關(guān)于降低冷能空分供冷溫度的方法研究

袁建濤

(中海油工業(yè)氣體(寧波)有限公司,浙江 寧波 315821)

1 冷能空分概述和工藝流程

目前國內(nèi)外通常采用的空分工藝流程中空氣預(yù)冷系統(tǒng)采用空分塔冷卻,需要消耗大量的循環(huán)水,制冷液化系統(tǒng)采用增壓、膨脹制冷液化,需要消耗大量的電能。隨著國內(nèi)外對(duì)LNG冷能利用的研究,空分領(lǐng)域利用LNG冷能的空分工藝技術(shù)逐漸成熟起來,已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。該工藝流程中制冷液化系統(tǒng)通過氮?dú)庖夯苯永肔NG冷量制冷液化,空氣冷卻則通過乙二醇冷卻系統(tǒng)充分利用經(jīng)過制冷液化系統(tǒng)后的低溫NG冷卻。其較常規(guī)空分工藝,替代了膨脹機(jī)制冷,取消了空冷塔,冷能空分裝置電耗、水耗大大降低[1-4]。

冷能空分工藝流程見圖1所示。

圖1 冷能空分工藝流程圖

2 降低LNG供冷溫度的原因和必要性

LNG接收站的天然氣,是在常壓條件下通過冷卻降溫至約-162 ℃的液化溫度,并通過LNG儲(chǔ)罐將天然氣儲(chǔ)存于其中。然而在卸料、儲(chǔ)罐漏熱、管道漏熱、裝槽車、泵熱輸入以及外界大氣壓變化等多方面因素的影響下,可能會(huì)產(chǎn)生大量的BOG。如果LNG接收站工藝系統(tǒng)BOG產(chǎn)量過高,且未能及時(shí)處理,有可能導(dǎo)致整個(gè)BOG管網(wǎng)壓力驟然上升。此時(shí)需要將多余的BOG在火炬系統(tǒng)的燃燒排空處理,這將帶來了一定的資源浪費(fèi)現(xiàn)象,甚至有可能會(huì)通過儲(chǔ)罐安全閥排放至大氣當(dāng)中引起環(huán)境污染事故,在嚴(yán)重情況下會(huì)直接導(dǎo)致罐體損壞、火災(zāi)以及爆炸事故,對(duì)LNG接收站的經(jīng)營效益、人員安危均帶來十分嚴(yán)重的影響。現(xiàn)階段絕大多數(shù)LNG接收站在處理BOG氣體上,采用直接壓縮工藝及再冷凝工藝兩種。再冷凝工藝相比直接壓縮工藝,具有低能耗的優(yōu)勢(shì),但這一切都基于LNG接收站穩(wěn)定且大量的LNG冷源外輸。

再冷凝工藝實(shí)質(zhì)上就相當(dāng)于應(yīng)用換熱器來使BOG與LNG進(jìn)行相互接觸,將BOG熱量傳遞至LNG當(dāng)中,并使BOG氣體轉(zhuǎn)化為液態(tài)形式。BOG再冷凝處理工藝中的主要應(yīng)用設(shè)備為再冷凝器。在BOG氣體進(jìn)入在冷凝器前,會(huì)通過壓縮機(jī)進(jìn)行適當(dāng)升壓、冷卻處理,必要時(shí)需設(shè)置減溫器以滿足再冷凝工藝需求。增壓后的BOG與LNG泵輸出的LNG一并在冷凝器中進(jìn)行混合,此時(shí)在冷凝器當(dāng)中LNG以潛熱的方式將BOG進(jìn)行降溫處理,從而將BOG再液化。經(jīng)處理后液化的LNG進(jìn)入氣化器或LNG冷能空分裝置換熱后,通過天然氣外輸管網(wǎng)進(jìn)行氣化外輸。

隨著LNG接收站更多的LNG儲(chǔ)罐建設(shè)及投用,槽車充裝及LNG運(yùn)輸船只的頻繁裝卸,LNG接收站的BOG氣體將會(huì)持續(xù)增加,同時(shí)隨著未來周邊LNG接收站項(xiàng)目相繼建設(shè)投產(chǎn),將進(jìn)一步分化現(xiàn)接收站LNG外輸總量。隨著現(xiàn)接收站LNG外輸量的減少,BOG氣體持續(xù)增加,供給冷能空分裝置LNG供應(yīng)溫度將進(jìn)一步上升。

冷能空分與常規(guī)空分相比,不同之處在于冷能空分設(shè)備利用LNG冷能提供冷量,而非常規(guī)空分的膨脹機(jī)制冷。因此LNG溫度是決定冷能空分裝置生產(chǎn)產(chǎn)量的核心要素,統(tǒng)計(jì)某冷能空分近年來LNG溫度與冷能空分裝置產(chǎn)量及噸產(chǎn)品電耗數(shù)據(jù)分析。見表1所示。

表1 LNG供應(yīng)溫度與產(chǎn)量能耗統(tǒng)計(jì)表

通過表1得知,LNG外輸溫度與裝置產(chǎn)量成反比,與單位產(chǎn)品電耗成正比,冷能空分裝置平均產(chǎn)品產(chǎn)量隨LNG溫度升高而降低,平均單位產(chǎn)品電耗隨LNG溫度升高而升高。根據(jù)歷年平均產(chǎn)量及單位產(chǎn)品噸電耗等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,針對(duì)本套冷能空分裝置LNG溫度每升高1 ℃,裝置平均產(chǎn)量將降低13 t,單位產(chǎn)品電耗會(huì)提高約8 kWh,因此LNG溫度高低是冷能空分裝置產(chǎn)量和能耗的決定性因素。

結(jié)合以上生產(chǎn)運(yùn)行情況,從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、困難點(diǎn)、未來LNG變化趨勢(shì)等方面對(duì)比認(rèn)為改善LNG溫度品質(zhì)是當(dāng)前形勢(shì)的迫切需要,是勢(shì)在必行的。

3 方案設(shè)計(jì)原則

在供冷方案設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循以下原則:

1)優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部流程匹配,所采用的技術(shù)必須安全可靠,技術(shù)方案具有可行性,可操作性。

2)設(shè)備選型、設(shè)備布置、設(shè)備的技術(shù)改造程序文件都必須滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求。

3)除考慮工藝流程及相關(guān)工況外,還要考慮設(shè)備的一次性投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

4 方案比較

結(jié)合目前國內(nèi)冷能空分運(yùn)行情況及面臨的實(shí)際現(xiàn)狀,現(xiàn)探討兩種提高LNG供冷系統(tǒng)品質(zhì)的方案。

4.1 方案一

4.1.1 工藝流程

本方案在接收站內(nèi)投資建設(shè)一臺(tái)BOG高壓壓縮機(jī),改善LNG供應(yīng)溫度品質(zhì)。接收站在正常工作中,儲(chǔ)罐BOG氣體自BOG壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入BOG再冷凝器冷卻,冷卻后液體與儲(chǔ)罐LNG低壓泵出口液體混合供給冷能空分裝置,如增設(shè)一臺(tái)BOG高壓壓縮機(jī),將儲(chǔ)罐BOG壓縮后的氣體直接通過BOG高壓壓縮機(jī)壓縮后供給外輸管網(wǎng),則可以減少BOG再冷凝器工作負(fù)荷,降低LNG溫度,提升LNG溫度供應(yīng)穩(wěn)定性,工藝流程下圖2所示。

圖2 增設(shè)BOG高壓壓縮機(jī)工藝流程

4.1.2 設(shè)備配置

本方案的設(shè)備配置有:高壓BOG壓縮機(jī)1臺(tái)、電機(jī)1臺(tái)、冷卻裝置1組、工藝管道、閥門1套及儀表部件、控制系統(tǒng)、電氣供應(yīng)系統(tǒng)。

4.1.3 方案分析

1)通過啟用目前接收站現(xiàn)存的1臺(tái)高壓BOG壓縮機(jī),啟用后LNG溫度可以降低6 ℃左右,證明該方案技術(shù)上是可行的。另外與接收站現(xiàn)有1臺(tái)壓縮機(jī)作為互備,提升了現(xiàn)有設(shè)備安全運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性。

2)因接收站氣態(tài)LNG外輸量存在不確定性,當(dāng)LNG接收站日外輸量過低時(shí),儲(chǔ)罐處理量會(huì)增加,單靠1臺(tái)BOG 壓縮機(jī)不能完全處理儲(chǔ)罐產(chǎn)生的BOG,剩余部分BOG 還要通過加壓及換熱冷卻后變成液體,與儲(chǔ)罐自有液體混合通過加壓供給,換熱后的LNG溫度較高,故造成總體LNG外輸溫度升高要求,降低LNG供應(yīng)溫度降溫效果。

3)高壓BOG壓縮機(jī)及配套設(shè)備需在接收站建造,與冷能空分廠分屬兩個(gè)責(zé)任主體單位,存在項(xiàng)目報(bào)批報(bào)建、項(xiàng)目建設(shè)、后期運(yùn)行維護(hù)等安全主體責(zé)任界面區(qū)分的難點(diǎn)。

4.2 方案二

4.2.1 工藝流程

本方案在空分廠內(nèi)投資1套LNG循環(huán)制冷系統(tǒng),改善LNG供應(yīng)溫度品質(zhì)。將自LNG供應(yīng)總管的高溫LNG分兩部分,一部分直接并入原LNG冷能空分裝置,另外一部分進(jìn)入新增的LNG預(yù)冷循環(huán)換熱冷箱,經(jīng)與增壓、預(yù)冷、節(jié)流降溫后的循環(huán)天然氣換熱,進(jìn)一步冷卻接收站供應(yīng)的LNG,LNG經(jīng)換冷后混合進(jìn)入原LNG冷能空分裝置,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低LNG冷能空分裝置LNG供應(yīng)溫度的目的。

具體工藝流程詳見圖3。

圖3 工藝流程圖

4.2.2 設(shè)備配置

本方案的設(shè)備配置有:螺桿式天然氣壓縮機(jī)1臺(tái)、冷卻裝置1組、LNG循環(huán)換熱冷箱1臺(tái)、配套的天然氣工藝管道、閥門及儀表部件、控制系統(tǒng)、電氣供應(yīng)系統(tǒng)、壓縮機(jī)廠房。

4.2.3 方案分析

1)LNG循環(huán)制冷系統(tǒng)工藝流程主要是以壓縮常溫氣態(tài)天然氣獲得壓力能,再通過LNG板翅式換熱器換熱冷卻,冷卻后氣體通過節(jié)流降壓,獲得低溫LNG,主要工藝流程(換熱流程)和設(shè)備(天然氣壓縮機(jī)、LNG板翅式換熱器、節(jié)流閥)市場(chǎng)應(yīng)用廣泛,無技術(shù)困難點(diǎn),該方案技術(shù)可行。

2)因接收站氣態(tài)LNG外輸量存在不確定性,當(dāng)LNG外輸量過低,儲(chǔ)罐自蒸發(fā)BOG氣體處理量會(huì)增加,單靠新增設(shè)的1臺(tái)BOG 壓縮機(jī)不能完全處理儲(chǔ)罐產(chǎn)生的BOG,剩余部分BOG 還要通過加壓及換熱冷卻后變成液體,與儲(chǔ)罐自有液體混合通過加壓供給,換熱后的LNG溫度較高,故造成總體LNG外輸溫度升高要求,降低LNG供應(yīng)溫度降溫效果。

3)項(xiàng)目主體建設(shè)在冷能空分廠區(qū)內(nèi),項(xiàng)目建設(shè)報(bào)批報(bào)建、安全條件論證、施工周期以空分廠區(qū)界面為主體,整體施工周期可控。

5 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析

基于上述方案分析,結(jié)合根據(jù)現(xiàn)役LNG冷能空分裝置及LNG接收站運(yùn)行情況,以及市場(chǎng)調(diào)研情況,進(jìn)行分析如下。

5.1 方案一

在投資方面,所需投資設(shè)備較少、占地面積小、工程造價(jià)較低、僅需增設(shè)1套高壓BOG壓縮機(jī)及配套設(shè)備設(shè)施;在工藝技術(shù)方面,該工藝技術(shù)成熟簡(jiǎn)單,技術(shù)方案可復(fù)制原LNG接收站內(nèi)工藝方案

但是該高壓BOG壓縮機(jī)的啟停受制于LNG接收站外輸情況及LNG儲(chǔ)罐的運(yùn)行情況,設(shè)備可操作性及運(yùn)行時(shí)長無法保證,難以穩(wěn)定控制供應(yīng)冷能空分的LNG外輸溫度。

5.2 方案二

在投資方面,所需投資設(shè)備相對(duì)較多,需增設(shè)螺桿式天然氣壓縮機(jī)1臺(tái)、LNG預(yù)冷循環(huán)換熱冷箱1臺(tái),以及配套的天然氣和循環(huán)水工藝管道,工程造價(jià)相比方案一會(huì)增加近一倍投入;在工藝技術(shù)方面,新增LNG循環(huán)制冷系統(tǒng)工藝流程主要是以壓縮常溫氣態(tài)天然氣獲得壓力能,再通過LNG板翅式換熱器換熱冷卻,冷卻后氣體通過節(jié)流降壓,獲得低溫LNG,主要工藝流程(換熱流程)和設(shè)備(天然氣壓縮機(jī)、LNG板翅式換熱器、節(jié)流閥)市場(chǎng)應(yīng)用廣泛,無技術(shù)困難點(diǎn)。該方案需結(jié)合各家空分裝置進(jìn)行匹配設(shè)計(jì),需增設(shè)更多控制回路及配套控制儀表,投資增多、工藝流程較為復(fù)雜;但是該方案有良好的操作彈性,可根據(jù)接收站LNG外輸溫度實(shí)時(shí)調(diào)整LNG循環(huán)制冷系統(tǒng)運(yùn)行效率,使LNG進(jìn)空分裝置溫度穩(wěn)定在設(shè)計(jì)工況內(nèi),以保證工廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)語

近年來,各地LNG接收站都如火如荼的建設(shè)中,各接收站將有新增儲(chǔ)罐計(jì)劃,同時(shí)隨著LNG冷能發(fā)電、冷能制冰、數(shù)據(jù)中心冷庫等冷能利用項(xiàng)目建設(shè)投用,LNG冷能空分裝置產(chǎn)量都或多或少受 LNG 溫度影響。后續(xù)隨著接收站儲(chǔ)備、調(diào)峰作用日益突出,冷能空分面臨的生產(chǎn)運(yùn)行壓力也會(huì)日益明顯,這也給后續(xù)冷能利用項(xiàng)目建設(shè)提出了新的要求。現(xiàn)階段對(duì)已有冷能空分裝置來講,利用現(xiàn)有條件進(jìn)行裝置降本增效挖潛是非常有必要的,生產(chǎn)上影響裝置效益的參數(shù)還有很多,并且多個(gè)參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián),此處不再一一分析。但綜合來講,通過本文分析總結(jié)LNG冷能空分裝置當(dāng)前生產(chǎn)運(yùn)行情況及未來LNG接收站建設(shè)情況,上述方案均可有效保障冷能空分裝置運(yùn)行穩(wěn)定性,降低LNG供應(yīng)溫度。建議在接收站初期設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)將LNG冷能空分裝置作為冷能利用配套項(xiàng)目,并充分考慮方案一,并統(tǒng)籌考慮;方案二不論從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全等方面分析,對(duì)已建成的LNG冷能空分裝置的技改更具有優(yōu)勢(shì)性,新增LNG循環(huán)制冷系統(tǒng)可有效改善LNG供應(yīng)溫度品質(zhì),提高工廠運(yùn)行穩(wěn)定性。