LNG接收站蒸發(fā)氣處理工藝研究

黃毅雄

摘????? 要： 蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)是LNG接收站的核心工藝，是接收站安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。介紹了LNG接收站常用的兩種蒸發(fā)氣處理工藝：直接壓縮工藝和再冷凝液化工藝，對(duì)兩種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析。利用軟件建立了采用不同蒸發(fā)氣處理工藝的LNG接收站模型，對(duì)比了直接壓縮工藝和再冷凝液化工藝的單位LNG能耗量，同時(shí)研究了不同外輸壓力、不同外輸量下單位LNG的能耗量。

關(guān)? 鍵? 詞：LNG接收站； 蒸發(fā)氣處理工藝； 直接壓縮工藝； 再冷凝液化工藝

中圖分類號(hào)：TQ026???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A???? 文章編號(hào)： 1004-0935（2023）11-1620-04

2022年我國(guó)進(jìn)口LNG量6 344.2萬t，約占進(jìn)口天然氣總量的58%，進(jìn)口LNG現(xiàn)已成為我國(guó)引進(jìn)油氣的重要戰(zhàn)略通道之一，也成為保障我國(guó)能源安全的重要舉措。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2012年底，國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)的LNG接收站達(dá)到26座，年接收能力總計(jì)近

13 107萬t。未來，國(guó)內(nèi)LNG需求量仍將不斷增長(zhǎng)，中石化、中海油和中石油等企業(yè)均在積極推進(jìn)現(xiàn)有LNG接收站的擴(kuò)建及新項(xiàng)目的布局。目前，國(guó)內(nèi)LNG接收站主要有3種類型^[1]：氣源型接收站、調(diào)峰型接收站和衛(wèi)星型接收站，接收站主要包括卸船系統(tǒng)、儲(chǔ)存系統(tǒng)、LNG氣化外輸系統(tǒng)和蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)等，蒸發(fā)氣處理直接影響LNG接收站的安全性和經(jīng)濟(jì)性，是LNG接收站的關(guān)鍵工藝。

1? 蒸發(fā)氣形成的原因

LNG接收站在卸船、外輸、零外輸、裝車等運(yùn)行工況下，不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量蒸發(fā)氣。蒸發(fā)氣的產(chǎn)生是多種原因共同作用的結(jié)果^[2-4]，主要原因包括以下幾點(diǎn)：

1.1? 熱泄漏

LNG在常壓狀態(tài)下的臨界溫度為-162 ℃，與環(huán)境溫度差距較大，在內(nèi)外巨大溫差的作用下，LNG儲(chǔ)罐、工藝管道等雖設(shè)置保溫措施，但仍不能做到絕對(duì)的熱絕緣，吸收的熱量使部分LNG氣化。

1.2? 工藝設(shè)備輸出機(jī)械能

LNG接收站內(nèi)低壓輸送泵和高壓輸出泵等動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行過程中，會(huì)有部分機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能，該部分熱能傳遞給LNG后，導(dǎo)致部分LNG氣化。

1.3? 體積置換

LNG接收站內(nèi)的體積置換主要包括卸船時(shí)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間的置換、外輸時(shí)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)液相空間的負(fù)置換等。

卸船時(shí)，LNG儲(chǔ)罐的氣相空間不斷減小，導(dǎo)致蒸發(fā)氣的揮發(fā)，同時(shí)一部分蒸發(fā)氣經(jīng)氣相平衡管線返回船艙內(nèi)，實(shí)現(xiàn)壓力平衡。外輸時(shí)，導(dǎo)致LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的液面下降，需要蒸發(fā)氣補(bǔ)充LNG外輸留下的空間。

1.4? 卸料閃蒸

卸船時(shí)，LNG儲(chǔ)罐的罐壁隨著液位的升高不斷被冷卻、不同密度的LNG混合以及相平衡狀態(tài)不同的LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐均會(huì)引起LNG的閃蒸，產(chǎn)生大量蒸發(fā)氣。

1.5? 大氣壓力的變化

如果LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的操作壓力接近最大操作壓力時(shí)，外界大氣壓的突然下降會(huì)打破LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力平衡，導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)LNG的過熱蒸發(fā)。

2? 蒸發(fā)氣的處理工藝

LNG接收站產(chǎn)生的大量蒸發(fā)氣處理不當(dāng)會(huì)引起儲(chǔ)罐等設(shè)備的超壓而發(fā)生安全事故，直接外排燃燒會(huì)引起經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。為了維持LNG接收站安全平穩(wěn)運(yùn)行，需要經(jīng)濟(jì)而有效地回收LNG接收站產(chǎn)生的蒸發(fā)氣。

目前，LNG接收站內(nèi)常用的蒸發(fā)氣處理工藝有2種：直接壓縮工藝和再冷凝液化工藝^[5-7]。

2.1? 直接壓縮工藝

蒸發(fā)氣直接壓縮工藝是指LNG接收站內(nèi)產(chǎn)生的蒸發(fā)氣經(jīng)壓縮機(jī)增壓后直接外輸至下游，可分為低壓壓縮工藝和高壓壓縮工藝。直接壓縮工藝的主要設(shè)備為BOG壓縮機(jī)。

低壓壓縮工藝是指蒸發(fā)氣經(jīng)BOG壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入燃料氣系統(tǒng)，供附近工業(yè)用戶使用或發(fā)電。韓國(guó)KOGAS的Pyeongtaek接收站在初始運(yùn)行時(shí)，采用低壓壓縮工藝回收蒸發(fā)氣，將蒸發(fā)氣壓縮至

1 MPa后外輸至鄰近的熱電站作為燃料。

高壓壓縮工藝是指蒸發(fā)氣經(jīng)BOG壓縮機(jī)壓縮至天然氣外輸管道的運(yùn)行壓力，與氣化后的LNG一起進(jìn)入天然氣外輸管網(wǎng)供下游使用。

2.2? 再冷凝液化工藝

再冷凝液化工藝是LNG接收站內(nèi)產(chǎn)生的蒸發(fā)氣與LNG低壓輸送泵后的過冷LNG混合后進(jìn)入高壓輸送泵，經(jīng)氣化器氣化后外輸至天然氣管道^[8]。

再冷凝液化工藝的主要設(shè)備為BOG再冷凝器、BOG壓縮機(jī)和BOG壓縮機(jī)調(diào)溫器（防止BOG壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度過高）等。再冷凝器是再冷凝液化工藝的核心設(shè)備，其壓力和液位控制直接影響該工藝能否平穩(wěn)運(yùn)行^[9-10]。目前，典型LNG接收站再冷凝器的運(yùn)行壓力基本控制在0.6～1.0 MPa，主要通過控制過冷LNG的流量來實(shí)現(xiàn)壓力控制。

再冷凝液化的基本原理是利用LNG加壓后的冷量將接收站內(nèi)產(chǎn)生的蒸發(fā)氣冷凝為液態(tài)^[11-12]。LNG儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存壓力略高于或者等于飽和蒸氣壓（A點(diǎn)，圖1），經(jīng)LNG低壓輸送泵（罐內(nèi)潛液泵）增壓后，LNG處于過冷狀態(tài)（D點(diǎn)，圖1），可以在保持液態(tài)的同時(shí)吸收一定的熱量。正是利用這個(gè)過冷狀態(tài)吸收蒸發(fā)氣冷凝至液體所需的熱量（E點(diǎn)，圖1），蒸發(fā)氣和過冷LNG分別從再冷凝器的頂部進(jìn)入，在填料層中充分接觸，實(shí)現(xiàn)氣體和液體的傳熱與傳質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)氣相態(tài)的轉(zhuǎn)變。

3? 蒸發(fā)氣處理工藝的能耗分析

以某接收站為例，利用軟件分別建立了采用直接壓縮工藝和再冷凝液化工藝的LNG接收站穩(wěn)態(tài)模型^[13-17]，研究不同蒸發(fā)氣處理工藝對(duì)氣化單位LNG所需能耗的影響。

本研究采用單因素分析法，每次只改變一個(gè)控制變量，其他參數(shù)為定值，進(jìn)而分析控制變量對(duì)單位LNG能耗的影響。LNG接收站的動(dòng)力能耗主要為L(zhǎng)NG低壓輸送泵、LNG高壓輸出泵和BOG壓縮機(jī)。以氣化單位LNG的能耗值為目標(biāo)函數(shù)，選取外輸壓力和外輸氣量作為控制變量。

3.1? 外輸壓力對(duì)單位LNG能耗值的影響

圖2為兩種蒸發(fā)氣處理工藝下單位LNG能耗值與外輸壓力的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，隨外輸管網(wǎng)壓力的升高，再冷凝液化工藝的單位LNG能耗值呈線性增加，直接壓縮工藝的單位LNG能耗值呈對(duì)數(shù)曲線增加。當(dāng)外輸管網(wǎng)壓力在0.8～10 MPa之間變化時(shí)，再冷凝液化工藝的單位LNG能耗值均小于直接壓縮工藝的單位LNG能耗值，再冷凝液化工藝比直接壓縮工藝單位LNG能耗的節(jié)省量由11.88%增至34.16%。

3.2? 外輸量對(duì)單位LNG能耗值的影響

圖3為兩種蒸發(fā)氣處理工藝下單位LNG能耗值與外輸量的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，隨著外輸量的增加，再冷凝液化工藝和直接壓縮工藝的單位LNG能耗值呈指數(shù)趨勢(shì)減小，說明外輸氣量越大，單位LNG能耗值越小。在滿足最小外輸量的前提下，再冷凝液化工藝的單位LNG能耗值均小于直接壓縮工藝的單位LNG能耗值。

通過不同外輸壓力和外輸量下的單位LNG能耗分析，再冷凝液化工藝比直接壓縮工藝更節(jié)能。但當(dāng)外輸量較低或者零外輸工況時(shí)，會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)氣無法全部液化而排放至火炬燃燒，導(dǎo)致能量浪費(fèi)。因此，采用再冷凝液化工藝時(shí)，LNG外輸量必須大于最小外輸量，保證接收站產(chǎn)生的全部蒸發(fā)氣被冷凝為液態(tài)。

4? 蒸發(fā)氣處理工藝的選擇

兩種蒸發(fā)氣處理工藝優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表見表1。

氣源型接收站產(chǎn)生的蒸發(fā)氣量非常大，尤其是在卸船工況時(shí)。一般氣源型接收站的外輸壓力為5～9 MPa，在此區(qū)間內(nèi)，模擬結(jié)果表明采用再冷凝液化工藝外輸1噸LNG可以節(jié)約8.5 kW·h的能耗。從能耗角度分析，氣源型接收站采用再冷凝液化工藝更經(jīng)濟(jì)合理。

調(diào)峰型接收站的外輸壓力一般為2～3 MPa，衛(wèi)星型接收站的外輸壓力一般為0.1～0.8 MPa，兩種蒸發(fā)氣處理工藝在相對(duì)應(yīng)的外輸壓力范圍內(nèi)能耗相差較小。同時(shí)，調(diào)峰型接收站和衛(wèi)星型接收站距離下游用戶距離較近，一般為了適應(yīng)用戶用氣量的波動(dòng)建設(shè)，無法為蒸發(fā)氣的再冷凝提供穩(wěn)定的外輸LNG，因此采用流程簡(jiǎn)單的直接壓縮工藝更為合理。

5? 結(jié)論

本文對(duì)兩種蒸發(fā)氣處理工藝進(jìn)行了模擬分析，通過研究得出以下結(jié)論：

1）外輸壓力越大，單位LNG能耗值越大；外輸氣量越大，單位LNG能耗值越小。

2）單位LNG再冷凝液化工藝的單位LNG能耗值比直接壓縮工藝約低8.5 kW·h。

3）直接壓縮工藝適用于外輸壓力低、外輸量波動(dòng)大的調(diào)峰型接收站和衛(wèi)星型接收站。再冷凝液化工藝適用于外輸壓力高、外輸量大的氣源型接收站。

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Study on Evaporation Gas Treatment

Technology of LNG Receiving Station

HUANG Yi-xiong

（Hebei Petroleum University of Technology， Chengde Hebei 067000， China）

Abstract：? Evaporative gas treatment system is the core technology of LNG receiving station and the foundation of safe operation of the receiving station. In this paper， two kinds of evaporative gas treatment processes， direct compression process and recondensing liquefaction process， were introduced， and their advantages and disadvantages were compared. In this paper， a model of LNG receiving station with different evaporation gas treatment processes was established by software， and the energy consumption per unit of LNG of direct compression process and recondensing liquefaction process was compared. At the same time， the energy consumption per unit of LNG under different external transport pressure and different external transport volume was studied.

Key words： LNG receiving station; Evaporative gas treatment process; Direct compression process; Recondensing liquefaction process