浮式液化天然氣裝置BOG處理方式研究

張躍征，江浩，劉曉剛，林淑勤

浮式液化天然氣裝置BOG處理方式研究

張躍征，江浩，劉曉剛，林淑勤

（惠生（南通）重工有限公司， 江蘇 南通 226007）

蒸發氣（Boil Off Gas, 縮寫為BOG）的處理回收方式不僅會影響浮式液化天然氣（FLNG）裝置上的設備配置及裝置投資，同時會直接影響到整個裝置生產運營的安全性、經濟性和環境保護。為了能夠選擇經濟合理的BOG處理回收方式，以惠生海洋工程正在執行的3.0 MTPA FLNG標準化項目為例，介紹了浮式液化天然氣裝置上兩種主要的BOG處理回收方式即作為燃氣輪機的燃料氣和返回制冷劑換熱器進行再液化。通過Aspen HYSYS模擬軟件，分析了在不同工況下BOG的產生量及不同的處理回收方式對裝置能耗的影響。并建議了針對不同的原料氣組分以及裝置內主要轉動設備的驅動方式，選擇針對性的BOG處理方式，避免BOG直接燃燒造成環境污染和經濟損失，降低裝置投資，為浮式液化天然氣裝置的國產化以及BOG處理系統設計提供參考。

FLNG；BOG；浮式液化天然氣；BOG再液化；BOG回收；BOG脫氮

蒸發天然氣（BOG）是液化天然氣（LNG）在工藝裝置的生產運行中，低溫LNG從環境中吸收熱量氣化所致。BOG氣體如果是直接排放或者燃燒，不僅是對能源的浪費，而且也對環境造成了污染[1]。同時，BOG的處理方式還會影響整個液化裝置的壓縮機、制冷劑換熱器等關鍵設備的配置。因此，需要采取合理的工藝對BOG氣體進行回收再利用[2-3]。浮式天然氣液化裝置（FLNG）的BOG處理方式不同于陸地上的LNG生產及接收裝置，可以采用直接加壓至高壓外輸管網對BOG 進行回收利用，只能將BOG返回浮式裝置內部進行回收處理。本文以惠生正在執行的3.0 MTPA FLNG標準化項目為例，對浮式天然氣液化裝置的BOG回收處理方式進行探討。

1 BOG產生的原因分析

由于LNG是一種低溫液體，在儲存和輸送的過程中，將會因熱傳導產生BOG。BOG主要由儲存容器內液體自然蒸發和在其儲存和輸送的過程中，因熱傳導而產生[4-5]。在LNG裝船期間，由于不斷與LNG裝船設備發生熱量交換，以及裝船期間LNG在運輸船儲罐內體積置換，也會形成BOG[6]。

通過Aspen HYSYS以惠生正在執行的3.0 MTPA FLNG項目為例。根據BOG產生的來源對BOG產生量進行了模擬計算，結果見表1。LNG減壓產生的BOG為從制冷劑換熱器出來的高壓LNG經過減壓后所產生的BOG。儲罐蒸發產生的BOG為儲罐中的LNG從外界吸熱而不斷蒸發產生的BOG，LNG裝船產生的BOG為浮式液化天然氣裝置從自身LNG儲罐向LNG運輸船進行LNG裝船時產生的BOG量。此外，在模擬中還增加余量以包括冷卻LNG裝卸臂，冷卻LNG輸送管線，LNG輸送泵運轉等產生的BOG量。

表1 BOG來源及產生量

2 BOG的回收處理方法

BOG處理系統的主要作用是在正常操作工況下保證LNG儲罐壓力能夠維持在正常操作壓力范圍內，同時能夠處理LNG裝船工況下產生的大量BOG和低負荷工況下燃料氣消耗剩余的BOG[7]。目前浮式液化天然氣裝置（FLNG）BOG的處理方法主要有兩種：一是以燃氣輪機作為動力裝置的主發電機和制冷劑壓縮機，將BOG作為燃氣輪機的燃料；二是將BOG通過制冷劑換熱器，將多余的BOG重新冷凝液化后送入LNG儲罐[8]。

2.1 BOG作為燃料氣

浮式液化天然氣裝置的主發電機和制冷劑壓縮機以燃氣輪機作為驅動裝置并以天然氣或者柴油作為燃料。將BOG作為燃氣輪機的燃料是一種既經濟又高效的解決方案[9-10]。

如圖1所示，BOG回收作為燃料氣工藝流程主要包括BOG壓縮機和再生氣壓縮機等主要設備。在正常操作工況下，BOG經過BOG壓縮機加壓首先作為原料氣分子篩脫水床的再生氣，從分子篩床出來的再生氣再經過再生氣壓縮機進一步加壓后作為燃氣輪機的燃料氣。正常工況下，燃氣輪機需要的燃料氣量多于裝置產生的BOG量，由一股來自原料氣管線的天然氣提供額外的燃料氣。在LNG裝船工況下，BOG產生量增加，部分BOG作為燃氣輪機燃料，剩余BOG經過再次加壓返回液化裝置上游進行回收。在低負荷操作工況下，燃氣輪機所需燃料氣量少于分子篩再生氣量，多余再生氣由再生氣壓縮機加壓后返回至液化裝置上游。

圖1 BOG作為燃料氣流程圖

2.2 BOG部分再液化

BOG部分再液化處理方式主要是通過將BOG再液化來控制LNG儲罐的壓力，避免其壓力過高并回收過量的BOG。當浮式液化天然氣裝置在LNG裝船工況下，產生的BOG量增加，除了給燃氣輪機消耗以外，將剩余的BOG重新冷凝液化。在裝置低負荷運行工況下，燃氣輪機燃料氣量消耗降低，BOG量相對于燃料氣量過剩，過剩的BOG也將重新冷凝液化。

如圖2所示，BOG部分回收再液化系統主要包括BOG壓縮機和制冷劑換熱器等主要設備。來自BOG總管的BOG經過BOG壓縮機加壓后，部分作為燃氣輪機燃料，剩余部分進入制冷劑換熱器重新冷凝液化。

圖2 BOG部分再液化流程圖

2.3 BOG全部再液化

在一些近岸浮式液化天然氣裝置中，由于可獲得持續且穩定的電力來源，例如水力發電等可再生的清潔能源，具有環境友好、成本較低等優點，變頻電動機會被采用作為制冷劑壓縮機、BOG壓縮機等大型設備的驅動設備。當采用電動機作為壓縮機的驅動設備時，裝置不會再消耗大量的燃料氣，BOG回收應采取BOG全部再液化的方式進行。BOG全部再液化的流程見圖3，與部分再液化流程相比，減少了燃料氣消耗部分。

圖3 BOG全部再液化流程圖

2.4 BOG中氮氣脫除

在以電動機作為驅動裝置的浮式液化天然氣裝置中，當原料氣組分中氮氣含量較高時，產生的BOG重新進入裝置回收甲烷過程中，氮氣含量不斷累積，造成BOG量和BOG再液化過程能耗的增加，影響LNG熱值的同時會增加裝置的能耗，需要根據LNG組分和熱值的要求將BOG中氮氣脫除[11]。如圖4所示，來自總管的BOG進入制冷劑換熱器重新液化，然后進入精餾塔對氮氣和甲烷進行分離。

圖4 BOG再液化脫氮氣流程圖

LNG從塔底流出作為產品匯入裝置LNG總管。塔頂氣相重新進入制冷劑換熱器進行部分冷凝，塔頂回流罐液相部分作為塔頂回流進入精餾塔上部，氣相主要成分為氮氣，從系統中分離出來。

3 BOG回收工藝計算

3.1 兩種工況下BOG流量及壓力

通過Aspen HYSYS對2.1和2.2中兩種BOG處理回收方案在不同操作工況下的流程進行模擬。本案例中涉及兩種不同型號的燃氣輪機，所需燃料氣壓力也不同，為兩種規格。如表2所示，在不同操作工況下，需滿足所需燃料氣及返回氣流量變化及所需壓力等級等復雜工藝需求。要求工程設計人員根據項目設計要求、設備配置及投資、能耗等指標合理選擇BOG回收處理方式。

BOG加壓后作為燃料氣回收方案不需要BOG通過制冷劑換熱器以及占用制冷劑換熱器部分冷量，降低制冷劑換熱器制造復雜程度[12]。根據不同燃料氣及返回氣壓力等級要求，合理配置BOG壓縮機和再生氣壓縮機，滿足工藝要求并實現能耗最小化。

表2 燃料氣用戶及規格

3.2 BOG處理回收方式能耗對比

通過Aspen HYSYS對2.1和2.2中兩種BOG處理回收方案進行模擬并對主要設備的能耗進行對比。如表3所示，對比兩種不同的BOG回收處理方式，在不同操作工況下，制冷劑壓縮機軸功率基本保持不變。在LNG裝船工況下，由于采用BOG再液化回收方式時再生氣壓縮機分擔了BOG壓縮機的軸功率，所以兩種BOG處理方式下，裝置消耗的總功率基本保持不變。在低負荷運行工況下，裝置所需BOG壓縮機和再生氣壓縮機的總功率也基本保持不變。由下表可知，由于裝船所產生的大量BOG使得BOG壓縮機和再生氣壓縮機軸功率增大。需要根據燃料氣和返回氣流量及壓力變化的情況，選擇合適的BOG壓縮機和再生氣壓縮機形式以及數量[13-15]。

表3 BOG處理回收方式能耗對比

4 結 論

浮式液化天然氣裝置產生BOG量并非定值，會出現峰值和低值，兩者之間差別較大。通過對以上兩種BOG回收處理方式的介紹并基于Aspen HYSYS流程模擬計算，對不同操作工況下BOG的產量及裝置能耗進行了對比。得出如下結論。

1）當浮式液化天然氣裝置以燃氣輪機作為發電機和制冷劑壓縮機等的驅動設備時，既可以采用將BOG作為燃氣輪機的燃料氣進行回收利用，也可以將BOG部分液化或者全部液化進行回收。

2）當浮式液化天然氣裝置的壓縮機等設備以電動機驅動時，燃料氣的消耗大量減少，BOG應全部返回制冷劑換熱器再液化進行回收。

3）當原料氣中的氮氣含量較高時，為了脫除BOG中的過量氮氣，避免氮氣在BOG中累積，需要將BOG全部再液化，再通過精餾塔將氮氣脫除。

浮式液化天然氣裝置由于產量規模、工藝流程的不同等，在對待BOG回收方式上要基于項目的實際情況，先考慮裝置的正常生產以及LNG裝船以及低負荷生產等工況，再考慮裝置的投資、設備配置及節能問題。

［1］沈九兵, 嚴思遠, 李志超，等. 船用BOG再液化工藝對比分析[J]. 天然氣化工, 2021, 46(1): 16-21.

［2］鄧好雨. LNG船BOG再液化工藝影響因素分析[J]. 低溫技術, 2014, 42(8): 30-33.

［3］梁冰, 李多金, 霍國輝. 液化天然氣BOG在不同條件下的處理工藝[J]. 低溫與超導, 2014, 42(2): 35-37.

［4］李海燕. 液化天然氣BOG的產生量及回收[J]. 遼寧化工, 2015, 44(12): 1518-1520.

［5］陳雨辭, 李魚魚, 戴政. LNG接收站BOG回收工藝研究[J]. 遼寧化工, 2018, 47(7): 645-646.

［6］付子航. LNG接收站蒸發氣處理系統靜態設計計算模型[J]. 天然氣工業, 2011, 31(1): 83-85.

［7］王小尚, 劉景俊, 李玉星，等. LNG接收站BOG處理工藝優化-以青島LNG接收站為例[J]. 天然氣工業2014, 34(4): 125-130.

［8］杜笑陽, 朱祚良, 吳明. LNG接收站BOG再冷凝工藝影響因素及優化[J]. 當代化工, 2020, 49(8): 1762-1766.

［9］劉成波, 劉運新, 張運秋，等. 燃氣輪機在LNG運輸船上的應用[J]. 船電技術, 2015, 35(4): 48-50, 54.

［10］范吉全, 葉林, 常亮，等. 天然氣液化裝置冷劑壓縮機驅動機選擇概論[J]. 天然氣與石油, 2020, 38(2): 44-53.

［11］郭建, 王剛, 鄭春來，等. 天然氣液化中重烴和氮氣脫除工藝優化研究[J]. 天然氣化工, 2019, 44(5): 76-81.

［12］龍江, 毛忠. LNG工程用大截面高壓板翅式換熱器的技術發展與現狀[J]. 深冷技術, 2011, 7: 21-23.

［13］李亞軍, 陳蒙. LNG接收站BOG多階壓縮再液化工藝優化分析[J]. 化工學報, 2013, 64(3): 986-992.

［14］呂俊, 張昌維, 傅皓. LNG接收站BOG壓縮機處理能力計算及選型研究[J]. 化工設計, 2011, 21(1): 14-16.

［15］熊曉俊, 何婷, 林文勝. 利用常溫壓縮機處理LNG接收站BOG的工藝探討[J]. 化工學報, 2018, 69(S2): 425-430.

Study of BOG Treatment for Floating Liquefied Natural Gas Plants

,,,

（Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd., Nantong Jiangsu 201210, China）

BOG (Boil-Off Gas) treatment can not only affect the equipment configuration and investment of the floating liquefied natural gas (FLNG) plant, but also directly affect the safety, economy of the entire plant’s production and environment. In order to choose an economical and reasonable BOG treatment method, taking Wison Offshore & Marine’s 3.0 MTPA FLNG standardization project as an example, two main BOG treatment methods for floating LNG unit were introduced, includingusing as fuel gas for gas turbines and returning to refrigerant heat exchanger for re-liquefication. The generation of BOG and energy consumption under different treating conditions were analyzed with Aspen HYSYS. For different raw gas components and driver of main rotating equipment, a proper BOG treatment method was selected to avoid environmental pollution and economic losses caused by BOG direct combustion, reducing plant investment. The papet can provide some reference for localization of floating liquefied natural gas plant and subsequent design of the BOG treatment system of floating LNG plant.

FLNG; BOG; Floating liquefied natural gas; BOG re-liquefication; BOG recovery; Nitrogen removal from BOG

2021-10-12

張躍征（1982-），男，內蒙古赤峰市人，高級工藝工程師，碩士，2007年畢業于天津大學化學工藝專業：主要從事液化天然氣項目的設計和開車。

TE646

A

1004-0935（2022）01-0129-04