LNG接收站再冷凝器操作穩(wěn)定性影響因素分析

張德志

中海油石化工程有限公司 濟南 250101

液化天然氣(LNG)接收站受環(huán)境溫度、壓力、操作工況等條件變化產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣(BOG)，蒸發(fā)氣主要有直接加壓外輸[1]和再冷凝兩種處理工藝[2][3]。直接加壓外輸工藝是通過壓縮機將蒸發(fā)氣直接加壓后輸送至外輸天然氣管網(wǎng)；再冷凝工藝是將接收站內(nèi)產(chǎn)生的蒸發(fā)氣經(jīng)低溫壓縮機壓縮后，在再冷凝器中與過冷態(tài)[4]的低溫LNG直接接觸混合后液化，液化后的天然氣與低壓管道中的LNG一并進入高壓泵，經(jīng)高壓泵加壓、氣化器氣化后輸送至天然氣外輸管網(wǎng)。LNG接收站采用蒸發(fā)氣再冷凝的典型工藝流程見圖1。

再冷凝器作為再冷凝工藝中的核心設(shè)備之一，在整座接收站的運行中起到承上啟下的作用，既可以實現(xiàn)蒸發(fā)氣的再冷凝，又可以作為高壓泵的入口緩沖罐為高壓泵的平穩(wěn)運行提供緩沖作用。再冷凝器操作穩(wěn)定與否直接關(guān)系到整個再冷凝工藝及高壓外輸能否穩(wěn)定運行。

圖1 LNG接收站蒸發(fā)氣再冷凝典型工藝流程

1 操作穩(wěn)定性影響因素

再冷凝器主要的控制工藝參數(shù)為溫度、壓力、填料壓差和液位，其中壓力和液位是最主要的兩個控制參數(shù)，這兩個參數(shù)控制的穩(wěn)定程度直接影響整個再冷凝器所在系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，而且這兩個工藝參數(shù)之間也會相互影響。

再冷凝器操作的穩(wěn)定性受再冷凝器自身及外界的影響因素較多，影響因素總體可以分為兩大類：直接影響因素和間接影響因素。

1.1 直接影響因素

直接影響因素主要是指再冷凝器本體結(jié)構(gòu)及再冷凝器進、出物料的不平衡波動。

1.1.1 本體結(jié)構(gòu)影響

再冷凝器的結(jié)構(gòu)從功能上主要分為上、下兩半部分，上部筒體直徑一般小于下部直徑。再冷凝器上半部分主要設(shè)置分布器、填料(如Mellapak規(guī)整填料、拉西環(huán)散裝填料[5])，起到冷凝蒸發(fā)氣的作用；下半部分為無內(nèi)件空筒，主要起到液體緩沖的作用。再冷凝器通常有逆流操作和并流操作兩種：逆流操作(指噴淋LNG與壓縮BOG逆流操作)的再冷凝器在填料上部和下部分別設(shè)置液體分布器和氣體分布器；并流操作(指噴淋LNG與壓縮BOG并流操作)的再冷凝器僅在填料上部設(shè)置一個分布器。進入再冷凝器的LNG和蒸發(fā)氣經(jīng)均勻分布后在填料中接觸，蒸發(fā)氣冷凝成液體。

再冷凝器筒體及內(nèi)件設(shè)計的合理性直接影響再冷凝器的投資費用及運行的穩(wěn)定性[6]。上部筒體及內(nèi)件結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計要考慮各種可能存在的操作工況，尤其要考慮接收站在投入運行初期及遠期可能發(fā)生的蒸發(fā)氣處理量變化較大的工況，筒體及內(nèi)件結(jié)構(gòu)設(shè)計上的不合理將直接影響再冷凝器的蒸發(fā)氣冷凝效果；下部筒體尺寸如果偏小，當(dāng)再冷凝器進、出料量發(fā)生瞬時較大變化時，無法起到緩沖的作用，液位過高或過低均會造成系統(tǒng)停車，直接影響再冷凝器所在系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1.1.2 進、出物料的不平衡波動

進、出再冷凝器物料量的瞬時變化，直接影響整個再冷凝器的物料平衡，進而影響再冷凝器的壓力和液位的控制。再冷凝器正常投入運行過程中，可能發(fā)生的工況如下：

(1)蒸發(fā)氣進氣量變化

再冷凝器的正常進氣量取決于低壓BOG壓縮機的運行負荷。目前國內(nèi)LNG接收站絕大部分選用往復(fù)式壓縮機，且壓縮機一般設(shè)置25%、50%、75%、100%幾個運行負荷等級。以處理能力10t/h的壓縮機為例，每調(diào)整一級負荷等級，壓縮機的處理量變化2.5t/h，如此大的瞬時氣體負荷波動，如果LNG噴淋量不能以對應(yīng)的比例進行變化，必然會對再冷凝器的操作壓力產(chǎn)生影響[7][8]，操作壓力的變化也同時影響再冷凝器液位的穩(wěn)定性。因此，當(dāng)接收站進行壓縮機負荷調(diào)整時，應(yīng)逐級調(diào)節(jié)，不應(yīng)跨等級改變運行負荷。但是對于卸船工況，尤其是額定流量卸船期間，BOG產(chǎn)生量相對較大，需要增加壓縮機的運行臺數(shù)及運行負荷，此時可根據(jù)需要手動設(shè)定噴淋量，以應(yīng)對再冷凝器瞬間進氣量較大造成再冷凝器壓力的波動。

(2)頂部噴淋LNG量變化

正常操作工況下，再冷凝器頂部噴淋LNG進料量受再冷凝器蒸發(fā)氣進料量和再冷凝器頂部操作壓力及出料壓力的影響，LNG噴淋量和蒸發(fā)氣量需設(shè)置一定的比例，即液氣比[7]，液氣比數(shù)值可根據(jù)蒸發(fā)氣量及LNG物性進行適當(dāng)調(diào)整。在液氣比調(diào)整的過程中，容易造成噴淋LNG進料量的不穩(wěn)定變化，再冷凝器操作壓力發(fā)生較大波動，影響再冷凝器操作壓力的穩(wěn)定性，也會對再冷凝器液位造成一定程度的影響。

楊信一[5]根據(jù)唐山LNG接收站的運行數(shù)據(jù)，考慮BOG進氣溫度及再冷凝器出口壓力對液氣比的影響，擬合得出了液氣比的經(jīng)驗公式，經(jīng)驗證，計算數(shù)據(jù)與實際運行數(shù)據(jù)偏差較小，提高了唐山LNG接收站的自動化控制水平。但經(jīng)驗公式的擬合與接收站的實際控制邏輯、運行情況有直接關(guān)系，對其他接收站需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整，同時需要考慮再冷凝器操作壓力對液氣比的影響。

(3)高壓補氣量變化

再冷凝器設(shè)置高壓補氣管線，氣源為接收站外輸高壓天然氣。當(dāng)再冷凝器操作壓力下降時首先可通過降低LNG噴淋量維持操作壓力，當(dāng)壓力無法穩(wěn)定繼續(xù)降低時，需要開啟高壓補氣閥將再冷凝器的操作壓力恢復(fù)至正常操作范圍。當(dāng)高壓補氣閥因故障開啟或調(diào)節(jié)過程中控制不穩(wěn)定，容易造成大量高壓的天然氣進入再冷凝器，使再冷凝器壓力快速上升，影響再冷凝器操作壓力的穩(wěn)定性，同時因再冷凝器頂部與出料壓差變大，影響再冷凝器液位的穩(wěn)定性，王雪穎等[9]結(jié)合江蘇LNG運行數(shù)據(jù)，提出了將再冷凝器頂部和底部壓差控制在0.05MPa以下的建議。但是不同接收站再冷凝器的尺寸不同，此壓差控制值應(yīng)根據(jù)實際再冷凝器尺寸進行設(shè)定。同時需要對內(nèi)件(液體分布器、填料)上、下部的壓差進行監(jiān)控，以防內(nèi)件損壞，影響再冷凝器的正常運行。

(4)底部LNG進料量變化

再冷凝器除設(shè)置頂部噴淋LNG管線外，還在底部設(shè)置旁路LNG管線，部分LNG接收站再冷凝還同時設(shè)置底部筒體進料管線用于調(diào)節(jié)液位。旁路LNG管線與再冷凝器底部出料管線相連，旁路管線流量可根據(jù)再冷凝器液位及/或再冷凝器出料壓力進行調(diào)節(jié)。再冷凝器各LNG管線上調(diào)節(jié)閥控制的穩(wěn)定性均會直接影響再冷凝器進料量的穩(wěn)定性，進而影響再冷凝器液位的穩(wěn)定性。

(5)頂部排氣量變化

再冷凝器頂部設(shè)置排氣管線及調(diào)節(jié)閥，當(dāng)再冷凝器操作壓力較高時，通過控制頂部排氣閥開度，將氣體排放至BOG系統(tǒng)或火炬系統(tǒng)。調(diào)節(jié)閥故障開啟或控制過程中如果開度過大，會使再冷凝器泄壓過快，壓力下降速率較快，影響再冷凝器操作壓力的穩(wěn)定性。

(6)安全閥故障開啟

再冷凝器作為壓力容器需要配置安全閥，且一般設(shè)置兩套(一開一備)，安全閥若設(shè)定不當(dāng)或故障工況下發(fā)生漏氣，會造成再冷凝器持續(xù)泄壓排氣，影響操作壓力的穩(wěn)定性。

(7)高壓泵啟/停操作

LNG接收站需要根據(jù)外輸天然氣量的變化要求適時調(diào)整高壓泵及氣化器的投用數(shù)量及運行負荷，高壓泵的快速啟動或關(guān)停操作會造成再冷凝器出料量的較大波動，容易造成再冷凝器液位及出料壓力快速波動，影響液位的穩(wěn)定性。

李昭新等[8]介紹了上海LNG的設(shè)計思路，即將高壓泵出口閥門設(shè)計成可調(diào)開度的球閥，啟/停高壓泵時，可以緩慢調(diào)整高壓泵流量，實現(xiàn)再冷凝器出口流量的平穩(wěn)變化，減小對再冷凝器液位的波動影響。胡澤安等[10]參照某LNG接收站運行數(shù)據(jù)，通過仿真模擬，研究了不同外輸量下再冷凝器臨界液位數(shù)據(jù)；鄧勵強等[11]利用中山大學(xué)-BP液化天然氣仿真平臺對某接收站再冷凝器系統(tǒng)進行動態(tài)仿真模擬，模擬泵組啟/停操作對再冷凝器穩(wěn)定控制的影響，根據(jù)模擬結(jié)果給出了低壓泵和高壓泵啟/停極限間隔時間要求，為生產(chǎn)運行提供了指導(dǎo)。但是，對于不同的接收站，其總體布置不同，高、低壓泵之間的相對距離不同，天然氣外輸需求也不盡相同，因此，應(yīng)根據(jù)接收站各自的運行情況，不斷進行經(jīng)驗摸索，找到適合的高壓泵操作方法。

(8)高壓泵回流

為維持高壓泵的穩(wěn)定運行，設(shè)置高壓回流管線，回流管線一般設(shè)置兩個去向：再冷凝器和LNG儲罐。當(dāng)高壓、較高溫度的LNG直接回流至再冷凝器時，LNG會發(fā)生閃蒸，產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣，造成再冷凝器壓力迅速升高，影響再冷凝器操作的穩(wěn)定性。因此，建議盡量將高壓泵回流引至儲罐，因儲罐及BOG系統(tǒng)空間較大，可以有效緩沖閃蒸氣，避免對再冷凝器壓力造成直接的影響。

(9)高壓泵入口過濾器堵塞

接收站冬季的外輸量相對較大，接卸船頻率較高，當(dāng)接卸密度較高的LNG時，LNG中的重?zé)N如丁烷、戊烷容易在高壓泵入口過濾器處凝結(jié)發(fā)生堵塞現(xiàn)象[9]，直接影響再冷凝器的出料量及高壓泵入口壓力的穩(wěn)定性[12][13]，影響再冷凝器液位穩(wěn)定性，進而影響高壓外輸氣的流量，如果不能及時排查處理，高壓泵入口壓力過低可能會造成高壓泵汽蝕損壞。

(10)高壓泵排氣

LNG接收站高壓泵的排氣有兩個常規(guī)去處：LNG儲罐和再冷凝器。高壓泵排氣進再冷凝器的操作模式，相當(dāng)于再冷凝器與高壓泵泵筒形成連通器，高壓泵排氣的穩(wěn)定性直接影響到再冷凝器壓力的波動。因此，在系統(tǒng)設(shè)計過程中應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔浚苊庖蚺艢庵Ч芗翱偣艹叽缡芟蕻a(chǎn)生氣阻，影響氣體正常排出；運行過程中應(yīng)盡量控制，使高壓泵入口LNG有相對穩(wěn)定的壓力和溫度，盡量避免高壓泵排氣有較大的波動。

1.2 間接影響因素

間接影響因素主要包括接收站操作模式及氣象條件等因素，如LNG裝/卸船、槽車裝車、大氣壓變化等。這些因素不會對再冷凝器的控制參數(shù)產(chǎn)生直接影響，但會間接通過影響接收站蒸發(fā)氣的處理量、蒸發(fā)氣溫度、低壓LNG管線壓力等參數(shù)對再冷凝器的溫度及液位控制產(chǎn)生間接的影響。

1.2.1 LNG卸船

LNG接收站一般建設(shè)在海邊，通過LNG貨船及碼頭卸料臂將LNG輸入至站內(nèi)儲罐儲存，根據(jù)接收站LNG處理規(guī)模的不同，碼頭數(shù)量及卸船周期也不同。非卸船期間，碼頭卸料臂及連接管線為常溫狀態(tài)，卸船開始階段，需要對常溫態(tài)的卸料臂及管線進行預(yù)冷，預(yù)冷期間會產(chǎn)生大量高溫蒸發(fā)氣;同樣在額定流量卸船期間，儲罐內(nèi)也會產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣，進而造成接收站BOG系統(tǒng)壓力和溫度的變化[13]。因此，需要根據(jù)儲罐壓力設(shè)定值要求適時調(diào)整低壓BOG壓縮機的運行數(shù)量及負荷，壓縮機運行數(shù)量和負荷的變化會對再冷凝器操作的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，具體分析見上文第1.1.2節(jié)。

陳國霞[14]結(jié)合青島LNG接收站的運行數(shù)據(jù)，分析了卸船期間再冷凝器進氣溫度、進氣量變化對再冷凝器運行穩(wěn)定性的影響，并提出了通過調(diào)節(jié)再冷凝器BOG入口溫度的方式控制再冷凝器液位穩(wěn)定的措施，即采用高壓泵出口LNG與壓縮BOG換熱的方式，通過控制高壓LNG的流量控制進入再冷凝器的壓縮BOG溫度。

1.2.2 LNG裝船

目前國內(nèi)LNG接收站大多具備返裝船功能，可以實現(xiàn)LNG小船外輸，且與LNG卸船操作共用碼頭和卸料臂。返裝船操作模式下也同樣存在卸料臂預(yù)冷操作，預(yù)冷操作對LNG接收站BOG系統(tǒng)穩(wěn)定和壓力的影響同上述LNG卸船操作工況。另外，LNG裝船期間，為維持船倉壓力的穩(wěn)定，需要將船內(nèi)產(chǎn)生的蒸發(fā)氣通過返回氣管線輸送至接收站內(nèi)，同樣對LNG接收站蒸發(fā)器的處理量產(chǎn)生影響，進而間接影響再冷凝器操作的穩(wěn)定性。

1.2.3 槽車裝車

LNG接收站除具備高壓氣態(tài)外輸功能外，還具備槽車液態(tài)外輸功能。當(dāng)槽車裝車量變化較大時，LNG低壓泵的運行數(shù)量也需要進行調(diào)整，低壓泵的啟/停、槽車裝車速率的變化均會對低壓LNG總管操作壓力的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，管線壓力的波動影響LNG的過冷度[15]及再冷凝器LNG進料管線調(diào)節(jié)閥控制的穩(wěn)定性，進而影響再冷凝器頂部和底部LNG進料量，影響再冷凝器操作壓力和液位的穩(wěn)定性。王文凱[15]和劉迪等[16]均利用ASPEN HYSYS模擬軟件對LNG低壓泵出口壓力變化時再冷凝所需噴淋量進行了模擬，模擬結(jié)果顯示：隨著壓力的變化，所需的噴淋LNG量也會發(fā)生變化。

槽車裝車可根據(jù)操作需要分為返氣和不返氣兩種操作模式。返氣操作模式與上述LNG裝船模式相同，槽車罐與LNG接收站BOG系統(tǒng)通過返氣臂相連以平衡槽車壓力，車內(nèi)產(chǎn)生的蒸發(fā)氣返回至LNG接收站，蒸發(fā)氣量變化對再冷凝器操作穩(wěn)定性產(chǎn)生的間接影響同上述LNG裝船操作。

1.2.4 大氣壓變化

大氣壓升高或降低均會對儲罐的操作壓力產(chǎn)生影響，影響儲罐的蒸發(fā)量，間接影響蒸發(fā)氣的處理量，進而間接影響再冷凝器操作的穩(wěn)定性。

2 結(jié)語

本文對影響LNG接收站再冷凝器操作穩(wěn)定性的因素進行了分析，將影響因素分為直接因素和間接因素兩大類，針對不同的影響因素，本文給出了建議的應(yīng)對措施。再冷凝器作為LNG接收站中的核心設(shè)備之一，日常操作過程中一定要結(jié)合接收站實際運行工況變化，及時調(diào)整控制措施并加強運營監(jiān)督，保證再冷凝器的運行穩(wěn)定性，進而有效保障LNG接收站的運行，為下游天然氣用戶提供可靠的能源保障。