液化天然氣接收站BOG處理系統的研究

董龍偉

中石化北海液化天然氣有限責任公司, 廣西 北海 536000

0 前言

隨著我國經濟的快速發展,對清潔能源的需求日益增長。液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)作為一種清潔高效的能源正在被世界各國推廣應用,其在世界各國所占的能源比重日趨增長[1]。據統計天然氣在世界一次能源結構中所占比例為20.5%[2],并以每年3%的速度保持增長[3]。液化天然氣接收站在儲存LNG過程中由于自身的物性特點,會不斷產生蒸發氣(Boil-Off Gas,BOG)[4]。BOG處理不及時會對整個接收站造成重大的安全隱患。

目前,國內外學者對BOG處理系統進行了大量的研究。Park C等人研究了最小LNG外輸工況下BOG的處理量并通過新增換熱設備的方式降低BOG的處理成本[5]。Querol F等人應用Aspen Plus研究了卸船工況下BOG的最大產生量并通過對比分析得出BOG的再冷凝處理相比于直接壓縮能夠減少50%的能耗[6]。王小尚等人研究了BOG處理的4種工藝方法并針對青島LNG接收站提出了BOG再冷凝工藝的優化措施[7]。當前BOG處理系統的研究多集中于整個工藝外輸系統總能耗的分析。本文將重點研究處理每噸BOG所需增加的能耗進行理論分析與數值計算。研究成果可為新建LNG接收站BOG處理系統的選擇提供依據。

1 BOG的產生

目前,國內LNG接收站多采用地面全包容式混凝土穹頂罐[8]。LNG在儲存與運輸過程中由于儲罐與LNG管線保冷材料的冷損失、設備運行散熱以及接卸船時LNG物料的置換等均會造成BOG的產生[9-10]。

1.1 LNG儲罐自然蒸發產生BOG的量

儲罐在正常儲存LNG過程中,由于保冷材料的冷損失以及儲罐內外環境溫度的差異導致LNG吸收外部熱量氣化產生BOG氣體。工程計算中通常采用式(1),計算產生的BOG的量M1[11]。

(1)

式中:M1為儲罐自然蒸發產生BOG的量,kg/h;A為LNG的靜態蒸發率,一般取0.05%;Ve為儲罐內LNG的存儲量,m3;ρLNG為LNG的密度,kg/m3。

1.2 LNG輸送管道吸熱產生的BOG的量

管道在輸送LNG時,由于保冷管線與外界環境存在熱傳導、熱輻射等方式的換熱,管線內部的LNG因吸收外界環境的熱量氣化產生BOG,其產生量M2的計算公式如下[12]:

(2)

式中:M2為LNG輸送管道吸熱產生BOG的量,kg/h;Sj為站內LNG管道的表面積,m3;γ為LNG的氣化潛熱,kJ/kg;t0為管道輸送LNG的運行時間,h;Q為單位面積保冷層的冷損失量,W/m2,Q可以通過式(3)計算[13]。

(3)

式中:D0為裸管道的外徑,m;D1為管道保冷層的外徑,m;λ為保冷材料的導熱系數,W/(m·K),通常取 0.012 1 W/(m·K)[14];T0為管道外表面的溫度,K;T1為環境溫度,K。

1.3 接卸船過程中產生BOG的量

在接卸LNG運輸船期間,LNG進入儲罐將置換出儲罐內氣相空間的BOG[15]。在不考慮新舊物料參混時產生BOG量的前提下,可以采用式(4)計算卸料置換產生BOG的量M3。

(4)

式中:M3為卸料置換產生BOG的量,kg/h;QLNG為卸料時的全速流量,m3/h;MV為混合BOG的摩爾質量,g/mol;T為標準狀態溫度,273.15 K;TT為LNG儲罐頂部氣相空間的溫度,K;p為標準大氣壓,101.325 kPa;pT為LNG儲罐頂部氣相空間的壓力,kPa。

在進行槽車充裝時,同樣可以采用式(4)計算LNG裝車時置換產生BOG的量。

1.4 高低壓泵運行過程中產生BOG的量

儲罐內低壓泵對LNG升壓后通過保冷循環管線再次進入到儲罐內部,低壓泵對LNG所做的功將最終轉換為熱量被LNG吸收[16]。單臺低壓泵做功產生的BOG的量可以用式(5)計算[11]。

(5)

式中:ML為單臺低壓泵運行產生BOG的量,kg/h;WZ為低壓泵正常工作時的功率,kW;tz為低壓泵的運行時間,3 600 s;Qb為保冷循環流量,t/h;QZ為低壓泵正常輸送的量,t/h。

低壓LNG經過高壓泵增壓后一部分進入高架式海水汽化器氣化后外輸,另一部分通過零輸出保冷循環管線返回儲罐。高壓泵對返回儲罐LNG所做的功最終轉化成熱量被LNG吸收。單臺高壓泵做功產生BOG的量同理可以采用式(5)計算。

1.5 不同工況下LNG接收站產生BOG的量

根據LNG接收站的工藝狀況不同,可將LNG接收站運行分為8種工況。本文以廣西某LNG接收站為例,進行不同工況下BOG產生量的計算。相關參數如下:4座16×104m3的LNG儲罐,高液位為33 m,低液位為3 m,罐內壓力為18.8 kPa,LNG常壓下沸點為-162 ℃,密度為425 kg/m3,氣化潛熱為523.4 kJ/kg,BOG的操作溫度為-126.7 ℃。其中,LNG與BOG組分的摩爾百分比,見表1。卸船工況下全速卸料速度為11 147 m3/h,槽車充裝速度為720 m3/h,LNG管線的表面積為4 077 m3。碼頭與槽車的保冷循環流量為79.5 t/h。零輸出循環管線的保冷循環流量為10.3 t/h。根據以上參數,對LNG接收站在不同工況下BOG的產生量進行計算,結果見表2。

由表2分析可知,在卸船期間產生大量的BOG,當儲罐處于較高液位時槽車正常外輸的工況下BOG產生量最大為29.2 t/h。該LNG接收站在正常工況下非卸船模式,BOG的產量在3.1～8.4 t/h之間。

表1 LNG與BOG的組分表 (%)

表2 LNG接收站不同工況下BOG的產生量表 t/h

2 BOG的工藝處理

2.1 BOG處理方式

目前,國內外處理BOG的方式主要為以下四種類型:直接壓縮BOG外輸、BOG再冷凝外輸、BOG間接熱交換再液化、蓄冷式再液化[17-18]。其中,直接壓縮BOG外輸分為直接壓縮高壓外輸和直接壓縮低壓外輸;BOG再冷凝外輸又可分為再冷凝低壓外輸,再冷凝高壓外輸。直接壓縮BOG外輸、BOG再冷凝外輸處理方式為多數國內LNG接收站所采用。直接壓縮BOG外輸即工藝區產生的BOG通過BOG總管輸送到低壓BOG壓縮機壓縮至0.75 MPa,然后送入高壓壓縮機壓縮至7.74 MPa,通過匯管與汽化器來的天然氣匯合后進行高壓外輸。工藝流程見圖1,其中虛線框內代表直接壓縮BOG低壓外輸給下游低壓用戶。

圖1 直接壓縮BOG(高壓/低壓)外輸工藝流程圖

BOG再冷凝外輸即工藝區產生的BOG通過BOG總管輸送到低壓BOG壓縮機壓縮至0.75 MPa,然后送入再冷凝器,低壓總管的LNG一部分進入再冷凝器對BOG進行液化,經液化后通過低壓總管匯入高壓泵入口,通過高壓增壓至7.5 MPa送入汽化器進行氣化后外輸,工藝流程見圖2，其中虛線框內代表BOG再冷凝低壓外輸的工藝流程。

圖2 BOG再冷凝(高壓/低壓)外輸工藝流程圖

通過文獻分析對比,直接壓縮外輸與再冷凝外輸的優缺點見表3[19- 20]。

表3 直接壓縮BOG外輸與BOG再冷凝外輸的對比表

2.2 BOG處理量對能耗的影響

以廣西某LNG接收站為例,通過模擬計算研究不同BOG處理量時,處理1 t BOG所需增加消耗的能耗(即平均能耗,單位kW/t)見圖3。

a) 設備能耗

b) 設備平均能耗圖3 BOG處理量對能耗的影響曲線圖

分析圖3可知,隨著BOG處理量的增加,設備的總能耗不斷增加。相比于其它設備,壓縮機在處理不同BOG量時其能耗增加量更大，這是由于壓縮氣體過程中,一部分功轉換成熱量損失掉，處理BOG所需的平均能耗隨BOG處理量的增加逐漸增多。以廣西某LNG接收站為例,最小BOG處理量的平均能耗與最大BOG處理量的平均能耗相差17.9 kW/t。當BOG產生量大于25 t時,其平均能耗增幅速度減緩并趨于穩定。當前工況下,該穩定值為20.1 kW/t。

2.3 再冷凝器的工作壓力對能耗的影響

a) 設備能耗

再冷凝器在工作過程中其壓力的調整對整個工藝運行的平穩性影響較大。本文將從能耗的角度對再冷凝器的工作壓力進行分析,確定再冷凝器的工作壓力。以LNG接收站在正常工況非卸船模式下BOG的產量為8.4 t/h為參數,進行不同壓力下設備能耗的計算,計算結果見圖4。

b) 設備平均能耗圖4 再冷凝器的工作壓力對能耗的影響曲線圖

分析圖4可知,再冷凝器的工作壓力對BOG處理設備的總能耗影響較小。隨著再冷凝器工作壓力的增加,壓縮機出口壓力增大其對應的能耗增加。由于再冷凝器工作壓力的增大,高壓泵入口的壓力增加,在高壓外輸壓力保持不變的前提下,高壓泵的能耗降低。分析圖4-b)可知,BOG處理設備的平均能耗隨再冷凝器壓力的增加呈現先降低后升高的趨勢。在不考慮工藝運行條件限制的前提下,再冷凝器存在最佳工作壓力。當前工況下,再冷凝器的最佳工作壓力為0.95 MPa。對比分析BOG處理設備的平均能耗可以獲知,平均能耗的最大值與最小值僅相差0.28 kW/t,對其影響較小。再冷凝器日常運行中考慮到工藝操作的平穩性,一般將其運行壓力控制在0.75～0.9 MPa。

2.4 BOG再冷凝工藝的改進

再冷凝器在實際運行過程中,其氣液的質量比一般為1∶10(即液化1 t BOG需要約10 t的LNG)。這是由于BOG經壓縮機壓縮后溫度可達75 ℃,在未經冷卻的前提下直接進入再冷凝器進行液化,需要大量的LNG對其進行冷卻、液化[21]。LNG經過高壓泵增壓后進入汽化器進行氣化,LNG進入海水汽化器的溫度越高其氣化所需要的海水流量越低。為了降低BOG進入再冷凝器的溫度,增加進入海水汽化器LNG的溫度,減少LNG的用量,降低泵的能耗。綜合分析,可以采用增設BOG冷換器設備的方式來實現,見圖5。

圖5 BOG再冷凝工藝的改進流程圖

BOG再冷凝工藝改進后,分別模擬計算不同BOG處理量時的設備能耗，見圖6。

a) 工藝改進后設備能耗

b) 工藝改進后設備平均能耗圖6 BOG再冷凝工藝改進后的能耗對比曲線圖

分析圖6可知,隨BOG處理量的增大,單臺設備的能耗與設備總能耗均呈一次函數增長。與BOG再冷凝工藝改進前不同,平均能耗在改進后均小于改進前。隨著BOG處理量的增加,改進工藝前、后平均能耗的差值逐漸增大。以廣西某LNG接收站為例,最小BOG處理量2.2 t時平均能耗相差0.24 kW/t,最大BOG處理量29.2 t時平均能耗相差2.88 kW/t。因此,增設BOG冷換器后,可以減少BOG處理設備的平均能耗,進而減少LNG接收站工藝處理的用電量。

3 結論

1)BOG處理設備的平均能耗,隨BOG處理量的增加而增大,且平均能耗增幅速度逐漸減緩并趨于穩定。

2)再冷凝器的工作壓力對BOG處理設備的平均能耗影響較小,存在最優壓力值使平均能耗降到最低。當前工況最優壓力值為9.5 MPa。一般考慮工藝因素,再冷凝器的壓力值控制在0.75～0.9 MPa。

3)增設冷換器能夠降低BOG處理設備的平均能耗,且BOG處理量越大,其平均能耗降低越多。

4)平均能耗作為參數的計算結果可以為新建LNG接收站BOG處理系統的選擇及其工藝優化提供依據。