中國石化天津LNG接收站BOG回收工藝系統研究

王保慶（中石化天津液化天然氣有限責任公司，天津300457）

0 引言

天津LNG 接收站一期工程已于2018 年2 月投產，二期擴建工程建設工作已全面啟動，計劃2024年建成達產。擴建工程建設完成后，LNG 接收站整個站場規模達1080x104t/a，供氣能力達126×108m3/a,汽車裝車能力達180x104t/a。LNG 在接卸、儲存、生產及運輸過程中，因環境熱量的流入、裝卸船過程中的體積置換、閃蒸以及大氣壓力的變化等因素，導致相當部分的液化天然氣氣化[1]。這部分蒸發氣(BOG)會引起LNG儲罐、工藝設備和工藝管網壓力升高，進而引發事故，需要及時引出處理。本文結合天津LNG 接收站工藝實際，介紹項目BOG 產生的機理回收常用的直接壓縮工藝、再冷凝工藝為基礎進行對比，并結合工藝技術的發展相撞，選擇合理的工藝技術方案。

1 BOG產生量計算

LNG在生產及運輸過程中環境熱量的流入、裝卸船過程中的體積置換、閃蒸以及大氣壓力的變化等因素，導致相當部分的液化天然氣氣化。生產過程中BOG主要來熱量的流入，裝卸船過程中的體積置換和閃蒸，溫差和壓差的變化[2]。

1.1 單臺LNG儲罐BOG量

1）熱量吸收產生的BOG量：

外部環境向LNG儲罐內不斷傳遞熱量，儲罐內LNG吸收熱量后氣化。通常為了安全，選擇一年中溫度最高的夏季一晝夜的平均吸熱量作為計算標準，采用公式(1)計算BOG量：

qm,1=F/r（1）

式中：qm,1--從環境正常吸熱產生的BOG量，kg/h

F--LNG高液位(滿液位的80%)下，最熱晝夜從環境的正常平均吸熱量，kJ/h

r--LNG的氣化潛熱，kJ/kg

2)大氣壓力下降產生的BOG量：

LNG 儲罐一般都裝有自動泄壓裝置。通過壓力表測量儲罐內的壓力，將數據反饋給控制單元，當壓力超過一定值時自動泄壓以維持儲罐的穩定運行[2]。由于大氣壓力下降而引起的這部分BOG量可用以下公式(2)進行估算：

式中:qm,2--由于大氣壓力下降產生的BOG量，kg/h

qm,G--氣壓下降直接排空的BOG量，kg/h

qm,L--LNG液面過熱產生的BOG量，kg/h

VT--儲罐的氣相空間體積，m3

ρNG--泄放時天然氣的密度，kg/m3

qm,L--外界大氣壓變化時段內的大氣壓最低壓力，Pa

△Pmax--外界大氣壓變化時段內大氣壓的最大變化率，Pa/h

qm,X--低液位(滿液位的20%)下從環境吸熱產生的BOG量，kg/h

P1--外界大氣壓變化時段內1h內的大氣壓最大變化量，Pa

P2--滿液位下對應的氣液界面壓力，Pa

AL--氣液界面面積，m2

3）單臺機泵散發熱量產生的BOG量：

LNG泵在工作過程中會消耗電能，其中一部分電能會轉化為熱能被LNG吸收，由此產生的BOG量按計算公式(3)計算：

式中:qm,3——吸收LNG泵電能轉化的熱量產生的BOG量，kg/h

L——散熱系數

P——LNG泵的額定功率，kW

4)卸料過程的容積置換產生的BOG量：

體積置換指的是隨著LNG 來液的增加，儲罐中的空間被LNG 所填充，使得氣相空間縮小，為維持儲罐的微正壓，部分BOG被擠出儲罐。依據其定義，體積置換產生的BOG量可用公式(4)進行計算：

式中:qm,4——吸收LNG泵電能轉化的熱量產生的BOG量，kg/h

vF——LNG充裝速率，m3/h

5）LNG儲罐BOG產生總量

qm,5i=qm,1+qm,2+qm,3×nP+ qm,4

式中:qm,5--LNG儲罐區產生的BOG量，kg/h

qm,5i—第i臺儲罐產生的BOG量，kg/h

nP--單臺儲罐館內泵的運行數量，臺

1.2 槽車裝運產生的BOG量

LNG槽車裝運過程中，由于槽車罐槽吸熱、罐容置換、壓力變化引起BOG的產生，并通過裝車返回臂輸送至儲罐。

式中:qm,6--LNG槽車充裝站產生的BOG量，kg/h

qc--單臺槽車產生的BOG量，kg/h

nc--槽車充裝作業臺數，臺

1.3 LNG船舶卸船作業產生的BOG量

LNG槽車裝運過程中，由于槽車罐槽吸熱、罐容置換、壓力變化引起BOG的產生，并通過裝車返回臂輸送至儲罐。

式中:qm,7—卸船作業產生的BOG量，kg/h

qi—指i艘LNG船舶產生的BOG量，kg/h

1.4 天津LNG項目BOG總量計算結果

LNG接收站BOG回收系統的工藝配置過程中，系統最大負荷通常按各單元最高運行負荷計算，同時兼顧BOG 壓縮機和BOG運行負荷限制。表1 是不同工況下BOG總量計算值。

表1 不同工況下BOG總量計算表

2 天津LNG接收站BOG回收工藝系統

2.1 國內外工藝技術現狀

從國內外已建LNG接收站現狀，BOG處理方式主要有再冷凝、直接壓縮、返補真空、代替氮氣充填隔熱層、燃燒等多種形式[3]。當外輸量小無法提供足夠的冷能冷凝BOG時或接收站臨近區域有低壓天然氣用戶或城市低壓管網時，BOG增壓外輸較再冷凝更具節能和環保優勢；再冷凝工藝根據冷源供給有形成再冷凝增壓外輸、蓄冷式再冷凝和外加冷源再冷凝等不同形式。表2 是不同BOG回收工藝的優缺點。

圖1 BOG再冷凝工藝流程圖

表2 不同BOG回收工藝的優缺點

2.2 天津LNG接收站BOG系統工藝流程

根據天津LNG項目下游用戶用氣需求實際，全年外輸氣化負荷穩定，季節、月、日峰谷差小，所以本項目采用再冷凝增壓工藝方案。來自BOG 總管的低壓、低溫天然氣經BOG 壓縮機增壓后進入混合器，與部分低溫LNG混合，冷凝成低溫液體，經不凝汽分離罐分離出不凝汽，液體自分凝器底部進入高壓泵入口總管增壓氣化外輸，工藝流程見圖1。

2.3 主要設備

BOG 主要是由于外界能量的輸入產生的，如罐內泵運轉，外界熱量傳入，大氣壓變化、及卸船時LNG 送入儲罐時造成罐內LNG 體積的變化。為操作靈活，一期工程設置2 臺流量為9.9t/h（考慮10%的裕量）的BOG 壓縮機；擴建工程（二期）增加1 臺處理量為16.1 t/h 的BOG 壓縮機，滿足裝置BOG 最高負荷需求。當一臺壓縮機維修時，另兩臺壓縮機仍可維持無卸船或1座碼頭卸船期間的正常操作,因此不再配置備用壓縮機。

由于再冷凝設施核心涉筆采用了項目新開發的靜態混合器，全年的維修時段較少，不考慮備用。一期工程已設置1套處理能力為17.6t/h 的BOG 靜態混合再冷凝設施。二期工程增設1 套17.6t/h 靜態混合再冷凝設施，共2 臺。表3 是BOG 壓縮機配置及負荷分配情況。

表3 BOG壓縮機配置及負荷分配表

3 技術創新點

資料顯示國內外已建LNG 接收站的BOG 再冷凝器主要是填料塔式再冷凝器，BOG 與過冷的LNG 順流或逆流接觸，在填料層內被冷凝變為液體；填料一般為散堆填料或規整填料，設備體積大。本項目采用靜態混合再冷凝器來再冷凝BOG，BOG進入靜態混合器微孔管內，通過微孔分布產生微氣泡與部分低溫LNG 充分回合，迅速降溫冷凝；靜態混合器包括氣體分布段和混合段，氣體分布段采用316L不銹鋼粉末燒結微孔管束，混合段采用技術成熟SK 型靜態混合器；靜態混合器是一種沒有運動部件的高效混合設備，靜態混合器工作原理是利用固定在管內的混合單元改變流體在管內的流動狀態，達到BOG和過冷LNG 直接混合充分接觸冷凝的目的。表4 靜態混合器和塔式再冷凝器優缺點。

表4 靜態混合器和塔式再冷凝器優缺點

4 運行情況

項目一期工程于2018 年3 月BOG 靜態混合再冷凝器開始預冷、進料、調試和運行，BOG再冷凝器設備運行正常，未出現因卸船作業、氣化負荷等生產條件變化引起BOG壓縮機負荷調整，再冷凝系統壓力、液位快速大幅度波動并引發事故停機情況，BOG 得到全部回收[6]。表5 是BOG 再冷凝系統部分運行典型記錄。

表5 BOG再冷凝系統部分運行典型記錄表

表5第1至2項高負荷（卸船作業）和及3～6正常生產低負荷（非卸船作業）數據顯示，BOG和高壓LNG的流量和壓力較穩定，BOG再冷凝器的液氣質量比穩定，處理能力和設計值相當。

5 結語

通過項目一期工程實際運行檢驗證明，中國石化天津LNG接收站BOG回收工藝系統技術方案基本滿足了生產實際需要，系統運行穩定；靜態混合再冷凝器開發和應用克服了塔式再冷凝器負荷順勢變化引起運行工況急劇變化，導致系統連鎖停車等固有缺陷。靜態混合器作為LNG 接收站BOG 再冷凝核心設備的開發和工程應用在國內尚屬首次，工程實際運行時間短、復雜負載工況的出現記錄少，其可能存在的缺陷還需要長時間生產實踐驗證發現。考慮目前靜態混合再冷凝器在實際生產運行過程中表現出的較優越性能，在國內擬建、新建和改擴建LNG接收站項目中具有較好的應用前景和推廣價值。