LNG接收站的BOG控制技術(shù)

謝淑賢 葛 晨 張旭平 徐瑞峰

（山東中車同力鋼構(gòu)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

1 BOG控制和回收工藝在LNG儲(chǔ)運(yùn)中的重要性

隨著全球工業(yè)化的進(jìn)程，各國面臨石油和煤炭資源短缺、環(huán)境污染等問題，目前我國將“可持續(xù)發(fā)展”作為基本國策，調(diào)整我國能源結(jié)構(gòu)，其中加快液化天然氣LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是改善環(huán)境質(zhì)量和調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的有效措施之一。我國已經(jīng)逐漸形成完整的LNG 產(chǎn)業(yè)鏈，目前在罐箱設(shè)計(jì)制造、交通運(yùn)輸組織、接收站設(shè)施、應(yīng)急預(yù)案等方面已有較為完整的體系，LNG 儲(chǔ)罐、LNG 船舶、LNG 罐車等儲(chǔ)運(yùn)工具應(yīng)用較為廣泛。但由于LNG 的低溫特性，在LNG 船卸船時(shí)LNG 儲(chǔ)罐體積和壓力的變化、LNG 儲(chǔ)罐和管路漏熱等，不可避免地產(chǎn)生CH4蒸發(fā)氣BOG[1-2]，目前措施能將大部分BOG 經(jīng)工藝處理再回收，仍有一部分只能直接排進(jìn)大氣，而CH4是一種溫室效應(yīng)很強(qiáng)的氣體，其溫室效應(yīng)系數(shù)為CO2的21 倍[3]，不僅造成資源浪費(fèi)，還造成環(huán)境污染和安全隱患，所以BOG 的控制與回收技術(shù)對LNG 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，

目前我國LNG 接收站的BOG 控制和回收工藝研發(fā)相對完善[4]，但是核心技術(shù)仍有發(fā)展空間，因此亟需在工藝設(shè)計(jì)、過程控制等方面進(jìn)一步加強(qiáng)研究，提高我國在該領(lǐng)域的核心競爭力。該文以LNG 接收站為分析對象，對BOG控制和回收工藝研究和分析，不僅能夠提高LNG 產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，提高接收站運(yùn)行的安全性，節(jié)能環(huán)保、降低供銷氣差率差，為LNG 加氣站[5]和LNG 交通運(yùn)輸設(shè)備的BOG控制提供參考和借鑒依據(jù)。

2 BOG控制與回收系統(tǒng)

據(jù)分析可知接收站的熱量來源主要來自2 個(gè)部分。1）由于熱泄漏外界熱量進(jìn)入接收站的低溫系統(tǒng)。2）設(shè)備正常運(yùn)行期間自身產(chǎn)生的熱量輸入。其主要原因是外界熱滲入或能量輸入，例如機(jī)械泵運(yùn)轉(zhuǎn)、外界熱量的導(dǎo)入、大氣壓變化以及環(huán)境的影響，LNG 注入儲(chǔ)罐時(shí)造成罐內(nèi)LNG 體積氣相容積的變化，以及裝車、裝船作業(yè)過程中的蒸氣產(chǎn)生與返回等。產(chǎn)生的BOG 蒸發(fā)氣最終在LNG 儲(chǔ)罐中聚集，需要通過BOG 蒸發(fā)氣控制與回收系統(tǒng)進(jìn)行處理，以保證LNG儲(chǔ)罐的正常運(yùn)行。下面以某LNG 接收站為例，來介紹BOG回收控制與回收系統(tǒng)。

2.1 控制系統(tǒng)的組成

BOG 回收控制與回收系統(tǒng)的主要設(shè)備組成為BOG 壓縮機(jī)、BOG 壓縮機(jī)入口分液罐 、低壓排放罐、BOG 直接回收系統(tǒng)成套包、再冷凝器以及BOG 減溫器。BOG 減溫器主要用于進(jìn)入BOG 壓縮機(jī)的氣體降溫，保證溫度在-95℃以下。減溫器由控制閥和霧化噴嘴組成，可以向壓縮機(jī)吸入側(cè)的蒸發(fā)氣管線中注入來自低壓LNG 管線的液化天然氣，通過此方式對BOG 進(jìn)行降溫。BOG 壓縮機(jī)入口分液罐是用于除去液化天然氣液體和流入壓縮機(jī)吸入口的蒸氣滴液，產(chǎn)生蒸發(fā)氣滴液的主要原因有2 個(gè)。1）吸入側(cè)減溫器操作不當(dāng)。2）液化天然氣從BOG 總管流入入口分液罐。在正常操作的工況下，分液罐中的LNG 液體通過底部出口流入低壓排放罐。低壓排放罐的主要作用是收集BOG 壓縮機(jī)入口分液罐中排放的LNG 和檢修時(shí)收集低壓、高壓系統(tǒng)排盡的LNG。正常操作時(shí)，排放罐與入口分液罐連通，而后與BOG 總管連通，當(dāng)罐中液位達(dá)到一定高度，給出報(bào)警提示，然后切斷減溫器，開啟常溫壓縮機(jī)。

BOG 壓縮機(jī)的作用是對BOG 進(jìn)行壓縮回收，常見的是兩級往復(fù)式壓縮機(jī)，其處理能力可按0%、25%、50%、75%及100%的遞增值調(diào)節(jié)。BOG 壓縮機(jī)工作原理是通過抽出儲(chǔ)罐內(nèi)的蒸發(fā)氣的方式來調(diào)節(jié)LNG 儲(chǔ)罐的壓力。可采用自動(dòng)方式或手動(dòng)方式調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的處理模式，從而控制儲(chǔ)罐的壓力。

BOG 直接回收系統(tǒng)成套包，其主要作用是在無外輸或者外輸流量很小的工況下，把經(jīng)BOG 壓縮機(jī)壓縮后的蒸發(fā)氣進(jìn)一步增壓，而后外輸。設(shè)置該系統(tǒng)主要是因?yàn)樵诮邮照具\(yùn)行初期，外輸量可能很低甚至長時(shí)間無外輸，此時(shí)LNG流量不能將產(chǎn)生的BOG 蒸發(fā)氣完全冷凝，多余的BOG 只能排入火炬，進(jìn)行燃燒處理。

再冷凝器是對壓縮后的蒸發(fā)氣BOG 進(jìn)行冷凝處理。剛開始投入使用時(shí)，一般會(huì)配置流量比例控制系統(tǒng)，根據(jù)再冷凝BOG 的量來控制再冷凝器頂端的過冷LNG 噴淋量。再冷凝器設(shè)有高、低壓力保護(hù)和高、低液位保護(hù)2 個(gè)措施。在外輸量較低時(shí)，例如零輸出操作狀態(tài)，再冷凝器不能將壓縮后的蒸發(fā)氣體完全冷凝下來，此時(shí)BOG 將通過高壓壓縮機(jī)壓縮后外輸，再冷凝器保冷產(chǎn)出的BOG 將排放去BOG總管。

2.2 控制系統(tǒng)運(yùn)行的過程

圖1 蒸發(fā)氣總管內(nèi)3 種方式蒸發(fā)氣的收集流程

目前處理蒸發(fā)氣總管內(nèi)收集的蒸發(fā)氣主要有3 種方式，如圖1 所示，首先可以將其送回LNG 船，以保持LNG船艙內(nèi)的操作壓力。其次可以送至BOG 壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮后輸送到再冷凝器冷凝。最后在接收站運(yùn)行初期可以經(jīng)BOG 壓縮機(jī)及直接回收系統(tǒng)成套包相繼加壓后直接外輸，該種情況通常外輸量小，沒有足夠的LNG 來冷凝回收產(chǎn)生的BOG，此時(shí)主要通過該方法回收BOG。

LNG 接收站在卸船操作時(shí)產(chǎn)生蒸發(fā)氣的量遠(yuǎn)大于無卸船操作時(shí)產(chǎn)生的蒸發(fā)氣，其處理方式也分別有相應(yīng)的措施。卸船時(shí)，部分BOG 通過氣體返回臂及相關(guān)管線返回到船艙，主要是為了保持LNG 運(yùn)輸船船艙所需壓力。卸料期間，通過壓力控制器來控制回流BOG 的壓力，儲(chǔ)罐操作壓力必須高于LNG 船的操作壓力，以便氣體從儲(chǔ)罐直接返回LNG 船。部分未返回LNG 運(yùn)輸船的蒸發(fā)氣經(jīng)壓縮后引至再冷凝器。裝船時(shí)，液體置換和漏熱產(chǎn)生的BOG 蒸發(fā)氣，則是通過氣體返回臂及相關(guān)管線返回BOG 控制系統(tǒng)。

接收站通過主要是由BOG 壓縮機(jī)和再冷凝器來處理蒸發(fā)氣。壓縮機(jī)通過逐級調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的壓縮能力來實(shí)現(xiàn)流量控制，其壓縮能力主要是通過儲(chǔ)罐的壓力來調(diào)節(jié)。為防止壓縮機(jī)進(jìn)出口部分溫度過高的情況，可輸送適量氣體到壓縮機(jī)前的BOG 減溫器對BOG 進(jìn)行降溫，而后再輸入壓縮機(jī)。在壓縮機(jī)的吸入管線溫度高于-95 ℃和較低負(fù)荷下運(yùn)行的工況下都能正常工作。經(jīng)減溫器處理后的LNG 先到入口分液罐中分離，分離后排入低壓排放罐，當(dāng)液位達(dá)到一定高度后，用N2把LNG 壓送到LNG 低壓排放總管。

BOG 壓縮機(jī)操作模式可分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制2 種。在自動(dòng)操作模式下，通過一個(gè)總的壓力控制器選取壓力最高的LNG 儲(chǔ)罐的壓力來控制壓縮機(jī)，該壓力控制器可自動(dòng)確定運(yùn)行BOG 壓縮機(jī)以及自動(dòng)選擇BOG 壓縮機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷等級。手動(dòng)控制模式是操作人員選擇壓縮機(jī)運(yùn)行負(fù)荷等級，儲(chǔ)罐壓力為主要選擇依據(jù)。當(dāng)BOG 流量過大時(shí)，超過了壓縮機(jī)和再冷凝器的處理能力時(shí)，儲(chǔ)罐和BOG 總管的壓力會(huì)增高，增高到一定數(shù)值，多余部分的BOG 將會(huì)排至火炬系統(tǒng)。

再冷凝器由2 個(gè)部分組成，分別為填料段和緩沖段，上部的填料段主要作用是使被壓縮的蒸發(fā)氣BOG 與過冷LNG充分接觸后完全冷凝，下部緩沖段主要是高壓輸送提供緩沖作用。部分未進(jìn)入冷凝器的部分通過旁路與冷凝的BOG 混合后進(jìn)入高壓輸送泵，旁路不僅有收集剩余氣體的功效，還作為再冷凝器檢修時(shí)的備用通道，以保證LNG 接收站外輸?shù)恼＿M(jìn)行。

2.3 控制系統(tǒng)BOG運(yùn)行工況

接收站正常運(yùn)行期間可能出現(xiàn)BOG 的處理工況主要有4種。1）罐內(nèi)低壓泵停止運(yùn)行。2）接收站“零外輸”和外輸需求量很小。3）氣化器短時(shí)間內(nèi)停止運(yùn)行。4）正常、高外輸需求量下的操作模式。上述操作工況下BOG 處理系統(tǒng)有4個(gè)處理原則。1）當(dāng)所有低壓泵都停止運(yùn)行時(shí)，中斷了再冷凝器頂部的LNG 噴淋，同時(shí)也中斷了高壓輸送泵的原料來源。該種工況主要在接收站長期停車的情況下才會(huì)出現(xiàn)，此時(shí)產(chǎn)生BOG 氣體通過啟動(dòng)常溫壓縮機(jī)進(jìn)行處理。2）接收站處于“零外輸”時(shí)，此時(shí)主要工作為LNG 儲(chǔ)罐的循環(huán)保冷，“零外輸”模式下，系統(tǒng)產(chǎn)生的多余BOG 通過啟動(dòng)常溫壓縮機(jī)方式處理。3）在氣化器短期停止運(yùn)行時(shí)，此時(shí)應(yīng)保證至少一臺(tái)高壓輸送泵運(yùn)行，將一定量的LNG 進(jìn)行氣化，保證LNG 儲(chǔ)罐的正常工作壓力，若產(chǎn)生過多BOG 氣體，將進(jìn)行壓縮和再冷凝處理。4）接收站正常運(yùn)行期間，屬于正常、高外輸需求量模式，BOG 壓縮機(jī)和再冷凝器處理產(chǎn)生的LNG 量遠(yuǎn)小于高壓外輸?shù)男枨蟆?/p>

3 結(jié)語

蒸發(fā)氣（BOG）控制與回收系統(tǒng)主要是通過完全回收接收站正常運(yùn)行期間產(chǎn)生的蒸發(fā)氣體，以維持儲(chǔ)罐的壓力和BOG收集系統(tǒng)在一個(gè)正常的工作壓力范圍內(nèi)。近年來，我國LNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但是BOG 的控制與回收工藝發(fā)展尚未完善，制約了LNG 產(chǎn)業(yè)全方面發(fā)展，特別是LNG 罐箱鐵路運(yùn)輸尚為空白，且發(fā)展空間巨大，預(yù)計(jì)2020 年我國LNG 工廠產(chǎn)量約為1 670×104t[5]，因此BOG 控制與回收工藝的發(fā)展與優(yōu)化對我國LNG 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有極其重要的意義。