性。2015年11～12月期間BOG壓縮機(jī)的關(guān)停時(shí)間及節(jié)能情況見(jiàn)表6。

表62015年11～12月期間BOG壓縮機(jī)的關(guān)停時(shí)間及節(jié)能情況

日期關(guān)停時(shí)間/h節(jié)省能耗/kWh2015年11月14日6.853522015年11月25日647222015年11月29日4.233052015年12月11日5.543292015年12月19日4.535422015年12月23日5.94643合計(jì)32.925892

由于冬季環(huán)境溫度較低,LNG儲(chǔ)罐壓力較為穩(wěn)定,BOG產(chǎn)生量相對(duì)較少,因此,間歇啟停BOG壓縮機(jī)節(jié)能效果較為明顯。

4.3 優(yōu)化效果

通過(guò)BOG系統(tǒng)運(yùn)行模式優(yōu)化,浙江LNG接收站BOG低壓壓縮機(jī)每月節(jié)省能耗約3.8×104kWh,若接收站生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)情況基本保持不變,則一年可節(jié)省能耗約45.6×104kWh。按照0.878元/kWh電費(fèi)計(jì)算,全年可累計(jì)節(jié)約40余萬(wàn)元。

表72015年8～12月BOG壓縮機(jī)能耗統(tǒng)計(jì)

時(shí)間不同壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間/h壓縮機(jī)A壓縮機(jī)B壓縮機(jī)C節(jié)省能耗/kWh能耗/kWh外輸量/tLNG2015年8月459.1388.541.7173969810188024.372015年9月244.5441.4244.91850730650110741.32015年10月373.5230.7199.92116630695146075.42015年11月440.1178.8198.129363613561246480.22015年12月147414216.346257565478253095.9合計(jì)1664.21653.4900.9813253238485844417.17

同時(shí),BOG壓縮機(jī)不再長(zhǎng)期處于滿負(fù)荷運(yùn)行,BOG量的穩(wěn)定性提高,也有利于后續(xù)操作工藝的開(kāi)展：用于冷凝BOG的LNG量趨于穩(wěn)定,再冷凝器的液位和壓力波動(dòng)減小,操控更加容易；接收站其他設(shè)備乃至整個(gè)接收站運(yùn)行更加平穩(wěn),故障率降低。

5 結(jié)論

LNG接收站儲(chǔ)罐壓力通過(guò)調(diào)整BOG壓縮機(jī)的工作負(fù)荷來(lái)控制。當(dāng)LNG儲(chǔ)罐壓力較高時(shí),儲(chǔ)罐內(nèi)產(chǎn)生的BOG量相對(duì)較少,BOG壓縮機(jī)運(yùn)行能耗也會(huì)降低。

通過(guò)優(yōu)化BOG壓縮機(jī)的運(yùn)行控制模式和間歇啟停BOG壓縮機(jī)等措施,維持LNG儲(chǔ)罐壓力并提高BOG量的穩(wěn)定性,既確保了BOG輸出氣量和后續(xù)裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性,也降低了接收站運(yùn)行能耗。浙江LNG接收站通過(guò)該運(yùn)行模式有效解決了BOG壓縮機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行帶來(lái)的能耗過(guò)高的問(wèn)題。由此可見(jiàn),該方法在技術(shù)上可行,經(jīng)濟(jì)上可靠,可為其他LNG接收站的運(yùn)營(yíng)提供參考。

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