預冷式-二級壓縮BOG再冷凝工藝研究

戴 萍 路浩澍

青島科技大學機電工程學院, 山東 青島 266061

0 前言

我國能源消耗已居全球第一位,占全球總消耗23.2 %。能源問題成為限制我國發展的重要因素,因此調整能源結構、優化能源格局、提高能源利用效率、減小CO2及污染物排放具有重要戰略意義。我國消耗的一次能源中,天然氣占比6.4 %,遠低于世界平均水平的24%,煤炭占比60.4 %,遠高于世界平均水平的28 %[1],因此“氣代煤”成為工業能源的可行選擇。同時,LNG海上遠洋運輸成本僅為管道輸送的1/6～1/7,因而加快推進LNG接收站建設成為滿足天然氣供應需求的最佳選擇[2-3]。

目前BOG再冷凝工藝優化在系統節能及提高穩定性方面已有較多研究成果[4-10],李亞軍等[11]提出多級壓縮再冷凝工藝,節能效果明顯,但再冷凝系統總物料比>15,且未提出解決措施。汪蝶等[12]提出使用LNG預冷BOG的二級壓縮再冷凝工藝,但沒有新增再冷凝器,BOG無法在較低操作壓力下液化為LNG。谷英杰[13]提出預冷式再冷凝工藝,有效降低接收站最小外輸量,增加操作彈性,但LNG外輸量在正常工況時,節能效果較低,同時再冷凝系統并未考慮海水泵能耗。為此,本文提出預冷式-二級壓縮BOG再冷凝工藝,該工藝可有效解決物料比偏大、低壓難液化、節能效果低等問題。

1 BOG再冷凝工藝

1.1 工藝流程

BOG再冷凝工藝是我國LNG接收站普遍采用的BOG回收處理工藝。該工藝將LNG接收站漏熱、泵做功、體積置換、船艙與儲罐壓差產生的BOG,與過冷LNG混合重新液化外輸。與直接壓縮工藝相比,BOG再冷凝工藝充分利用LNG冷能,系統能耗節省30 %～60 %。

圖1 BOG再冷凝工藝流程圖Fig.1 BOG recondensing process

BOG再冷凝工藝流程見圖1,再冷凝系統分為BOG匯集系統、氣相返回系統、BOG低溫壓縮機、BOG再冷凝系統四部分[14-15]。接收站各設備及管道產生的BOG匯入BOG總管,經緩沖罐進入壓縮機加壓,壓縮機出口壓力與低壓泵出口壓力相等,BOG加壓后溫度大幅上升進入再冷凝器,與冷凝股LNG混合液化,再與旁通股LNG匯合經高壓泵加壓至海水開架式汽化器(ORV),氣化后進入外輸管網。

1.2 工藝能耗影響因素分析

針對國內某接收站BOG再冷凝工藝實際工況,采用單因素法,以再冷凝系統能耗為目標函數,使用ASPEN-HYSYS模擬再冷凝工藝流程,分析再冷凝工藝能耗影響因素。該接收站BOG和LNG基本組分摩爾分數見表1,接收站典型工況為BOG產量7 640 kg/h,LNG外輸量180 t/h,壓縮機出口壓力650 kPa,高壓泵出口壓力7 500 kPa,天然氣(NG)外輸溫度2 ℃,ORV溫降≤5℃。BOG進入緩沖罐的溫度為-132.2 ℃,壓力為114 kPa,LNG進入潛液泵的溫度為-160.4 ℃,壓力為119 kPa。

表1 接收站BOG和LNG基本組分摩爾分數表

Tab.1 Molar fraction of BOG and LNG basic components of receiving terminal (%)

分析BOG產量對再冷凝工藝的影響,維持BOG壓縮機出口壓力、高壓泵出口壓力和LNG外輸量不變,BOG產量從5 t/h增加到20 t/h,系統各設備能耗及物料比見圖2,其中物料比為冷凝BOG所需LNG與BOG的質量比。

圖2 BOG產量對設備能耗及物料比的影響曲線圖Fig.2 Impact of BOG output on equipments energy consumption and material ratio

隨著BOG產量增加,壓縮機能耗上升明顯,高壓泵能耗上升不明顯,海水泵能耗下降幅度較小,低壓泵能耗不變,系統能耗近似線性增加,BOG產量每增加0.5 t/h,系統能耗增加32 kW左右。物料比維持在7.80～7.84之間,可視為基本不變。

分析壓縮機出口壓力對再冷凝工藝的影響,維持BOG產量、高壓泵出口壓力、LNG外輸量不變,壓縮機出口壓力從450 kPa增加到1 000 kPa,系統各設備能耗及物料比見圖3。

圖3 壓縮機出口壓力對設備能耗及物料比的影響曲線圖Fig.3 Impact of compressor outlet pressure on equipments energy consumption and material ratio

隨著壓縮機出口壓力上升,壓縮機能耗上升明顯,低壓泵能耗上升幅度較小,高壓泵和海水泵能耗下降幅度較小,系統能耗增加。物料比下降明顯,且下降程度隨壓力升高而減緩。

分析高壓泵出口壓力對再冷凝工藝的影響,維持BOG產量、壓縮機出口壓力、LNG外輸量不變,高壓泵出口壓力從5 MPa增加到8 MPa,系統各設備能耗及物料比見圖4。

圖4 高壓泵出口壓力對設備能耗及物料比的影響曲線圖Fig.4 Impact of high-pressure pump outlet pressure on equipments energy consumption and material ratio

隨著高壓泵出口壓力上升,高壓泵能耗上升明顯,海水泵能耗下降幅度較小,壓縮機、低壓泵能耗基本不變,系統能耗近似線性增加,高壓泵出口壓力每增加250 kPa,系統能耗增加37 kW左右。物料比維持在7.80左右,與壓縮機出口壓力650 kPa時的其它工況基本一致。

通過再冷凝工藝能耗影響因素分析,壓縮機能耗在系統能耗中占比大,且在BOG產量變化和壓縮機出口壓力變化時,壓縮機能耗變化最明顯,只在高壓泵出口壓力上升時,壓縮機能耗基本不變,但對于特定接收站,NG外輸壓力決定了高壓泵出口壓力基本恒定,因而該工況發生變化的可能性很小,因此降低壓縮機能耗成為降低系統能耗的關鍵。

2 預冷式-二級壓縮BOG再冷凝工藝

2.1 工藝優化方案

預冷式-二級壓縮BOG再冷凝工藝優化目標以降低系統能耗為主,以增加穩定性、提高回收率為輔。由上文可知,降低壓縮機能耗是系統節能的關鍵,而壓比和流量決定壓縮機能耗。實際運行中,為滿足物料比和BOG回收率指標,再冷凝器操作壓力及BOG匯管壓力基本不變,即壓縮機總壓比基本不變。因此采取多級壓縮,通過降低壓縮機進出口比焓差值降低能耗,根據多級壓縮再液化研究,系統級數越多則能耗越小,但隨著系統級數增加,節能效果下降,同時設備投資大幅上升,LNG接收站物料比≤15時,二階節能效果最顯著[16-18]。

多級壓縮降低壓縮機能耗的同時,大幅增加再冷凝工藝物料比,導致系統穩定性下降,LNG冷能損失增大,最小外輸量增大,再冷凝系統操作性變差[19-20]。對于一級再冷凝器,由于一級壓縮機壓比降低,出口溫度上升至 -80℃ 左右,冷凝股LNG流量大幅增加,部分工況物料比>15。目前接收站冷能利用不充分,考慮LNG蓄冷能達830～860 MJ/t[21],在一級壓縮機后設置一臺預冷換熱器，利用LNG預冷BOG,降低工藝物料比,完成預冷的LNG進入ORV氣化外輸。二級壓縮機出口壓力較大,溫度降低至 -100℃ 左右,預冷作用較低,因此不在二級壓縮機出口設置預冷換熱器,預冷式-二級壓縮BOG再冷凝工藝流程見圖5。

新工藝流程為接收站產生的BOG經一級壓縮機增壓后進入預冷換熱器,與高壓泵外輸LNG換熱使BOG溫度降至-120℃,BOG-107進入一級再冷凝器與來自LNG儲罐的過冷LNG混合液化,一級再冷凝器出口LNG經穩壓泵流向高壓泵,穩壓泵的作用為調節LNG-210壓力與LNG-212壓力相同,從而緩解高壓泵運行波動。在一級再冷凝器中未液化的BOG經二級壓縮機增壓后進入二級再冷凝器,與來自LNG儲罐的過冷LNG混合完全液化,二級再冷凝器出口LNG流向高壓泵。高壓泵出口LNG分兩股,一股進入預冷換熱器與BOG完成熱交換后,進入ORV氣化外輸,另一股直接進入ORV氣化外輸。氣化外輸核心設備為ORV,使用海水泵將海水泵送至ORV與LNG換熱,使得LNG氣化為NG外輸至用戶,海水換熱后排入大海。

圖5 預冷式-二級壓縮BOG再冷凝工藝流程圖Fig.5 Pre-cooling two stage compression BOG recondensing process

注:K表示壓縮機;E表示換熱器;LP表示低壓泵;RP表示穩壓泵;HP表示高壓泵;SP表示海水泵;S表示緩沖罐;V表示再冷凝器。

2.2 工藝能耗分析

新工藝首先確定最佳壓比,壓縮機經濟壓比為1.5～3.5,最佳壓比為系統能耗最低時一級壓縮機壓比。以系統能耗為目標函數,取LNG典型工況運行參數,一級壓縮機不同壓比時系統能耗見圖6。

圖6 一級壓縮機不同壓比時系統能耗圖Fig.6 Energy consumption diagram of the one stage compressor at different pressure ratios

從能耗最低角度分析,為加快BOG液化,應提高一級壓縮機壓比。由于二級壓縮機物流小于一級壓縮機物流,應降低一級壓縮機壓比,因此最佳壓比應在1.5～3.5中間。由圖6可知,一級壓縮機壓比為2.6時,系統能耗最低(為2 077.50 kW/h),相比原工藝節能8.26 %。

二級再冷凝器操作壓力分別為800 kPa和1 000 kPa時,計算一級壓縮機最佳壓比,一級壓縮機最佳壓比見圖7,并與圖6能耗數據對比,得到不同操作壓力下新工藝節能效果,見表2。

圖7 二級再冷凝器不同操作壓力下最佳壓比圖Fig.7 Optimum pressure ratio of the secondary recondenser at different operating pressures

表2 不同操作壓力下新工藝節能效果表

Tab.2 Energy saving effect of the new process under different operating pressures

二級再冷凝器操作壓力/kPa原工藝/kW新工藝/kW節能效果/(%)6502 264.472 077.508.268002 326.002 080.3310.561 0002 395.302 083.5413.02

二級再冷凝器操作壓力不同時,一級壓縮機最佳壓比都在2.6附近。當一級壓縮機壓比≤2.6時,不同操作壓力對系統能耗影響較大,當一級壓縮機壓比>2.6時,系統能耗比較接近。因為一級壓縮機壓比較低時,需要大量冷凝LNG液化BOG,由于冷凝LNG流量受物料比的限制,大量未液化的BOG進入二級壓縮機,導致二級再冷凝器操作壓力對系統能耗影響較大。

BOG產量受外輸量以及是否卸船影響很大,卸船最小外輸時BOG產量可達非卸船工況下的2～3倍。在二級再冷凝器操作壓力為800 kPa,一級壓縮機壓比為2.6時,分別計算BOG產量12 t/h、LNG外輸量180 t/h時系統各設備能耗,以及BOG產量為20 t/h、LNG外輸量為260 t/h時系統各設備能耗,新工藝與原工藝設備能耗對比見表3。

表3 新工藝與原工藝設備能耗對比表

Tab.3 Comparison of equipments energy consumption between new process and original process (kW·h-1)

BOG產量12 t/h時能耗為2 305.48 kW/h,相比原工藝節能12.74 %。BOG產量20 t/h時能耗為3 447.48 kW/h,相比原工藝節能14.04 %。可以推斷,隨BOG產量及LNG外輸量增大,節能效果更佳。

BOG產量20 t/h時,相比原工藝,壓縮機節能46.72 %,低壓泵能耗節能72.28 %,新增穩壓泵能耗3.60 kW,高壓泵能耗增加6.37 %,海水泵能耗增加1.21 %,新工藝節能設備為壓縮機和低壓泵,高壓泵和海水泵能耗較小幅度上升,該工況下再冷凝系統關鍵節點參數見表4。

表4 再冷凝系統關鍵節點參數表

Tab.4 Key nodes parameters of recondensing system

節點氣液比溫度/℃壓力/kPa流量/(kg·h-1)基本組分摩爾分數/(%)C1C2C3iC4nC4N2BOG1-132.2114.020 0000.970 80.000 60.000 00.000 00.000 00.028 6LNG0-160.4119.0260 0000.963 00.025 90.004 90.001 20.001 00.004 0BOG-1041-80.8296.410 0000.970 80.000 60.000 00.000 00.000 00.028 6BOG-1071-120.0286.320 0000.970 80.000 60.000 00.000 00.000 00.028 6BOG-1091-148.0286.33 3900.924 20.000 10.000 00.000 00.000 00.075 6BOG-1121-97.8800.01 6950.924 20.000 10.000 00.000 00.000 00.075 6LNG-2020-160.3286.3216 2400.963 00.025 90.004 90.001 20.001 00.004 0LNG-2080-148.0286.3232 8500.964 20.024 00.004 50.001 10.001 00.005 1LNG-2110-160.3296.453 1580.963 00.025 90.004 90.001 20.001 00.004 0LNG-2140-150.2296.456 5480.960 70.024 30.004 60.001 10.001 00.008 2LNG-2190-148.0296.4280 0000.963 60.024 00.004 50.001 10.001 00.005 8NG12.07 400.0280 0000.963 60.024 00.004 50.001 10.001 00.005 8

3 新工藝優化分析

3.1 節能分析

對于壓縮機,兩級壓縮使大部分BOG在較低操作壓力下液化,意味著大部分BOG降低了增壓過程比焓差。二次液化雖然二級壓縮機出口壓力較高,但因未液化BOG流量較小,因而能耗較低。其次,新工藝設置了預冷換熱器,BOG從一級壓縮機排出后經過LNG換熱,BOG比焓值降低更易液化。

對于低壓泵,為了保證再冷凝器運行穩定,原工藝低壓泵出口壓力與壓縮機出口壓力相同,當壓縮機壓比升高時,低壓泵能耗相應提升,新工藝采用多級壓縮,一級壓縮機壓比小于原工藝壓縮機壓比,低壓泵能耗相應降低。

3.2 穩定性分析

預冷換熱器充分利用外輸LNG冷能,對一級壓縮機出口BOG預冷降溫,有效解決多級壓縮物料比偏高問題,提高工藝穩定性。高壓泵高效穩定運行是整個LNG接收站正常運行的關鍵,設置穩壓泵可有效緩解多股物流進入高壓泵產生的波動,提高工藝穩定性。對于二級再冷凝器,一級再冷凝器起到緩沖罐的作用,降低壓力波動造成的影響,提高穩定性。

4 結論

本文提出預冷式-二級壓縮BOG再冷凝工藝,通過降低一級壓縮機壓比和預冷BOG降低系統能耗并提高系統穩定性,使用ASPEN-HYSYS模擬LNG接收站再冷凝工藝流程,研究得出:

1)在接收站現場典型工況下,新工藝節能8.26 %。隨著BOG產量增加,新工藝節能效果更佳,最大節能14.04 %,因此新工藝更適合BOG處理量大的接收站。

2)原工藝再冷凝器操作壓力上升會大幅提高系統能耗,新工藝再冷凝器操作壓力上升系統能耗增加較小,因此新工藝更適合再冷凝器操作壓力較高的接收站。

3)新工藝設置預冷換熱器將BOG溫度降低至-120 ℃,降低工藝物料比,提高系統穩定性。同時設置穩壓泵利于高壓泵高效穩定運行,提高系統穩定性,因此新工藝更適合工況波動較大的接收站。