LNG接收站BOG處理工藝優化——以青島LNG接收站為例

王小尚 劉景俊 李玉星 多志麗 王武昌

1.中國石化青島液化天然氣有限責任公司 2.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院

LNG接收站目前主要有3種類型：①大型LNG接收站，如已運行的廣東大鵬LNG、福建LNG、上海LNG等接收站及在建的青島LNG、廣西LNG等接收站；②小型LNG接收站；③衛星型LNG接收站。

LNG系統的漏熱、動設備能量輸入、卸料和外輸體積置換、壓力差、閃蒸等因素必定導致LNG接收站的儲槽、操作設備、管線內產生大量BOG（Boil Off Gas，蒸發氣）[1－2]。2009年楊志國等[3]分析了再冷凝器運行參數對BOG再冷凝工藝的影響，提出通過調整壓縮機的壓比、物料比來實現BOG再冷凝工藝的優化運行。2012年李亞軍等[4]通過調節BOG再冷凝工藝中壓縮機的階數來達到系統節能降耗的目的。

筆者主要從工藝和能耗兩方面對比了目前主要采用的2種BOG處理工藝，以方便不同類型的LNG接收站選用合適的BOG處理工藝，同時針對在建的青島LNG接收站進行了BOG再冷凝工藝改進。

1 不同的BOG處理工藝對比

目前，LNG接收站BOG處理工藝主要有以下4種：①BOG直接壓縮工藝；②BOG再冷凝液化工藝；③BOG間接熱交換再液化工藝；④蓄冷式再液化工藝[5]。前兩種BOG處理工藝為目前主要采用方式，其流程分別見圖1、2，2種工藝的對比見表1。BOG直接壓縮工藝中，BOG加壓后直接進入外輸管網；BOG再冷凝液化工藝中，BOG加壓后進入再冷凝器，與進入再冷凝器的過冷LNG混合，形成液態，然后與剩余LNG一起通過高壓泵加壓，進入氣化器氣化，再外輸。

圖1 采用BOG直接壓縮工藝的LNG接收站流程模擬圖

圖2 采用BOG再冷凝液化工藝的LNG接收站流程模擬圖

表1 BOG再冷凝液化工藝和BOG直接壓縮工藝對比表

2 不同BOG處理工藝的能耗對比

用HYSYS軟件對氣源型LNG接收站和調峰型LNG接收站分別采用再冷凝液化和直接壓縮的BOG處理工藝進行了模擬計算（氣源型LNG接收站按青島LNG接收站設計參數進行模擬），模擬圖分別見圖1、2，能耗對比結果見表2。可以看出，無論是對調峰型LNG接收站還是氣源型LNG接收站，BOG再冷凝液化工藝都比BOG直接壓縮工藝更為節能。

對比2種工藝的能耗，以氣源型LNG接收站為例進行分析，繪制出2種工藝的壓比焓圖（圖3）。

圖3中，紅色線ABCDEF表示BOG直接壓縮工藝的壓比焓線，藍色線abcdefgh表示BOG再冷凝液化工藝的壓比焓線。LNG和BOG在等熵條件下通過泵或壓縮機進行提壓。從圖3可以看出，對于泵的比焓差（qCD、qcd＋qeg）、氣化器的比焓差（qDE、qgh），2種工藝相差不大，而對于壓縮機的比焓差，BOG直接壓縮工藝的qAB遠大于BOG再冷凝液化工藝的qab。另外，在實際生產中，壓縮機的效率小于泵的效率，2種BOG處理工藝進行能耗比較時，壓縮機對能耗的影響更大。因此，輸送單位質量流體時，BOG再冷凝工藝比BOG直接壓縮工藝的能耗低。影響再冷凝器節能效果的因素有很多，現采用單一變量法來分析幾種變量對節能效果產生的影響。以下模擬以氣源型LNG接收站的參數為基礎。

2.1 外輸量對節能效果的影響

外輸量對BOG處理工藝能耗的影響見圖4。從圖4可以看出，外輸量的改變對節能效果影響不大。但當外輸量較大時，BOG的量也相應增加，BOG再冷凝液化工藝的總節能量則相當可觀。

2.2 外輸壓力對節能效果的影響

外輸壓力對BOG處理工藝的能耗影響見圖5。從圖5可以看出，隨著外輸壓力的增加，BOG再冷凝液化工藝的節能量隨之增加。這是由于當外輸壓力增加時，BOG直接壓縮工藝中壓縮機的比焓差增加量遠遠大于BOG再冷凝液化工藝中高壓泵的比焓差增加量，即BOG直接壓縮工藝的能耗增加量大于BOG再冷凝液化工藝的能耗增加量[6－7]。

表2 BOG再冷凝液化工藝和BOG直接壓縮工藝能耗對比表

圖3 BOG再冷凝液化工藝和BOG直接壓縮工藝的壓比焓對比圖

2.3 再冷凝器壓力對節能效果的影響

物料比為進入再冷凝器的LNG與BOG質量比，以下所指物料比為最小物料比，即LNG流量為將BOG全部冷凝為液體所需的最小流量。

再冷凝器壓力對BOG再冷凝液化工藝能耗、節能的影響見圖6。從圖6可以看出，隨著再冷凝器壓力的升高，即低壓泵和壓縮機壓力的升高，BOG再冷凝液化工藝所消耗的能量相應增加，則BOG再冷凝液化工藝的節能量減小。

圖4 外輸量對BOG處理工藝能耗的影響圖

但當再冷凝器壓力降低時，再冷凝器入口BOG溫度升高，需要冷凝BOG的LNG用量增加，則物料比增加，當LNG接收站處于外輸量最小工況時，操作困難。因此，在實際生產中，再冷凝器的壓力一般控制在0.7～0.9MPa[8]。

圖5 外輸壓力對BOG處理工藝的能耗影響圖

圖6 再冷凝器壓力對BOG再冷凝液化工藝能耗、節能的影響圖

3 青島LNG接收站BOG再冷凝液化工藝改進措施

3.1 BOG進入再冷凝器前預冷

根據2.3的分析得知，降低壓縮機出口壓力會增加節能量，但會造成物料比增加，從而導致裝置操作困難。為了在降低壓縮機出口壓力的同時保證物料比恒定，從而達到節能的效果，本文參考文獻[9－10]提出了如圖7所示的優化后BOG再冷凝液化工藝流程，添加了BOG冷換器設備，BOG在進入再冷凝器之前先與高壓泵出口的一部分LNG換熱，進行預冷，降低BOG溫度。由于BOG及LNG均屬于清潔的高壓物料，因此，冷換器選用傳熱效率高、結構簡單、價格便宜、承壓能力強的“U”形管式換熱器[11]。冷換器入口的LNG流量設定為5 000kg／h。優化后再冷凝器壓力與壓縮機能耗及物料比的關系見表3。

圖7 優化后的BOG再冷凝液化工藝流程圖

表3 優化后再冷凝器壓力與壓縮機能耗及物料比的關系表

從圖6－b及表3可以看出，工藝優化前再冷凝器壓力為0.88MPa時的物料比與工藝優化后再冷凝器壓力為0.65MPa時的物料比接近，而壓縮機能耗則由302.4kW 降為246.9kW，降低18.2%，節能效果明顯。

3.2 混合使用2種BOG處理工藝

從能耗對比分析及實際應用情況來看，氣源型LNG接收站一般都采用BOG再冷凝液化工藝。根據本文參考文獻[1，12－13]計算得到青島LNG接收站在不同工況下的BOG處理量：①卸船最小外輸量時，BOG處理量為20.6t／h；②卸船最大外輸量時，BOG處理量為19.9t／h；③非卸船最小外輸量時，BOG處理量為7.3t／h；④非卸船最小外輸量時，BOG處理量為4.3t／h。理論模擬計算得知卸船工況下的BOG處理量為非卸船工況下BOG處理量的4.5倍，同時，根據下游用戶用氣量的不同，LNG接收站外輸量也有較大波動，這些都造成BOG再冷凝液化工藝操作困難，尤其是當BOG處理量較大，而下游用戶用氣量較低時，會造成BOG無法完全液化就不得不進入火炬系統，導致能源浪費。因此，針對青島LNG接收站提出BOG再冷凝液化及BOG直接壓縮2種工藝混合使用的方案（圖8），使進再冷凝器的LNG流量保持恒定，沒被冷凝的BOG經過高壓壓縮機提壓到外輸壓力，與完成氣化的LNG混合后外輸。

圖8 BOG混合處理工藝流程模擬圖

模擬混合工藝卸船工況下的流程參數見表4，在卸船工況下再冷凝器入口的LNG流量為62.00t／h，在再冷凝器安全運行的同時，盡可能降低高壓壓縮機的入口流量，從而節約總能耗。低壓壓縮機設計負荷為6.7t／h，為統一設備運行參數，并節約投資成本，再冷凝器入口LNG流量的設定以滿足高壓壓縮機入口BOG流量小于6.7t／h為限。

表4 混合工藝卸船工況下的工藝參數模擬表

BOG混合處理工藝與BOG再冷凝液化工藝能耗對比情況見表5。BOG混合處理工藝的壓比焓線見圖3中的黑色線，從圖3可以看出，由于高壓壓縮機的存在，BOG混合處理工藝的能耗大于BOG再冷凝液化工藝的能耗。從表5可以看出，正常工況下，采用BOG混合處理工藝的總能耗比單用BOG再冷凝液化工藝的總能耗要高6.8%，但在最小外輸量的工況下，采用BOG混合處理工藝可避免BOG進入火炬系統而造成能源浪費，同時減小再冷凝器入口流量的波動，裝置運行更穩定、更安全。綜合考慮，青島LNG接收站BOG處理工藝采用BOG再冷凝液化工藝及BOG直接壓縮混合處理工藝可行。

表5 BOG混合處理工藝與BOG再冷凝液化工藝能耗對比表

4 結論

1）BOG再冷凝液化工藝的能耗均小于BOG直接壓縮工藝的能耗。針對2種BOG處理工藝，外輸量的改變幾乎不影響再冷凝器的節能效果，但當BOG量較大時，BOG再冷凝液化工藝的節能效果更顯著。

2）隨著外輸壓力的增加，再冷凝器的節能量也增加。

3）隨著再冷凝器壓力的增加，再冷凝器的節能量減少，但為了便于操作，再冷凝器壓力一般設為0.7～0.9MPa。

4）BOG進入再冷凝器前進行預冷，可在處理相同BOG量時降低再冷凝器的壓力，從而節約壓縮機的能耗，節約率達18.2%。

5）青島LNG接收站采用BOG再冷凝液化工藝及BOG直接壓縮混合處理工藝，可避免最小外輸量工況下BOG進入火炬，減少能源浪費，使裝置運行更安全、穩定。

[1]陳行水.LNG接收站再冷凝工藝模型與動態優化[D].廣州：華南理工大學，2012.CHEN Xingshui.Modeling and dynamic optimization of recondensation process at LNG receiving terminals[D].Guangzhou：South China University of Technology，2012.

[2]郭海燕，張煒森.珠海LNG裝置技術分析與運行情況[J].石油與天然氣化工，2012，41（1）：43－47，120.GUO Haiyan，ZHANG Weisen.Technical analysis and operation status of LNG plant in Zhuhai[J].Chemical Engineering of Oil ＆ Gas，2012，41（1）：43－47，120.

[3]楊志國，李亞軍.液化天然氣接收站再冷凝工藝優化研究[J].現代化工，2009，29（11）：74－77.YANG Zhiguo，LI Yajun.Influence of operational parameters on boil off gas recondensation process[J].Modern Chemical Industry，2009，29（11）：74－77.

[4]李亞軍，陳蒙.LNG接收站BOG多階壓縮再液化工藝優化分析[J].化工學報，2013，64（3）：986－992.LI Yajun，CHEN Meng.Simulation－based optimization and analysis of BOG multi－stage compression and recondensation process at LNG receiving terminal[J].CIESC Journal，2013，64（3）：986－992.

[5]金光，李亞軍.LNG接收站蒸發氣體處理工藝[J].低溫工程，2011，179（1）：51－56.JIN Guang，LI Yajun.Boil－off gas treatment in LNG receiving terminal[J].Cryogenics，2011，179（1）：51－56.

[6]張奕，艾紹平.液化天然氣氣化站中BOG壓縮機運行的動態模擬與優化[J].石油與天然氣化工，2012，41（1）：53－57，121.ZHANG Yi，AI Shaoping.Dynamic simulation and operation optimization of BOG compressors in LNG gasification plant[J].Chemical Engineering of Oil ＆ Gas，2012，41（1）：53－57，121.

[7]陳帥，田士章，胡文江，等.LNG儲罐冷卻過程中BOG回收量探討[J].石油與天然氣化工，2013，42（4）：373－377.CHEN Shuai，TIAN Shizhang，HU Wenjiang，et al.BOG recovery of LNG storage tank cooling process[J].Chemical Engineering of Oil ＆ Gas，2013，42（4）：373－377.

[8]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.LIU Hao，JIN Guoqiang.Process comparison and energy saving analysis of BOG gas treatment of LNG receiving terminal[J].Chemical Engineering Design，2006，16（1）：13－16.

[9]PARK C，SONG K，LEE S，et al.Retrofit design of a boiloff gas handling process in liquefied natural gas receiving terminals[J].Energy，2012，44（1）：69－78.

[10]向麗君，全日，邱奎，等.LNG接收站BOG氣體回收工藝改進與能耗分析[J].天然氣化工，2012，37（3）：48－50.XIANG Lijun，QUAN Ri，QIU Kui，et al.LNG terminal BOG recovery process improvement and energy saving analysis[J].Natural Gas Chemical Industry，2012，37（3）：48－50.

[11]林玉娟，楊達，馮永利.應用SolidWorks進行U型管式換熱器管板的應力分析[J].科學技術與工程，2010，10（3）：776－779.LIN Yujuan，YANG Da，FENG Yongli.Stress analysis of U－tube heat exchanger｀s tubesheet with SolidWorks[J].Science Technology and Engineering，2010，10（3）：776－779.

[12]付子航.LNG接收站蒸發氣處理系統靜態設計計算模型[J].天然氣工業，2011，31（1）：83－85.FU Zihang.A static design calculation model of boil off gas（BOG）handling system of an LNG receiving terminal[J].Natural Gas Industry，2011，31（1）：83－85.

[13]孫憲航，陳保東，張莉莉，等.液化天然氣BOG的計算方法與處理工藝[J].油氣儲運，2012，31（12）：931－933.SUN Xianhang，CHEN Baodong，ZHANG Lili，et al.BOG calculation method and processing technique of liquefied natural gas[J].Oil ＆ Gas Storage and Transportation，2012，31（12）：931－933.