王保慶（中石化天津液化天然氣有限責(zé)任公司，天津300457）

0 引言

天津LNG 接收站一期工程已于2018 年2 月投產(chǎn)，二期擴(kuò)建工程建設(shè)工作已全面啟動(dòng)，計(jì)劃2024年建成達(dá)產(chǎn)。擴(kuò)建工程建設(shè)完成后，LNG 接收站整個(gè)站場規(guī)模達(dá)1080x104t/a，供氣能力達(dá)126×108m3/a,汽車裝車能力達(dá)180x104t/a。LNG 在接卸、儲(chǔ)存、生產(chǎn)及運(yùn)輸過程中，因環(huán)境熱量的流入、裝卸船過程中的體積置換、閃蒸以及大氣壓力的變化等因素，導(dǎo)致相當(dāng)部分的液化天然氣氣化[1]。這部分蒸發(fā)氣(BOG)會(huì)引起LNG儲(chǔ)罐、工藝設(shè)備和工藝管網(wǎng)壓力升高，進(jìn)而引發(fā)事故，需要及時(shí)引出處理。本文結(jié)合天津LNG 接收站工藝實(shí)際，介紹項(xiàng)目BOG 產(chǎn)生的機(jī)理回收常用的直接壓縮工藝、再冷凝工藝為基礎(chǔ)進(jìn)行對比，并結(jié)合工藝技術(shù)的發(fā)展相撞，選擇合理的工藝技術(shù)方案。

1 BOG產(chǎn)生量計(jì)算

LNG在生產(chǎn)及運(yùn)輸過程中環(huán)境熱量的流入、裝卸船過程中的體積置換、閃蒸以及大氣壓力的變化等因素，導(dǎo)致相當(dāng)部分的液化天然氣氣化。生產(chǎn)過程中BOG主要來熱量的流入，裝卸船過程中的體積置換和閃蒸，溫差和壓差的變化[2]。

1.1 單臺(tái)LNG儲(chǔ)罐BOG量

1）熱量吸收產(chǎn)生的BOG量：

外部環(huán)境向LNG儲(chǔ)罐內(nèi)不斷傳遞熱量，儲(chǔ)罐內(nèi)LNG吸收熱量后氣化。通常為了安全，選擇一年中溫度最高的夏季一晝夜的平均吸熱量作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，采用公式(1)計(jì)算BOG量：

qm,1=F/r（1）

式中：qm,1--從環(huán)境正常吸熱產(chǎn)生的BOG量，kg/h

F--LNG高液位(滿液位的80%)下，最熱晝夜從環(huán)境的正常平均吸熱量，kJ/h

r--LNG的氣化潛熱，kJ/kg

2)大氣壓力下降產(chǎn)生的BOG量：

LNG 儲(chǔ)罐一般都裝有自動(dòng)泄壓裝置。通過壓力表測量儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力，將數(shù)據(jù)反饋給控制單元，當(dāng)壓力超過一定值時(shí)自動(dòng)泄壓以維持儲(chǔ)罐的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。由于大氣壓力下降而引起的這部分BOG量可用以下公式(2)進(jìn)行估算：

式中:qm,2--由于大氣壓力下降產(chǎn)生的BOG量，kg/h

qm,G--氣壓下降直接排空的BOG量，kg/h

qm,L--LNG液面過熱產(chǎn)生的BOG量，kg/h

VT--儲(chǔ)罐的氣相空間體積，m3

ρNG--泄放時(shí)天然氣的密度，kg/m3

qm,L--外界大氣壓變化時(shí)段內(nèi)的大氣壓最低壓力，Pa

△Pmax--外界大氣壓變化時(shí)段內(nèi)大氣壓的最大變化率，Pa/h

qm,X--低液位(滿液位的20%)下從環(huán)境吸熱產(chǎn)生的BOG量，kg/h

P1--外界大氣壓變化時(shí)段內(nèi)1h內(nèi)的大氣壓最大變化量，Pa

P2--滿液位下對應(yīng)的氣液界面壓力，Pa

AL--氣液界面面積，m2

3）單臺(tái)機(jī)泵散發(fā)熱量產(chǎn)生的BOG量：

LNG泵在工作過程中會(huì)消耗電能，其中一部分電能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能被LNG吸收，由此產(chǎn)生的BOG量按計(jì)算公式(3)計(jì)算：

式中:qm,3——吸收LNG泵電能轉(zhuǎn)化的熱量產(chǎn)生的BOG量，kg/h

L——散熱系數(shù)

P——LNG泵的額定功率，kW

4)卸料過程的容積置換產(chǎn)生的BOG量：

體積置換指的是隨著LNG 來液的增加，儲(chǔ)罐中的空間被LNG 所填充，使得氣相空間縮小，為維持儲(chǔ)罐的微正壓，部分BOG被擠出儲(chǔ)罐。依據(jù)其定義，體積置換產(chǎn)生的BOG量可用公式(4)進(jìn)行計(jì)算：

式中:qm,4——吸收LNG泵電能轉(zhuǎn)化的熱量產(chǎn)生的BOG量，kg/h

vF——LNG充裝速率，m3/h

5）LNG儲(chǔ)罐BOG產(chǎn)生總量

qm,5i=qm,1+qm,2+qm,3×nP+ qm,4

式中:qm,5--LNG儲(chǔ)罐區(qū)產(chǎn)生的BOG量，kg/h

qm,5i—第i臺(tái)儲(chǔ)罐產(chǎn)生的BOG量，kg/h

nP--單臺(tái)儲(chǔ)罐館內(nèi)泵的運(yùn)行數(shù)量，臺(tái)

1.2 槽車裝運(yùn)產(chǎn)生的BOG量

LNG槽車裝運(yùn)過程中，由于槽車罐槽吸熱、罐容置換、壓力變化引起B(yǎng)OG的產(chǎn)生，并通過裝車返回臂輸送至儲(chǔ)罐。

式中:qm,6--LNG槽車充裝站產(chǎn)生的BOG量，kg/h

qc--單臺(tái)槽車產(chǎn)生的BOG量，kg/h

nc--槽車充裝作業(yè)臺(tái)數(shù)，臺(tái)

1.3 LNG船舶卸船作業(yè)產(chǎn)生的BOG量

LNG槽車裝運(yùn)過程中，由于槽車罐槽吸熱、罐容置換、壓力變化引起B(yǎng)OG的產(chǎn)生，并通過裝車返回臂輸送至儲(chǔ)罐。

式中:qm,7—卸船作業(yè)產(chǎn)生的BOG量，kg/h

qi—指i艘LNG船舶產(chǎn)生的BOG量，kg/h

1.4 天津LNG項(xiàng)目BOG總量計(jì)算結(jié)果

LNG接收站BOG回收系統(tǒng)的工藝配置過程中，系統(tǒng)最大負(fù)荷通常按各單元最高運(yùn)行負(fù)荷計(jì)算，同時(shí)兼顧BOG 壓縮機(jī)和BOG運(yùn)行負(fù)荷限制。表1 是不同工況下BOG總量計(jì)算值。

表1 不同工況下BOG總量計(jì)算表

2 天津LNG接收站BOG回收工藝系統(tǒng)

2.1 國內(nèi)外工藝技術(shù)現(xiàn)狀

從國內(nèi)外已建LNG接收站現(xiàn)狀，BOG處理方式主要有再冷凝、直接壓縮、返補(bǔ)真空、代替氮?dú)獬涮罡魺釋印⑷紵榷喾N形式[3]。當(dāng)外輸量小無法提供足夠的冷能冷凝BOG時(shí)或接收站臨近區(qū)域有低壓天然氣用戶或城市低壓管網(wǎng)時(shí)，BOG增壓外輸較再冷凝更具節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢；再冷凝工藝根據(jù)冷源供給有形成再冷凝增壓外輸、蓄冷式再冷凝和外加冷源再冷凝等不同形式。表2 是不同BOG回收工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1 BOG再冷凝工藝流程圖

表2 不同BOG回收工藝的優(yōu)缺點(diǎn)

2.2 天津LNG接收站BOG系統(tǒng)工藝流程

根據(jù)天津LNG項(xiàng)目下游用戶用氣需求實(shí)際，全年外輸氣化負(fù)荷穩(wěn)定，季節(jié)、月、日峰谷差小，所以本項(xiàng)目采用再冷凝增壓工藝方案。來自BOG 總管的低壓、低溫天然氣經(jīng)BOG 壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入混合器，與部分低溫LNG混合，冷凝成低溫液體，經(jīng)不凝汽分離罐分離出不凝汽，液體自分凝器底部進(jìn)入高壓泵入口總管增壓氣化外輸，工藝流程見圖1。

2.3 主要設(shè)備

BOG 主要是由于外界能量的輸入產(chǎn)生的，如罐內(nèi)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，外界熱量傳入，大氣壓變化、及卸船時(shí)LNG 送入儲(chǔ)罐時(shí)造成罐內(nèi)LNG 體積的變化。為操作靈活，一期工程設(shè)置2 臺(tái)流量為9.9t/h（考慮10%的裕量）的BOG 壓縮機(jī)；擴(kuò)建工程（二期）增加1 臺(tái)處理量為16.1 t/h 的BOG 壓縮機(jī)，滿足裝置BOG 最高負(fù)荷需求。當(dāng)一臺(tái)壓縮機(jī)維修時(shí)，另兩臺(tái)壓縮機(jī)仍可維持無卸船或1座碼頭卸船期間的正常操作,因此不再配置備用壓縮機(jī)。

由于再冷凝設(shè)施核心涉筆采用了項(xiàng)目新開發(fā)的靜態(tài)混合器，全年的維修時(shí)段較少，不考慮備用。一期工程已設(shè)置1套處理能力為17.6t/h 的BOG 靜態(tài)混合再冷凝設(shè)施。二期工程增設(shè)1 套17.6t/h 靜態(tài)混合再冷凝設(shè)施，共2 臺(tái)。表3 是BOG 壓縮機(jī)配置及負(fù)荷分配情況。

表3 BOG壓縮機(jī)配置及負(fù)荷分配表

3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

資料顯示國內(nèi)外已建LNG 接收站的BOG 再冷凝器主要是填料塔式再冷凝器，BOG 與過冷的LNG 順流或逆流接觸，在填料層內(nèi)被冷凝變?yōu)橐后w；填料一般為散堆填料或規(guī)整填料，設(shè)備體積大。本項(xiàng)目采用靜態(tài)混合再冷凝器來再冷凝BOG，BOG進(jìn)入靜態(tài)混合器微孔管內(nèi)，通過微孔分布產(chǎn)生微氣泡與部分低溫LNG 充分回合，迅速降溫冷凝；靜態(tài)混合器包括氣體分布段和混合段，氣體分布段采用316L不銹鋼粉末燒結(jié)微孔管束，混合段采用技術(shù)成熟SK 型靜態(tài)混合器；靜態(tài)混合器是一種沒有運(yùn)動(dòng)部件的高效混合設(shè)備，靜態(tài)混合器工作原理是利用固定在管內(nèi)的混合單元改變流體在管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，達(dá)到BOG和過冷LNG 直接混合充分接觸冷凝的目的。表4 靜態(tài)混合器和塔式再冷凝器優(yōu)缺點(diǎn)。

表4 靜態(tài)混合器和塔式再冷凝器優(yōu)缺點(diǎn)

4 運(yùn)行情況

項(xiàng)目一期工程于2018 年3 月BOG 靜態(tài)混合再冷凝器開始預(yù)冷、進(jìn)料、調(diào)試和運(yùn)行，BOG再冷凝器設(shè)備運(yùn)行正常，未出現(xiàn)因卸船作業(yè)、氣化負(fù)荷等生產(chǎn)條件變化引起B(yǎng)OG壓縮機(jī)負(fù)荷調(diào)整，再冷凝系統(tǒng)壓力、液位快速大幅度波動(dòng)并引發(fā)事故停機(jī)情況，BOG 得到全部回收[6]。表5 是BOG 再冷凝系統(tǒng)部分運(yùn)行典型記錄。

表5 BOG再冷凝系統(tǒng)部分運(yùn)行典型記錄表

表5第1至2項(xiàng)高負(fù)荷（卸船作業(yè)）和及3～6正常生產(chǎn)低負(fù)荷（非卸船作業(yè)）數(shù)據(jù)顯示，BOG和高壓LNG的流量和壓力較穩(wěn)定，BOG再冷凝器的液氣質(zhì)量比穩(wěn)定，處理能力和設(shè)計(jì)值相當(dāng)。

5 結(jié)語

通過項(xiàng)目一期工程實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)證明，中國石化天津LNG接收站BOG回收工藝系統(tǒng)技術(shù)方案基本滿足了生產(chǎn)實(shí)際需要，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；靜態(tài)混合再冷凝器開發(fā)和應(yīng)用克服了塔式再冷凝器負(fù)荷順勢變化引起運(yùn)行工況急劇變化，導(dǎo)致系統(tǒng)連鎖停車等固有缺陷。靜態(tài)混合器作為LNG 接收站BOG 再冷凝核心設(shè)備的開發(fā)和工程應(yīng)用在國內(nèi)尚屬首次，工程實(shí)際運(yùn)行時(shí)間短、復(fù)雜負(fù)載工況的出現(xiàn)記錄少，其可能存在的缺陷還需要長時(shí)間生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)。考慮目前靜態(tài)混合再冷凝器在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中表現(xiàn)出的較優(yōu)越性能，在國內(nèi)擬建、新建和改擴(kuò)建LNG接收站項(xiàng)目中具有較好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。