李世鵬

（廣東珠海金灣液化天然氣有限公司，廣東珠海 519000）

1 概述

近年來人們對(duì)LNG 綠色能源認(rèn)識(shí)的提高，LNG 項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和建設(shè)在國(guó)內(nèi)快速發(fā)展，中國(guó)沿海LNG 接收站建設(shè)進(jìn)入高峰期，目前現(xiàn)有規(guī)模為6 910萬t/a，約921億m3/a。另有十幾座大型LNG 儲(chǔ)罐每座160 000m3即將投用或正在建設(shè)當(dāng)中。本文從LNG接收站實(shí)際情況出發(fā)，通過對(duì)LNG儲(chǔ)罐探索不同液位條件下儲(chǔ)罐最佳運(yùn)行壓力，本文運(yùn)用HYSYS模擬軟件進(jìn)行理論計(jì)算，從工藝和能耗兩方面對(duì)比不同類型的LNG接收站。

2 LNG接收站工藝流程

LNG接收站均由七大部分組成，即LNG卸料碼頭系統(tǒng)、LNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)存系統(tǒng)、LNG罐內(nèi)低壓外輸系統(tǒng)、高壓外輸系統(tǒng)、LNG海水系統(tǒng)、蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)（BOG處理系統(tǒng)）、公用工程系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)與基礎(chǔ)設(shè)施等組成。其中蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)（BOG處理系統(tǒng)）是LNG接收站核心的部分，是LNG接收站安全運(yùn)行的基本。

LNG接收站對(duì)儲(chǔ)罐BOG（蒸發(fā)氣）的處理方式不同，工藝流程有加壓外輸和再冷凝兩種。加壓外輸是將BOG（蒸發(fā)氣）壓縮至高壓（通常為8.1MPa（G））后直接輸送至管網(wǎng)；BOG再冷凝是將BOG（蒸發(fā)氣）壓縮到較低的壓力（通常為0.7MPa（G））與LNG儲(chǔ)罐低壓泵抽出的LNG在再冷凝器中混合。由于LNG進(jìn)入在冷凝器后處于過冷狀態(tài)，使得BOG（蒸發(fā)氣）吸收冷量再冷凝成液體，冷凝后的LNG通過LNG高壓泵加壓后外輸至管網(wǎng)，如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

3 LNG接收站儲(chǔ)罐BOG產(chǎn)生的情況

LNG接收站的BOG產(chǎn)生原因很多，主要包括LNG儲(chǔ)罐吸熱、船舶接卸、管道吸熱、大氣壓變化、儲(chǔ)罐低壓泵自循環(huán)等，接收站BOG產(chǎn)生量計(jì)算多采用經(jīng)驗(yàn)公式。以某接收站數(shù)據(jù)為例，計(jì)算接收站主要原因產(chǎn)生BOG量，如表1所示。

表1 接收站設(shè)備和運(yùn)行參數(shù)

3.1 儲(chǔ)罐吸熱產(chǎn)生的BOG量

儲(chǔ)罐自然吸熱產(chǎn)生的BOG，由于低溫LNG儲(chǔ)罐受外界熱能量的入侵，使得低溫LNG吸熱在儲(chǔ)罐內(nèi)產(chǎn)生BOG。該產(chǎn)生量因LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣溫的變化、儲(chǔ)罐內(nèi)氣液兩相流體的熱對(duì)流等因素計(jì)算復(fù)雜，在實(shí)際中大多利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，公式如下：

3.2 管道保冷吸熱產(chǎn)生的BOG量

如表2所示，液化天然氣（LNG）由于低溫（-162℃）特性，突然進(jìn)入常溫管道設(shè)備（大約30℃），會(huì)引起管道設(shè)備急劇收縮，從而造成管道設(shè)備彎曲變形，甚至損壞。為了使管道設(shè)備降溫到安全使用，須降溫到-130℃左右，使得管道長(zhǎng)期處于保冷狀態(tài)。通過低壓輸出總管內(nèi)的LNG流向碼頭、槽車、零輸出循環(huán)管線，保冷過程中管道吸熱產(chǎn)生的BOG將返回到儲(chǔ)罐內(nèi)，導(dǎo)致BOG量增多。管道保冷吸熱產(chǎn)生的BOG計(jì)算公式如下：

表2 接收站管道尺寸統(tǒng)計(jì)

3.3 儲(chǔ)罐低壓泵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的BOG量

低壓泵浸沒在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)，其中無用功部分將產(chǎn)生BOG量。每個(gè)儲(chǔ)罐有三臺(tái)低壓泵，日常啟動(dòng)運(yùn)行兩臺(tái)基本滿足外輸需求。低壓泵外輸功耗產(chǎn)生的BOG量計(jì)算公式如下：

3.4 體積置換產(chǎn)生的BOG量

LNG儲(chǔ)罐在進(jìn)行外輸時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)的BOG空間發(fā)生的變化，由此產(chǎn)生的體積置換BOG量計(jì)算公式如下：

LNG接收站BOG量的統(tǒng)計(jì)分析：

接收站BOG產(chǎn)生總質(zhì)量為M，計(jì)算公式如下：

根據(jù)公式計(jì)算可得每個(gè)因素產(chǎn)生BOG量及BOG總量，其中各因素產(chǎn)生BOG量所占比重如圖2所示。

圖2 每個(gè)因素產(chǎn)生BOG量所占比重

儲(chǔ)罐在理想靜置情況下，BOG產(chǎn)生因素有儲(chǔ)罐吸熱和管道保冷吸熱，BOG產(chǎn)生量大約5.654t/h。低壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)外輸時(shí)，BOG的產(chǎn)生因素有體積置換和低壓泵運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)因外輸產(chǎn)生的BOG量為1.267t/h。由各因素產(chǎn)生BOG的比重圖可以看出，儲(chǔ)罐吸熱產(chǎn)生的BOG量占68%，通過控制儲(chǔ)罐壓力減少BOG量產(chǎn)生為之重要。

4 模型探討儲(chǔ)罐吸熱不同液位產(chǎn)生BOG量

以某LNG接收站的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)為根本建立模型。該LNG接收站項(xiàng)目于項(xiàng)目于2010年3月經(jīng)國(guó)家發(fā)改委核準(zhǔn)，2010年10月開工建設(shè)，2013年投入商業(yè)運(yùn)行。項(xiàng)目一期工程建設(shè)規(guī)模為350萬t/a，其中氣化量307萬t/a，槽車運(yùn)輸量30萬t/a。接收站設(shè)3座16萬方全容儲(chǔ)罐，其工藝參數(shù)，如表3所示。

表3 LNG儲(chǔ)罐參數(shù)

LNG儲(chǔ)罐靜態(tài)蒸發(fā)率一般為0.05%。以LNG組分密度438.7為例，在儲(chǔ)罐不同容積工況下計(jì)算儲(chǔ)罐在靜態(tài)條件下的BOG產(chǎn)量，單個(gè)16×104m3儲(chǔ)罐，每小時(shí)BOG產(chǎn)生量為儲(chǔ)罐罐容×蒸發(fā)率 24，純甲烷膨脹系數(shù)比1∶625，理想氣體狀態(tài)方程其方程為pV=nRT。

LNG儲(chǔ)罐的正常操作壓力從表3得知是13~24kPaG，有很大的操作空間，所以選取合適的操作壓力來減少BOG的產(chǎn)生量，在飽和情況下LNG吸熱能量后會(huì)發(fā)生兩種變化，一壓力保持不變，一部分液體吸收熱量蒸發(fā)成氣體，容器足夠容納，二液態(tài)保持不變，液體的溫度升高，隨之壓力升高。

根據(jù)甲烷飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)得知液體在壓力11.915kPaG對(duì)應(yīng)溫度-160.15℃和壓力21.285kPaG對(duì)應(yīng)溫度-159.15℃，從11.915kPaG壓力上升至21.285kPaG相應(yīng)下甲烷的溫度會(huì)上升1℃。溫度上升是一個(gè)吸熱的過程將會(huì)釋放更多的氣體。保證液體在一定的溫度下控制的壓力變化。選取LNG儲(chǔ)罐正常操作值13~24kPaG和根據(jù)甲烷飽和蒸汽壓的范圍值，調(diào)整到13~21.285kPaG統(tǒng)計(jì)每個(gè)壓力下溫度的變化，壓力在16.51~19.73kPaG下溫度變化最小，但是密度的不同相應(yīng)溫度也不一樣，因此密度的影響不能直接作為依據(jù)可以作為參考，如表4所示。

表4 16×104 m3儲(chǔ)罐日蒸發(fā)量

5 LNG接收站BOG處理工藝優(yōu)化措施及節(jié)能效果分析

正常操作時(shí)，LNG 儲(chǔ)罐壓力控制通過BOG 壓縮機(jī)的負(fù)荷控制。BOG 壓縮機(jī)負(fù)荷分別有 0%、25%、50%、75%、100%五種負(fù)荷，其中75%和100%負(fù)荷能更好運(yùn)行使得HE與CE閥板受壓均勻。平時(shí)BOG壓縮機(jī)保持100%負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行模式為低壓壓縮機(jī)+再冷凝器+高壓泵BOG處理工藝方式，利用16萬m3儲(chǔ)罐作為緩沖空間，在儲(chǔ)罐飽和蒸氣壓范圍內(nèi)進(jìn)行研究，從而減少儲(chǔ)罐BOG的產(chǎn)生，同時(shí)接收站儲(chǔ)罐BOG產(chǎn)生量大概7t/h，而單臺(tái)BOG壓縮機(jī)滿負(fù)荷生產(chǎn)能力9.334t/h完全滿足，如表5所示。

表5 1BOG壓縮機(jī)參數(shù)數(shù)

同時(shí)依據(jù)甲烷物性數(shù)據(jù)圖，不同壓力下的飽和蒸汽壓曲線圖可以看到壓力在15kPag到20kPag時(shí)溫度變化是最小，因此在此區(qū)間趨于穩(wěn)定不會(huì)有垂直上升，而是緩慢上升，如圖3所示。

圖3 1BOG壓縮機(jī)負(fù)荷模式圖

當(dāng)BOG壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，雖然有保溫層管道內(nèi)BOG氣體也會(huì)因無法流動(dòng)導(dǎo)致吸熱升溫，但是無論保溫層做到多好，都無法避免熱量從外部傳入管道內(nèi)，導(dǎo)致管道內(nèi)BOG管道溫度升高，從圖4與表6能看出環(huán)境溫度越高，管道吸熱量越大，為保證BOG管道處于冷態(tài)，所以環(huán)境溫度越高BOG壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)間越短，在冬季環(huán)境溫度更低，儲(chǔ)罐壓力更穩(wěn)定，由于吸熱量的相對(duì)減少，啟停壓縮機(jī)時(shí)間長(zhǎng)節(jié)能省電效果更為明顯。

圖4 2BOG壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)漲趨勢(shì)圖

表6 不同環(huán)境溫度升溫

如圖4與表6得知，BOG壓縮機(jī)停機(jī)超過8h以上能耗降低50%，由可以看出BOG壓縮機(jī)須停止8h以上才能達(dá)到降本增效的效果，或者是將BOG壓縮機(jī)75%負(fù)荷運(yùn)行，也能達(dá)到相同效果。所以在實(shí)施方案中，可利用階梯電價(jià)，早晨九點(diǎn)到晚上九點(diǎn)，這段時(shí)間是用電高峰，利用這段時(shí)間停止BOG壓縮機(jī)，同時(shí)晚上九點(diǎn)后再啟動(dòng)BOG壓縮機(jī)，既能保證管道處于冷態(tài)，從而達(dá)到降本增效。卸船后，因剛卸完料完成，儲(chǔ)罐需要一到兩天的時(shí)間進(jìn)行混合，隨著儲(chǔ)罐混合產(chǎn)生更多的BOG，因此需要一到兩天之后混合均勻，方可進(jìn)行操作，如表7所示。

表7 壓縮機(jī)不同模式能耗表

6 結(jié)束語(yǔ)

LNG儲(chǔ)罐操作壓力控制在15kPag到20kPag能穩(wěn)定BOG量，當(dāng)壓力低于15kPag時(shí)停止BOG壓縮機(jī)同時(shí)利用儲(chǔ)罐緩沖空間使得壓力緩慢上漲，達(dá)到20kPa時(shí)啟動(dòng)BOG壓縮機(jī)根據(jù)實(shí)際情況將壓縮機(jī)負(fù)荷調(diào)整至75%或者100%。在操作上間斷性運(yùn)行BOG壓縮機(jī)時(shí)，應(yīng)盡量選擇用電平峰或低谷時(shí)段。BOG壓縮機(jī)損耗壽命單臺(tái)BOG壓縮機(jī)不在長(zhǎng)時(shí)間處于滿負(fù)荷運(yùn)行，可以提高BOG壓縮機(jī)運(yùn)行壽命，同時(shí)能降低LNG接收站用電能耗，達(dá)到降本增效。