LNG接收站再冷凝器工藝控制研究

劉慶勝，周琳琳

（中國(guó)石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司，山東 青島266400）

液化天然氣（LNG）接收站內(nèi)由于儲(chǔ)罐、設(shè)備及循環(huán)管線的外界熱量侵入等原因，會(huì)產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣（BOG），對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成不利影響［1］。目前，LNG接收站的BOG回收工藝可以分為直接加壓至高壓外輸氣管網(wǎng)和BOG再冷凝兩種。直接加壓的方式適合外輸管網(wǎng)壓力較小（2～3MPa）的接收站；對(duì)于高壓力的管網(wǎng)，直接加壓BOG外輸能耗太高，因而國(guó)內(nèi)的接收站皆采用BOG再冷凝工藝［2］。

BOG再冷凝工藝的主要設(shè)備包括BOG壓縮機(jī)和再冷凝器，再冷凝器主要功能：提供足夠的BOG與LNG接觸空間，并保證足夠的接觸時(shí)間，利用過(guò)冷的LNG將BOG冷凝；作為高壓泵的入口緩沖罐，保證高壓泵的入口壓力穩(wěn)定［3］。再冷凝器作為BOG回收系統(tǒng)的核心設(shè)備，在接收站工藝中承擔(dān)著承上啟下作用，確保其穩(wěn)定運(yùn)行是目前LNG接收站普遍存在的難題［4］。

1 項(xiàng)目介紹

山東LNG接收站建于青島董家口港，一期接收能力為3Mt／a，供氣能力為4.5×1010m3／a，站內(nèi)設(shè)有4臺(tái)1.6×105m3儲(chǔ)罐、2臺(tái)BOG壓縮機(jī)、1臺(tái)BOG冷換器、1臺(tái)再冷凝器。BOG回收系統(tǒng)如圖1所示。儲(chǔ)罐及管道、設(shè)備等產(chǎn)生的BOG輸送至BOG總管，通過(guò)BOG總管送入壓縮機(jī)加壓至0.87MPa，升溫至52℃，加壓后的BOG由高壓泵加壓后的過(guò)冷LNG在BOG冷換器中降溫至－80℃，然后與罐內(nèi)低壓泵輸出的LNG與再冷凝器中混合降溫，液化成LNG后在再冷凝器底部與低壓泵輸出的另1股LNG匯合，經(jīng)高壓泵加壓至汽化器外輸。

2 LNG接收站再冷凝器控制系統(tǒng)

山東LNG接收站再冷凝器的主要控制參數(shù)有：流量控制，即控制冷凝BOG所需LNG的量；液位控制，即控制再冷凝器內(nèi)LNG的液位LT；壓力控制，即控制再冷凝器頂部、底部壓力和高壓泵吸入口飽和蒸氣壓。山東LNG項(xiàng)目再冷凝器控制系統(tǒng)如圖2所示。

2.1 控制冷凝BOG所需LNG的量

BOG再冷凝工藝的核心參數(shù)為冷凝BOG所需LNG與BOG的質(zhì)量比［5］，質(zhì)量比計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式［3］為

式中：qV1——通過(guò)再冷凝器的LNG體積流量，m3／h；qV2——進(jìn)入再冷 凝器的標(biāo)準(zhǔn)體積流 量，m3／h；T1——BOG 氣 體的溫度，℃；T2——BOG氣體的露點(diǎn)溫度，℃；p——再冷凝器頂部壓力，MPa；R——比例常數(shù)；A，B——常數(shù)。

圖1 山東LNG項(xiàng)目BOG回收系統(tǒng)

注：虛線——BOG管線；實(shí)線——LNG管線

圖2 山東LNG接收站再冷凝器控制系統(tǒng)示意

從式（1）可以看出，影響質(zhì)量比的主要因數(shù)為BOG氣體的溫度及再冷凝器頂部壓力。當(dāng)BOG氣體溫度恒定時(shí)，隨著再冷凝器頂部壓力的增大，BOG氣體露點(diǎn)溫度升高，使BOG氣體更容易被液化，從而使質(zhì)量比降低。當(dāng)再冷凝器頂部壓力恒定時(shí)，隨著BOG氣體溫度的升高，質(zhì)量比也會(huì)增加，因?yàn)楫?dāng)BOG氣體溫度升高時(shí)，為降低BOG氣體溫度所需的LNG量就會(huì)增加。

再冷凝器的流量控制為串級(jí)控制系統(tǒng)，F(xiàn)Y0002A通過(guò)采集FT0002，TT0007，PT0007的信號(hào)，計(jì)算進(jìn)入再冷凝器的標(biāo)準(zhǔn)工況下的BOG量；FY0002B根據(jù)FY0002A的計(jì)算結(jié)果、TT0007所測(cè)BOG氣體的溫度、PT0008所測(cè)再冷凝器的壓力，計(jì)算出冷凝BOG所需LNG的量，作為給定值送入FIC0001；FT0001所測(cè)的LNG流量作為反饋值送入FIC0001，給定值和反饋值產(chǎn)生偏差信號(hào)控制FV0001的開度，從而控制進(jìn)入再冷凝器的LNG量。

2.2 控制再冷凝器液位LT

在實(shí)際運(yùn)行中，再冷凝器液位過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致LNG進(jìn)入到BOG系統(tǒng)，液位過(guò)低時(shí)會(huì)導(dǎo)致高壓泵抽空，故再冷凝器液位是至關(guān)重要的控制參數(shù)。當(dāng)液位低時(shí)，通過(guò)串級(jí)控制 LIC0101，F(xiàn)Y0101，PY0101A降低BOG壓縮機(jī)能力，以減少BOG進(jìn)入再冷凝器的量，降低再冷凝器底部壓力。當(dāng)PT0102檢測(cè)到壓力降低時(shí)，增加旁路閥門PV0102A和PV0102B開度，減少再冷凝器輸入至高壓泵LNG量，提升再冷凝器液位。當(dāng)液位高時(shí)，通過(guò)LIC0101打開LV0004，將高壓天然氣（NG）充入再冷凝器，增大再冷凝器壓力，減小旁路閥門開度，增加再冷凝器輸入至高壓泵LNG的量，從而降低再冷凝器液位。

2.3 壓力控制

1）控制再冷凝器頂部、底部壓力。再冷凝器底部壓力控制通過(guò)PV0102A和PV0102B分程控制，保持再冷凝器底部壓力穩(wěn)定，從而保證高壓泵入口壓力及再冷凝器液位的穩(wěn)定。頂部壓力通過(guò)高壓控制器PIC0008進(jìn)行控制，當(dāng)頂部壓力超高時(shí)，開啟閥門PV0008，將BOG放空以減少再冷凝器頂部壓力。

2）控制高壓泵吸入口飽和蒸氣壓差。當(dāng)外輸較少時(shí)，再冷凝器的平穩(wěn)控制是LNG接收站安全平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。如果流量過(guò)小會(huì)導(dǎo)致高壓泵吸入口溫度過(guò)高，同時(shí)飽和蒸氣壓差減小使得高壓泵運(yùn)行不穩(wěn)定［6］。當(dāng)再冷凝器旁路流量低于流量設(shè)定值時(shí)，通過(guò)控制器FIC0101及低選器FY0101來(lái)控制降低BOG壓縮機(jī)負(fù)荷，從而使進(jìn)入再冷凝器的BOG量減少，需要冷凝BOG所需的LNG量相應(yīng)減少，再冷凝器出口熱態(tài)LNG減少，再冷凝器旁路冷態(tài)LNG量相應(yīng)增加，高壓泵入口LNG溫度降低，飽和蒸氣壓差升高。

3 影響再冷凝器的因素及對(duì)策

3.1 BOG溫度變化的干擾

在卸船時(shí)，由于預(yù)冷卸料臂產(chǎn)生的天然氣會(huì)推動(dòng)氣相返回管道中常溫的天然氣進(jìn)入再冷凝器氣相空間，導(dǎo)致進(jìn)入再冷凝器的BOG溫度升至50℃；在卸料過(guò)程中，由于岸上向船艙返氣，儲(chǔ)罐中溫度較低的BOG進(jìn)入BOG管網(wǎng)，使得進(jìn)入再冷凝器的溫度降低至－30℃。進(jìn)入再冷凝器BOG溫度的變化會(huì)引起再冷凝器氣相空間溫度變化，極易造成再冷凝器液位波動(dòng)［7］。同理，在槽車裝車時(shí)，會(huì)引起部分BOG從槽車回到LNG儲(chǔ)罐，特別是冷車過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的高溫BOG，引起B(yǎng)OG系統(tǒng)溫度上升，導(dǎo)致BOG再冷凝器溫度不穩(wěn)定［8］。

為此，該LNG項(xiàng)目在BOG進(jìn)入再冷凝器前引入BOG冷換器環(huán)節(jié)，用經(jīng)過(guò)高壓泵后的過(guò)冷LNG對(duì)BOG進(jìn)行冷卻。如圖2所示，通過(guò)TT0007檢測(cè)進(jìn)入再冷凝器BOG的溫度信號(hào)，送入TC0010用來(lái)控制閥門TV0010的開度，控制高壓泵進(jìn)入冷換器的LNG量，使進(jìn)入再冷凝器的BOG溫度穩(wěn)定在－80℃，有效地降低了BOG溫度波動(dòng)對(duì)再冷凝器的影響。

3.2 壓縮機(jī)負(fù)荷變化的干擾

壓縮機(jī)負(fù)荷調(diào)整會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入再冷凝器BOG量的大幅變化［9］。由于控制進(jìn)入再冷凝器LNG量的調(diào)節(jié)閥PV0102A／B具有一定的滯后性，壓縮機(jī)的負(fù)荷增加會(huì)導(dǎo)致多余的BOG無(wú)法及時(shí)冷凝，使再冷凝器壓力過(guò)高，液位下降；壓縮機(jī)負(fù)荷減少會(huì)導(dǎo)致BOG過(guò)度冷凝，使得再冷凝器壓力降低，液位升高。針對(duì)該問(wèn)題，可在實(shí)際操作中，當(dāng)儲(chǔ)罐壓力較低時(shí)不啟動(dòng)壓縮機(jī)，當(dāng)儲(chǔ)罐壓力較高時(shí)，直接將壓縮機(jī)啟動(dòng)至100%，從而避免壓縮機(jī)階躍性調(diào)整對(duì)再冷凝器的影響，同時(shí)降低了壓縮機(jī)運(yùn)行引起的損耗，避免壓縮機(jī)因?yàn)闇囟冗^(guò)高而停車。

3.3 再冷凝器旁路管道壓力變化的干擾

在啟泵時(shí)，高壓泵吸入端壓力下降，由于再冷凝器旁路控制閥門PV0102A／B的自動(dòng)調(diào)節(jié)存在滯后，導(dǎo)致再冷凝器底部壓力下降，液位下降；在停泵時(shí)，會(huì)導(dǎo)致再冷凝器底部壓力上升，液位上升。同理，接收站內(nèi)多輛槽車同時(shí)裝車，交叉啟停，也會(huì)導(dǎo)致低壓輸出總管壓力波動(dòng)較大，影響再冷凝器平穩(wěn)控制［10］。針對(duì)該問(wèn)題，可在實(shí)際操作過(guò)程中，啟泵時(shí)將再冷凝器液位調(diào)至最高，停泵時(shí)將再冷凝器液位調(diào)至最低，盡量減少泵的啟停對(duì)再冷凝器液位的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

BOG回收系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是LNG接收站操作時(shí)必須重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵問(wèn)題之一，然而國(guó)內(nèi)已建LNG接收站再冷凝器因控制回路復(fù)雜、干擾因素多，導(dǎo)致操作不穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)山東LNG接收站再冷凝器流量、液位、壓力控制系統(tǒng)的分析研究，并對(duì)接收站操作過(guò)程中的BOG管網(wǎng)溫度變化、BOG壓縮機(jī)負(fù)荷變化、高壓泵的啟停導(dǎo)致低壓管網(wǎng)壓力波動(dòng)對(duì)再冷凝器的干擾進(jìn)行了分析，筆者提出了具體的解決辦法。

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