LNG接收站BOG再冷凝工藝的模擬及優(yōu)化

劉　迪，杜偉婧

（1.中國石油大學（北京）城市油氣輸配技術北京市重點實驗室，北京　102249；2.中石化天津液化天然氣有限責任公司，天津　300450）

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LNG接收站BOG再冷凝工藝的模擬及優(yōu)化

劉迪1，杜偉婧2

（1.中國石油大學（北京）城市油氣輸配技術北京市重點實驗室，北京102249；2.中石化天津液化天然氣有限責任公司，天津300450）

摘要：BOG再冷凝處理工藝是LNG接收站的主要流程之一，利用ASPEN HYSYS流程模擬軟件對BOG再冷凝工藝流程進行了模擬，并對影響再冷凝工藝的因素進行了分析，繼而提出利用過冷的LNG對BOG氣體進行預冷，通過減小物料比，最終達到降低BOG壓縮機功耗的目的。利用HYSYS對優(yōu)化后的流程進行模擬，發(fā)現優(yōu)化后的再冷凝工藝BOG壓縮機功耗降低了49.6kW，節(jié)約功耗20.3%。

關鍵詞：LNG接收站；BOG處理；再冷凝工藝；模擬優(yōu)化

BOG的處理工藝是LNG接收站工藝系統的重要部分，BOG的產生和處理在LNG接收站的操作中不可避免，若BOG處理不當，將導致LNG儲槽超壓而發(fā)生危險，若外排燃燒將造成資源浪費。

通常處理BOG氣體的傳統方法有以下四種［1，2］：（1）將儲罐內的BOG返回至LNG船舶，填補卸料時產生的真空；（2）通過壓縮機將BOG壓縮至一定的壓力后，與輸出的LNG直接接觸相互換熱，BOG被重新冷凝為液態(tài)后輸出；（3）使用BOG壓縮機將BOG壓縮至外輸管網壓力后輸出；（4）送到火炬進行燃燒，若BOG量過多時可直接排入大氣。根據文獻研究，BOG再液化系統比氣體直接加壓至輸氣管網系統節(jié)省30%～60%的成本費用［3］，故世界上大部分氣源型LNG接收站普遍采用再冷凝器液化工藝回收BOG。

1　LNG接收站再冷凝工藝模擬

此處運用HYSYS工藝模擬軟件對LNG接收站的再冷凝液化系統進行模擬，為接收站的再冷凝液化系統的設計以及優(yōu)化運行提供參考。LNG接收站設計工況下的工藝參數（見表1，表2）（其中LNG流量180 000 kg/h；BOG流量6 780 kg/h）。

表1　接收站內LNG及BOG的組成成分（摩爾分數）

表2　接收站內LNG低壓泵及BOG壓縮機的設計參數

BOG再液化工藝是利用加壓后LNG自身的冷量冷凝BOG，即LNG經過低壓泵增壓后，過冷的LNG與BOG間接或者直接接觸換熱，將BOG冷凝為LNG。

BOG壓縮后從冷凝器的頂部與接近再冷凝器頂部用來冷凝BOG的一股LNG同時進入再冷凝器內進行直接接觸混合［4］。進入再冷凝器的BOG全部被液化，冷凝液與進入再冷凝器下部的LNG一并經LNG泵加壓進入汽化器氣化輸送至高壓管網。利用HYSYS對上述流程進行建模，所建模型（見圖1）。

圖1　HYSYS模擬再冷凝工藝系統結果數據

2　BOG再冷凝工藝的影響因素分析

由于參數較多，本處采用單因素分析的方法，在進行分析時，每次只改變一個控制變量參數（BOG的流量，BOG壓縮機出口壓力，低壓泵出口壓力），將其他參數固定不變，從而分析控制變量對因變量（LNG量）的影響情況。

2.1LNG低壓泵出口壓力變化的影響

當LNG低壓泵出口壓力發(fā)生變化時，即再冷凝工藝系統中進入再冷凝器的LNG的過冷度和壓力均會發(fā)生變化。利用HYSYS軟件模擬分析計算當LNG低壓泵的出口壓力發(fā)生變化從400 kPa至1 000 kPa時，再冷凝過程所需要的LNG的流量，模擬結果繪制成LNG流量隨LNG低壓泵出口壓力變化的曲線（見圖2）。

圖2　再冷凝過程所需LNG隨LNG泵出口壓力變化圖

通過對該圖的分析可以看出，再冷凝過程所需要的LNG的量隨著LNG低壓泵出口壓力的增加而減少，并且LNG的減少量也逐漸減少。這種情況的出現是因為，當固定BOG壓縮機的進口，出口壓力及溫度，BOG的產生量不改變時，再冷凝過程所需要的冷量即已經固定，而隨著LNG經低壓泵后壓力的增加，其溫度基本不變，LNG所具有的過冷度也逐漸增加，所以冷凝所需要的LNG的量逐漸減少。

2.2BOG壓縮機出口壓力的影響

工藝能耗以及物料比（物料比是指在再冷凝器中，將BOG氣體全部冷凝所需要的最少LNG與BOG的質量比值）是影響B(tài)OG再冷凝工藝的主要因素。

2.2.1對功耗的影響此處研究的工況為LNG輸出流量為186 780 kg/h，BOG氣體的流量為6 780 kg/h時，將操作壓力為0.15MPa的BOG氣體分別壓縮至0.4MPa～1.0MPa，利用過程模擬軟件HYSYS對該過程進行模擬，模擬結果（見圖3）。

圖3　BOG壓縮機出口壓力對各設備功耗影響

分析圖中的結果數據得出以下結論：

（1）BOG壓縮機、LNG低壓泵及各個設備的總功耗隨著壓縮機出口壓力的增加而增加，為正相關關系。

（2）LNG高壓泵的功耗隨著壓縮機出口壓力的增加而減少，為負相關關系。

（3）LNG低壓泵的功耗以及LNG高壓泵的功耗隨壓縮機出口壓力變化的幅度并不大，即各設備總功耗的增加主要是由于壓縮機的功耗增加而引起的。

依據以上結論分析可知，在BOG再冷凝工藝過程中，要使得產生的BOG氣體均被完全冷凝液化，應該盡量降低BOG壓縮機的出口壓力，從而可以降低BOG壓縮機的功耗，繼而降低總功耗。

2.2.2對物料比的關系在實際的操作過程中BOG壓縮機出口壓力降低會導致物料比（圖1物料4流量/ BOG流量）增加，即完全冷凝BOG所需要的LNG的量增加（見圖4）。

從圖4可以看出，BOG出口壓力降低時物料比增加，這是因為當BOG氣體的壓力越高時，冷凝BOG的溫度越高，比較容易液化，所需要的冷量越少。

綜上分析為了降低再冷凝工藝系統的能耗，應降低BOG壓縮機的出口壓力，但是出口壓力降低會導致物料比增加，當接收站的LNG輸出量處于低谷時，會給操作帶來困難［5］。

圖4　BOG壓縮機出口壓力與再冷凝所需LNG關系

2.3BOG的溫度對物料比的影響

依據現有BOG再冷凝工藝的操作數據分析發(fā)現，-160℃的BOG氣體經過BOG壓縮機壓縮后溫度升高到-76.6℃，又經過再冷凝器后溫度降低為-158.3℃。所以，再冷凝器中的過冷LNG既要為BOG從氣相液化為液相提供冷量，又要為BOG壓縮后的降溫過程提供冷量。若能夠在BOG氣體進入再冷凝器之前對其進行降溫，就可以減少冷凝過程所需要的冷量，所以可以減少LNG的用量，即降低物料比，這對于解決LNG接收站LNG輸出量波動時導致的物料比與BOG壓縮機出口壓力間的矛盾尤為重要［6］。

固定BOG壓縮機的進口壓力，改變BOG進入再冷凝器的溫度從-120℃至-60℃，研究再冷凝工藝過程中不同BOG溫度下，LNG的物料比變化情況，利用HYSYS軟件對此過程進行模擬，得到變化關系數據（見圖5）。

圖5　BOG的溫度對物料比的影響

分析該圖中的數據可得出，再冷凝工藝過程的物料比隨著BOG進入再冷凝器溫度的降低而減少。這是因為BOG的溫度越低，其降溫過程所需的冷量越少，需要的過冷LNG的量也越少，即物料比降低。如果BOG進入再冷凝器時溫度處于露點溫度，此時，過冷的LNG只需要為BOG的相變過程提供冷量，不需要為BOG的降溫過程提供冷量，這種情況下LNG的用量最小，即為最小物料比［7］。所以，應該盡量降低BOG氣體進入再冷凝器的溫度，從而可以彌補降低壓縮機的出口壓力而導致的物料比增加，因此，可以在物料比不變或者變化不大時，通過降低BOG壓縮機的出口壓力達到降低壓縮機能耗的目的。

3　BOG再冷凝工藝的改進

3.1流程模擬

根據上述的分析可知，降低BOG壓縮機的功耗是再冷凝工藝優(yōu)化的關鍵，而通過對增壓后的BOG氣體進行預冷，以使得BOG溫度降低后進入再冷凝器，從而減少冷凝BOG所需要的過冷LNG的量，即減小物料比，從而達到降低BOG壓縮機出口壓力的目的。當BOG壓縮機出口壓力降低時，壓縮機的功耗也即隨之降低，最終達到降低能耗的目標。

在現有再冷凝工藝中，從再冷凝器中出來的LNG經過LNG高壓泵增壓后進入汽化器之前，溫度仍然較低，因此，可以將進入汽化器前的LNG作為預冷BOG的冷源，以降低現有工藝的壓縮機的出口壓力和壓縮機的功耗，從而獲得改進后的優(yōu)化工藝，優(yōu)化后的工藝流程（見圖6）。

與原有的再冷凝工藝流程圖相比，優(yōu)化后的BOG預冷再冷凝工藝中增加了一個預冷換熱器，LNG儲罐中出來的LNG經過低壓泵增壓后變?yōu)檫^冷LNG，過冷LNG分為兩股，一股進入再冷凝器與BOG混合，全部液化后的LNG與另一股過冷LNG在再冷凝器混合后進入LNG高壓泵，從LNG高壓泵流出的LNG一部分作為冷源預冷BOG，之后進入汽化器汽化外輸。

圖6　BOG預冷的再冷凝工藝流程圖

改進優(yōu)化后的BOG預冷再冷凝工藝的主要運行參數（見表3）。

表3　BOG預冷再冷凝工藝運行參數

3.2優(yōu)化后的BOG預冷再冷凝工藝節(jié)能分析

在優(yōu)化后的BOG預冷再冷凝工藝中，從BOG壓縮機出來的BOG進入再冷凝器時的溫度由預冷裝置預冷到-138.4℃，與原有再冷凝工藝相比，減少了用于冷凝BOG的LNG的量，即使得物料比降低，從而在相同的工況下可以在壓縮機出口壓力較低的情況下操作。

改變優(yōu)化后的工藝流程中BOG壓縮機的出口壓力，利用HYSYS模擬不同壓力下的運行參數，所得結果（見表4）。

表4　優(yōu)化工藝不同出口壓力下的運行參數

根據圖3，圖4和表4數據對比可知，原有再冷凝工藝BOG壓縮機的出口壓力為0.8MPa時，其物料比為4.8，BOG壓縮機的功耗為244.3kW。而經過改進后的BOG預冷再冷凝工藝BOG壓縮機出口壓力為0.6MPa時，物料比為4.8與原有工藝相當，但是其BOG壓縮機的功耗為194.7kW，減少了49.6kW，節(jié)約功耗20.3%，這說明改進后的工藝對降低能耗有著顯著的作用。

4　結論

本文利用HYSYS軟件對現有的再冷凝工藝進行了模擬分析，并根據再冷凝工藝的影響因素提出了BOG預冷再冷凝工藝優(yōu)化方案，通過研究及分析得出了以下結論：

（1）BOG再冷凝工藝受多個因素影響，BOG流量的變化，BOG壓縮機出口壓力的變化，LNG低壓泵出口壓力的變化均會影響再冷凝過程所需要的LNG的量，從而對再冷凝工藝產生影響。

（2）以降低能耗為目標的BOG處理工藝的優(yōu)化可以采用BOG預冷再冷凝工藝流程，通過對增壓后的BOG氣體進行預冷，以使得BOG溫度降低后進入再冷凝器，減小物料比，從而達到降低BOG壓縮機出口壓力的目的，同時壓縮機的功耗也即隨之降低，最終達到降低能耗的目標。

參考文獻：

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［6］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．

［7］楊志國.LNG儲運過程中BOG再冷凝工藝的優(yōu)化［D］.武漢：華南理工大學，2010．

Simulation and optimization of LNG terminal's BOG recondensation process

LIU Di1，DU Weijing2
（1.Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China；2.Sinopec Tianjin LNG Limited Liability Company，Tianjin 300450，China）

Abstract:BOG recondensation process is one of the main process of LNG receiving station，BOG recondensation process is simulated by using the ASPEN HYSYS process simulation software，and the factors of affecting the recondensation process are analyzed. Then put forward using supercooled LNG to precooling the BOG gas，reducing the material ratio，finally achieve the purpose of reducing the power consumption of the BOG compressor. The optimized process is simulated through HYSYS，and it turns out that the BOG compressor's power consumption decreased 49.6kW compared with the former condensing process，saving power consumption by 20.3%.

Key words：LNG terminal；process of BOG；recondensation process；simulation and optimization

中圖分類號：TE965

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5285（2016）06-0130-05

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.06.032

*收稿日期：2016－04-12