液化天然气接收站BOG处理系统的研究

董龙伟

中石化北海液化天然气有限责任公司, 广西 北海 536000

0 前言

随着我国经济的快速发展,对清洁能源的需求日益增长。液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)作为一种清洁高效的能源正在被世界各国推广应用,其在世界各国所占的能源比重日趋增长[1]。据统计天然气在世界一次能源结构中所占比例为20.5%[2],并以每年3%的速度保持增长[3]。液化天然气接收站在储存LNG过程中由于自身的物性特点,会不断产生蒸发气(Boil-Off Gas,BOG)[4]。BOG处理不及时会对整个接收站造成重大的安全隐患。

目前,国内外学者对BOG处理系统进行了大量的研究。Park C等人研究了最小LNG外输工况下BOG的处理量并通过新增换热设备的方式降低BOG的处理成本[5]。Querol F等人应用Aspen Plus研究了卸船工况下BOG的最大产生量并通过对比分析得出BOG的再冷凝处理相比于直接压缩能够减少50%的能耗[6]。王小尚等人研究了BOG处理的4种工艺方法并针对青岛LNG接收站提出了BOG再冷凝工艺的优化措施[7]。当前BOG处理系统的研究多集中于整个工艺外输系统总能耗的分析。本文将重点研究处理每吨BOG所需增加的能耗进行理论分析与数值计算。研究成果可为新建LNG接收站BOG处理系统的选择提供依据。

1 BOG的产生

目前,国内LNG接收站多采用地面全包容式混凝土穹顶罐[8]。LNG在储存与运输过程中由于储罐与LNG管线保冷材料的冷损失、设备运行散热以及接卸船时LNG物料的置换等均会造成BOG的产生[9-10]。

1.1 LNG储罐自然蒸发产生BOG的量

储罐在正常储存LNG过程中,由于保冷材料的冷损失以及储罐内外环境温度的差异导致LNG吸收外部热量气化产生BOG气体。工程计算中通常采用式(1),计算产生的BOG的量M1[11]。

(1)

式中:M1为储罐自然蒸发产生BOG的量,kg/h;A为LNG的静态蒸发率,一般取0.05%;Ve为储罐内LNG的存储量,m3;ρLNG为LNG的密度,kg/m3。

1.2 LNG输送管道吸热产生的BOG的量

管道在输送LNG时,由于保冷管线与外界环境存在热传导、热辐射等方式的换热,管线内部的LNG因吸收外界环境的热量气化产生BOG,其产生量M2的计算公式如下[12]:

(2)

式中:M2为LNG输送管道吸热产生BOG的量,kg/h;Sj为站内LNG管道的表面积,m3;γ为LNG的气化潜热,kJ/kg;t0为管道输送LNG的运行时间,h;Q为单位面积保冷层的冷损失量,W/m2,Q可以通过式(3)计算[13]。

(3)

式中:D0为裸管道的外径,m;D1为管道保冷层的外径,m;λ为保冷材料的导热系数,W/(m·K),通常取 0.012 1 W/(m·K)[14];T0为管道外表面的温度,K;T1为环境温度,K。

1.3 接卸船过程中产生BOG的量

在接卸LNG运输船期间,LNG进入储罐将置换出储罐内气相空间的BOG[15]。在不考虑新旧物料参混时产生BOG量的前提下,可以采用式(4)计算卸料置换产生BOG的量M3。

(4)

式中:M3为卸料置换产生BOG的量,kg/h;QLNG为卸料时的全速流量,m3/h;MV为混合BOG的摩尔质量,g/mol;T为标准状态温度,273.15 K;TT为LNG储罐顶部气相空间的温度,K;p为标准大气压,101.325 kPa;pT为LNG储罐顶部气相空间的压力,kPa。

在进行槽车充装时,同样可以采用式(4)计算LNG装车时置换产生BOG的量。

1.4 高低压泵运行过程中产生BOG的量

储罐内低压泵对LNG升压后通过保冷循环管线再次进入到储罐内部,低压泵对LNG所做的功将最终转换为热量被LNG吸收[16]。单台低压泵做功产生的BOG的量可以用式(5)计算[11]。

(5)

式中:ML为单台低压泵运行产生BOG的量,kg/h;WZ为低压泵正常工作时的功率,kW;tz为低压泵的运行时间,3 600 s;Qb为保冷循环流量,t/h;QZ为低压泵正常输送的量,t/h。

低压LNG经过高压泵增压后一部分进入高架式海水汽化器气化后外输,另一部分通过零输出保冷循环管线返回储罐。高压泵对返回储罐LNG所做的功最终转化成热量被LNG吸收。单台高压泵做功产生BOG的量同理可以采用式(5)计算。

1.5 不同工况下LNG接收站产生BOG的量

根据LNG接收站的工艺状况不同,可将LNG接收站运行分为8种工况。本文以广西某LNG接收站为例,进行不同工况下BOG产生量的计算。相关参数如下:4座16×104m3的LNG储罐,高液位为33 m,低液位为3 m,罐内压力为18.8 kPa,LNG常压下沸点为-162 ℃,密度为425 kg/m3,气化潜热为523.4 kJ/kg,BOG的操作温度为-126.7 ℃。其中,LNG与BOG组分的摩尔百分比,见表1。卸船工况下全速卸料速度为11 147 m3/h,槽车充装速度为720 m3/h,LNG管线的表面积为4 077 m3。码头与槽车的保冷循环流量为79.5 t/h。零输出循环管线的保冷循环流量为10.3 t/h。根据以上参数,对LNG接收站在不同工况下BOG的产生量进行计算,结果见表2。

由表2分析可知,在卸船期间产生大量的BOG,当储罐处于较高液位时槽车正常外输的工况下BOG产生量最大为29.2 t/h。该LNG接收站在正常工况下非卸船模式,BOG的产量在3.1～8.4 t/h之间。

表1 LNG与BOG的组分表 (%)

表2 LNG接收站不同工况下BOG的产生量表 t/h

2 BOG的工艺处理

2.1 BOG处理方式

目前,国内外处理BOG的方式主要为以下四种类型:直接压缩BOG外输、BOG再冷凝外输、BOG间接热交换再液化、蓄冷式再液化[17-18]。其中,直接压缩BOG外输分为直接压缩高压外输和直接压缩低压外输;BOG再冷凝外输又可分为再冷凝低压外输,再冷凝高压外输。直接压缩BOG外输、BOG再冷凝外输处理方式为多数国内LNG接收站所采用。直接压缩BOG外输即工艺区产生的BOG通过BOG总管输送到低压BOG压缩机压缩至0.75 MPa,然后送入高压压缩机压缩至7.74 MPa,通过汇管与汽化器来的天然气汇合后进行高压外输。工艺流程见图1,其中虚线框内代表直接压缩BOG低压外输给下游低压用户。

图1 直接压缩BOG(高压/低压)外输工艺流程图

BOG再冷凝外输即工艺区产生的BOG通过BOG总管输送到低压BOG压缩机压缩至0.75 MPa,然后送入再冷凝器,低压总管的LNG一部分进入再冷凝器对BOG进行液化,经液化后通过低压总管汇入高压泵入口,通过高压增压至7.5 MPa送入汽化器进行气化后外输,工艺流程见图2，其中虚线框内代表BOG再冷凝低压外输的工艺流程。

图2 BOG再冷凝(高压/低压)外输工艺流程图

通过文献分析对比,直接压缩外输与再冷凝外输的优缺点见表3[19- 20]。

表3 直接压缩BOG外输与BOG再冷凝外输的对比表

2.2 BOG处理量对能耗的影响

以广西某LNG接收站为例,通过模拟计算研究不同BOG处理量时,处理1 t BOG所需增加消耗的能耗(即平均能耗,单位kW/t)见图3。

a) 设备能耗

b) 设备平均能耗图3 BOG处理量对能耗的影响曲线图

分析图3可知,随着BOG处理量的增加,设备的总能耗不断增加。相比于其它设备,压缩机在处理不同BOG量时其能耗增加量更大，这是由于压缩气体过程中,一部分功转换成热量损失掉，处理BOG所需的平均能耗随BOG处理量的增加逐渐增多。以广西某LNG接收站为例,最小BOG处理量的平均能耗与最大BOG处理量的平均能耗相差17.9 kW/t。当BOG产生量大于25 t时,其平均能耗增幅速度减缓并趋于稳定。当前工况下,该稳定值为20.1 kW/t。

2.3 再冷凝器的工作压力对能耗的影响

a) 设备能耗

再冷凝器在工作过程中其压力的调整对整个工艺运行的平稳性影响较大。本文将从能耗的角度对再冷凝器的工作压力进行分析,确定再冷凝器的工作压力。以LNG接收站在正常工况非卸船模式下BOG的产量为8.4 t/h为参数,进行不同压力下设备能耗的计算,计算结果见图4。

b) 设备平均能耗图4 再冷凝器的工作压力对能耗的影响曲线图

分析图4可知,再冷凝器的工作压力对BOG处理设备的总能耗影响较小。随着再冷凝器工作压力的增加,压缩机出口压力增大其对应的能耗增加。由于再冷凝器工作压力的增大,高压泵入口的压力增加,在高压外输压力保持不变的前提下,高压泵的能耗降低。分析图4-b)可知,BOG处理设备的平均能耗随再冷凝器压力的增加呈现先降低后升高的趋势。在不考虑工艺运行条件限制的前提下,再冷凝器存在最佳工作压力。当前工况下,再冷凝器的最佳工作压力为0.95 MPa。对比分析BOG处理设备的平均能耗可以获知,平均能耗的最大值与最小值仅相差0.28 kW/t,对其影响较小。再冷凝器日常运行中考虑到工艺操作的平稳性,一般将其运行压力控制在0.75～0.9 MPa。

2.4 BOG再冷凝工艺的改进

再冷凝器在实际运行过程中,其气液的质量比一般为1∶10(即液化1 t BOG需要约10 t的LNG)。这是由于BOG经压缩机压缩后温度可达75 ℃,在未经冷却的前提下直接进入再冷凝器进行液化,需要大量的LNG对其进行冷却、液化[21]。LNG经过高压泵增压后进入汽化器进行气化,LNG进入海水汽化器的温度越高其气化所需要的海水流量越低。为了降低BOG进入再冷凝器的温度,增加进入海水汽化器LNG的温度,减少LNG的用量,降低泵的能耗。综合分析,可以采用增设BOG冷换器设备的方式来实现,见图5。

图5 BOG再冷凝工艺的改进流程图

BOG再冷凝工艺改进后,分别模拟计算不同BOG处理量时的设备能耗，见图6。

a) 工艺改进后设备能耗

b) 工艺改进后设备平均能耗图6 BOG再冷凝工艺改进后的能耗对比曲线图

分析图6可知,随BOG处理量的增大,单台设备的能耗与设备总能耗均呈一次函数增长。与BOG再冷凝工艺改进前不同,平均能耗在改进后均小于改进前。随着BOG处理量的增加,改进工艺前、后平均能耗的差值逐渐增大。以广西某LNG接收站为例,最小BOG处理量2.2 t时平均能耗相差0.24 kW/t,最大BOG处理量29.2 t时平均能耗相差2.88 kW/t。因此,增设BOG冷换器后,可以减少BOG处理设备的平均能耗,进而减少LNG接收站工艺处理的用电量。

3 结论

1)BOG处理设备的平均能耗,随BOG处理量的增加而增大,且平均能耗增幅速度逐渐减缓并趋于稳定。

2)再冷凝器的工作压力对BOG处理设备的平均能耗影响较小,存在最优压力值使平均能耗降到最低。当前工况最优压力值为9.5 MPa。一般考虑工艺因素,再冷凝器的压力值控制在0.75～0.9 MPa。

3)增设冷换器能够降低BOG处理设备的平均能耗,且BOG处理量越大,其平均能耗降低越多。

4)平均能耗作为参数的计算结果可以为新建LNG接收站BOG处理系统的选择及其工艺优化提供依据。