蒸發氣回收利用技術在液化天然氣接收站中的應用現狀與進展

陳光銓

（廣東陽江海陵灣液化天然氣有限責任公司，陽江 529500）

隨著遠洋運輸逐步成為LNG國際貿易的主要手段，LNG接收站在相關產業鏈中的地位日漸突出。目前，我國已建成20余座LNG接收站[1]。由于LNG易受環境影響產生BOG，因此LNG接收站的經濟性和安全性顯得尤為重要。根據LNG接收站的具體系統與運行流程，并在此基礎上分析當下幾種主流解決BOG的回收利用技術，可以更好地了解LNG接收過程中存在的問題，進而對LNG接收站的未來發展作出規劃。

1 LNG接收站基本功能

LNG接收站的主要功能包括接收海外的LNG運輸船、儲存、再氣化以及將LNG輸送至用戶。因此，LNG接收站既是LNG遠洋運輸的終端，又是陸上天然氣源頭，是天然氣輸送的關鍵點。LNG接收站包括卸船、儲存、再氣化外輸、蒸發氣回收、燃料和火炬等系統。

1.1 LNG卸船系統

當運輸船與岸上建立聯系后，LNG卸船系統連接LNG卸料臂等設施開始卸載工作，系統實物圖如圖1所示。其中，卸料臂作為該系統的重要設備，一般選擇技術成熟、可靠性好的剛性卸料臂。目前，國內外已有300多套卸料臂用于實際工程。我國LNG卸料臂主要依靠進口，國產設備的研發尚需進一步驗證。

圖1 LNG接收站裝卸船

1.2 LNG儲存系統

LNG儲存系統主要由儲罐、低壓潛液泵等組成，如圖2所示。其中，儲罐材料常采用在低溫條件下仍具有良好金屬性能的9%Ni鋼材料[2]，工作溫度最低可達-196 ℃。低壓潛液泵是安裝在儲罐中的低溫工作離心泵，其功能是將罐內LNG加壓送至下游。目前，大連深藍泵業等公司已經研制出國產型LNG潛液泵，使我國基本擺脫了對進口設備的依賴。

圖2 LNG接收站儲罐

1.3 LNG再氣化外輸系統

LNG再氣化外輸系統主要包括高壓輸送泵、LNG氣化器等設備。LNG高壓輸送泵類似LNG儲存子系統中的低壓潛液泵，但是其揚程和輸出壓力遠大于低壓潛液泵，主要用于將LNG輸送至氣化器。氣化器主要分為開架式氣化器、中間介質式氣化器以及浸沒燃燒式氣化器。該系統主要起到調節天然氣輸出量的作用。

1.4 蒸發氣回收系統

蒸發氣回收系統主要包括蒸發氣壓縮機和再冷凝器等設備。作為系統的核心，BOG壓縮機通常采用往復活塞式壓縮機，主要由氣缸、活塞桿壓蓋、活塞桿、活塞、導向軸承、十字頭、連桿、曲軸、驅動端、非驅動端以及曲柄機構等組成[3]。BOG壓縮機同時配備有潤滑油、冷卻水等輔助系統。再冷凝器是將壓縮氣與儲罐輸送的低溫LNG混合冷凝。作為影響整個LNG接收站的關鍵系統，蒸發氣回收系統的性能影響著系統整體的經濟性和安全性。

1.5 燃料系統

燃料系統主要為系統能耗設備供能，如浸沒燃燒式氣化器。此外，燃料系統配備溫度監視、液位監視以及壓力監視等系統，會根據出口溫度在手動啟動和自動啟動兩種操作方式之間切換，以保證系統安全。

1.6 火炬系統

火炬系統往往在非正常操作與故障工況下，作為緊急處理系統投入運行，一般針對無保護系統的接收站。在超壓工況下，將部分氣體或液體投入火炬燃燒，以達到泄壓的目的。

2 LNG接收站工藝流程

接收站基本工藝流程，如圖3所示。陸上卸料臂將運輸船上LNG進行卸料，并通過管道送至儲罐。罐中的LNG分別經過低壓泵與高壓泵加壓后進入氣化器，并輸出至下游管網。此外，針對LNG氣化產生的BOG，接收站配備了BOG回收工藝流程。

圖3 LNG接收站流程圖

3 蒸發氣回收利用技術

為了提高系統安全性與經濟性，BOG需要進行回收處理。當下主流的BOG回收技術包括直接壓縮回收、再液化回收、壓縮與再液化結合回收、氮膨脹制冷回收以及混合冷劑液化回收等技術。

3.1 BOG直接壓縮技術

BOG直接壓縮技術利用壓縮機直接將蒸發氣加壓送至外輸管網。其中，BOG壓縮機與LNG泵為該技術的關鍵設備。該技術的優勢在于流程簡單，但隨著接收站容量的增加，壓縮機需處理的BOG量過多，導致回收過程能耗大幅度提高。因此，該技術不適用于大規模的LNG接收站。

3.2 再液化回收

再液化回收原理為蒸發氣經壓縮機加壓后輸送至再冷凝器，并經過低溫LNG進行冷卻。液化后的天然氣通過升壓泵和氣化器輸出。該技術能夠利用LNG自身的冷凝性進行液化回收，耗能低，但回收效果依賴儲罐LNG的輸出。當LNG存在輸出故障時，BOG的回收效果將大打折扣。

3.3 壓縮與再液化結合回收

該技術通過綜合BOG直接壓縮技術與再液化回收技術，形成當下LNG接收站的主流回收工藝[4]。一部分BOG經壓縮機加壓后直接輸送至外輸管網，剩余BOG按冷凝配比進入再冷凝回收路徑，經升壓再冷凝液化后回收LNG。與直接壓縮技術相比，該技術結合回收工藝，利用LNG自身冷能，降低了壓縮機煩人能耗。與再液化回收技術相比，該技術可以解決LNG出力波動帶來的回收不充分問題，避免了BOG空放和通過火炬系統燃燒的浪費問題，因此得到了廣泛應用。

3.4 氮膨脹制冷回收

除利用系統本身的低溫LNG進行BOG液化外，還可采用其他介質進行低溫冷卻。常見的方法為利用液氮進行低溫冷卻的氮膨脹制冷回收。典型的工藝流程為先將氮氣壓縮升壓，輸入BOG回收流程，氮氣依次經過冷卻換熱與再膨脹得到低溫氮氣，然后低溫氮氣通過換熱設備與BOG進行換熱使BOG液化回收BOG；而氮氣恢復至初始態還可以實現循環利用。為增強回收效果，逐漸形成了氮雙級、氮三級膨脹制冷回收技術。通過將氮氣多次壓縮、膨脹得到溫度更低的冷卻劑，可增強BOG回收效果。該技術的優勢在于氮氣作為制冷劑操作安全，制取方便，技術成熟，缺點在于工藝流程復雜，占地面積較大。

3.5 混合冷劑液化回收

與氮膨脹制冷回收類似，混合冷劑液化同樣利用其他冷卻劑進行BOG液化，其回收工藝由階式制冷發展而來。將階式工藝的純組分替換為含有碳氫化合物與N2等5種以上的多組分混合冷卻劑。利用混合組分中重組分先冷凝、輕組分后冷凝的特點，將天然氣在不同溫度等級下冷凝，得到含有不同冷量的LNG，從而實現BOG的液化回收。為了優化冷卻效果，LNG接收站還增加了添加預冷的混合冷劑液化和雙混合制冷液化工藝[5]。其中，雙混合制冷液化工藝具有高效、低成本、方便操作以及調節域較大的優勢。但是，該工藝的混合組分復雜，運行損耗明顯，僅適合大型LNG接收站。

4 結語

我國LNG接收站的BOG回收技術主要經歷了再液化技術到直接壓縮與再液化相結合回收的轉變。后者對BOG生成波動具有較強的魯棒性，具有可降低BOG壓縮機耗能、合理利用LNG冷能等特點，符合當下節能減排的要求。當下回收工藝的選擇需要考慮安全、環保等指標，根據每種技術的特點，綜合BOG生成量、LNG外輸量、投資回收期以及系統占地等具體因素進行選擇，以達到最合適的效果。

未來LNG接收站的BOG回收技術的發展方向為最大BOG回收率和最小能耗。具體可以分為以下幾個方向：（1）多種回收技術的結合研究發展，充分發揮各技術的特點，實現優勢互補；（2）單一技術的深度優化發展，使系統規模化、智能化；（3）關鍵設備與關鍵材料的國產化研發；（4）系統BOG生成量的精確求解計算與系統容量規劃的數學建模研究。