LNG接收站增壓－冷凝系統優化分析

孔令廣，魯毅

（1中石油大連液化天然氣有限公司，遼寧 大連116600；2風控 （北京）工程技術有限公司，北京100025）

引 言

液化天然氣 （LNG）產業是快速行業，至2020年的全球貿易量預期年增長率為5%～7%［1］。在能源消費持續增長以及大氣環境治理的雙重推動作用下，我國LNG產業發展迅速，目前在沿海地區已經有10多個LNG接收站建成投產，至2015年我國LNG接收站年接收能力將達到6500萬噸［2］。再冷凝器是接收站蒸發氣 （BOG）再冷凝工藝的核心設備，由高壓泵、BOG壓縮機和再冷凝器組成的增壓－冷凝系統是影響接收站可靠性的關鍵設備［3－5］。本研究介紹這一系統運行中存在的問題，并基于理論分析與實踐提出了優化方案。

1 LNG接收站及增壓－冷凝工藝

沿海的大型LNG接收站由卸船碼頭接收LNG運輸船上的LNG，經儲存和氣化后通過外輸管網輸送給城市管網或天然氣發電廠等下游用戶。典型的LNG接收站包括LNG卸船、儲存、增壓、BOG處理、氣化、天然氣計量輸出、火炬放空、槽車裝車等工藝單元［6］，如圖1所示。

圖1 LNG接收站工藝流程Fig.1 Process flow diagram of LNG receiving station

LNG運輸船 （B1）抵達LNG接收站專用碼頭后，LNG通過船上卸料泵增壓后經卸料臂（L2）輸送到卸船總管 （S1）中，并經上進料管線（S2）和下進料管線 （S3）儲存到LNG儲罐 （T1）中。卸船過程中，大量的BOG氣體通過氣相返回臂 （L1）返回LNG船，以平衡船艙內壓力。

儲存在儲罐中的LNG通過低壓輸送泵 （P1）增壓后進入低壓輸送總管 （S8）。低壓輸送總管中的部分LNG去槽車裝車外輸 （S9）、碼頭冷循環、小型LNG運輸船裝船外輸。

其余的低壓LNG一部分經過FCV1進入再冷凝器 （V1）的上部吸收經BOG壓縮機 （C1）增壓的BOG氣體；大部分低壓LNG經過再冷凝器旁路管線上的壓力控制閥PCV1A和PCV1B后與再冷凝器底部出口的LNG在管線S16中充分混合，混合后的LNG進入高壓輸送泵。如圖2所示。

經高壓輸送泵 （P2）加壓的LNG進入開架式氣化器ORV（E1）或浸沒燃燒式氣化器SCV （E2）氣化成氣態天然氣，經分析計量后送入外輸管網。

2 增壓－冷凝工藝的控制

再冷凝器有兩個重要功能：提供LNG與BOG充分混合的場所，起到冷凝BOG氣體的作用；作為高壓泵入口的緩沖罐，起到緩沖高壓泵泵井液位的作用［7］。再冷凝器運行過程中要滿足本身的液位和壓力平穩，還要保證其下部出口壓力大于該溫度條件下LNG的飽和蒸氣壓，即滿足高壓泵入口壓力NPSH的要求，避免高壓泵氣蝕［8］。

FIC1在串級控制時，進入再冷凝器上部的LNG流量與進入再冷凝器的BOG流量之間關系式為

式中，QLNG為通過再冷凝器的LNG體積流量2，m3·h－1；QBOG為進入再冷凝器的BOG標準體積流量，m3·h－1（已經經FX－1進行了溫壓補償計算）；R為比例常數；P為再冷凝器底部壓力P0，kPa （表）。

FIC1在摘除串級控制改為單回路控制時，F2的流量大小是通過手動設定的。

正常生產條件下高壓泵入口壓力PIC1設定值為一確定數值Pw，T2溫度下LNG飽和蒸氣壓為P2，如果能夠滿足Pw＞P2，則PIC1自動調節再冷凝器旁路閥PCV1A／PCV1B的開度使P0能夠維持在相對穩定的水平。

圖2 LNG接收站增壓－冷凝工藝與控制簡圖Fig.2 Booster－recondensation system and process control of LNG receiving terminal

圖3 高壓輸送泵出入口管線簡圖Fig.3 High pressure transfer pump inlet and outlet pipe line

圖3中，PDI1為高壓泵入口過濾器壓差，P3為LNG靠近高壓泵井入口處壓力，P4、T4為高壓泵出口壓力和溫度。為了保證高壓泵泵井內產生的BOG氣體能夠及時排放到再冷凝器中，高壓泵泵井設有放空管線及MV手閥，4臺高壓泵的泵井放空線匯聚到放空總管，放空總管連接至再冷凝器。

圖4 高壓輸送泵泵井壓力和過濾器壓差趨勢圖Fig.4 Pump well pressure and filter pressure difference of high pressure transfer pump B—filter pressure difference；C—pump well pressure

3 增壓－冷凝系統運行中存在的問題

LNG接收站運行過程中，由于高壓泵入口過濾器處雜物積累或高分子量烴類物質的凝結，PDI1會逐漸變大，導致高壓輸送泵泵井壓力下降。當PDI1增大到一定數值時，高壓輸送泵泵井液位開始出現較大波動，同時再冷凝器液位持續上漲底部溫度出現明顯下降。

圖4為高壓輸送泵泵井壓力和過濾器壓差趨勢圖。其中B線是高壓輸送泵入口過濾器壓差變化曲線，10：26后過濾器壓差表超過其實際量程；C線是高壓輸送泵泵井壓力變化曲線。從圖中可以看出，在一定范圍內高壓輸送泵泵井壓力隨入口過濾器壓差逐漸增大而減小。

3.1 增壓－冷凝系統問題分析

BOG壓縮機負荷維持在某一確定值，即BOG壓縮機出口壓縮到再冷凝器的BOG氣體量保持不變。高壓泵入口壓力PIC1打到 “自動”狀態，當再冷凝器液位穩定后將FIC1打到手動。此時如果開大流量控制閥FCV1的開度，有更多LNG進入再冷凝器吸收BOG壓縮機輸送來的BOG氣體，此時再冷凝器頂部壓力會變小，從而引起再冷凝器液位上漲；反之，手動關小FCV1的開度會引起再冷凝器液位下降。

但實際生產中遇到的現象是：隨著高壓輸送泵入口過濾器壓差增大，高壓輸送泵泵井入口壓力不斷減小。當高壓輸送泵泵井入口壓力低于某一確定值時，雖然手動關小FCV1的開度，再冷凝器液位仍然保持上漲趨勢，甚至出現FCV1關到0% （圖5）的情況。

圖5 流量控制閥FCV1開度曲線Fig.5 Flow control valve FCV1opening degree

圖6 增壓－冷凝系統主要參數趨勢圖Fig.6 Main parameters of booster－recondensation system

圖7 某LNG接收站高壓輸送泵和再冷凝器相對位置Fig.7 Relative position diagram of high pressure pump and condenser in LNG receiving station

圖6為高壓輸送泵過濾器壓差超過實際量程，高壓輸送泵泵井壓力降低到較低值后，增壓－冷凝系統各參數變化曲線。在Ⅰ～Ⅱ段之間，再冷凝器底部壓力 （E線）、BOG壓縮機到再冷凝器流量（F線，約為900m3·h－1）均保持基本不變。再冷凝器頂部壓力 （D線）和高壓輸送泵泵井壓力（C線）兩條曲線幾乎完全吻合，即再冷凝器頂部壓力和高壓輸送泵泵井壓力幾乎相等，因此可以推測泵井上端和再冷凝器頂端都充滿了BOG氣體。

結合圖4和圖5，對圖6中Ⅰ～Ⅱ時間段內運行情況做進一步分析。再冷凝器液位 （G線）稍微上升；但FCV1在這段時間內的開度一直為零，此段時間沒有LNG進入再冷凝器來吸收壓縮機來的BOG；而再冷凝器液位上升又證明再冷凝器頂部未出現BOG氣體聚集。因此，推斷BOG壓縮機來的BOG被高壓輸送泵通過放空管線吸入高壓輸送泵泵井中。

3.2 放空管線分析

圖7為高壓泵和再冷凝器垂直方向的相對位置圖，4臺高壓泵的泵井放空線 （S1～S4）至放空總管水平段S5的垂直高度均為d1。正常操作條件下再冷凝器頂部壓力P2為0.7MPa，與放空總管S5氣相空間壓力相等；高壓輸送泵入口壓力P3等于再冷凝器出口壓力P0，為0.72MPa，也基本等于高壓輸送泵泵井的壓力。

根據帕斯卡定律

式中，ρ為LNG密度，h為再冷凝器液位，g為重力加速度。

可計算得出圖7中d1段內LNG液柱高度ΔH＝4.44m，實際d1的長度為8.6m，可判定管線S1～S4的上部及總管水平段S5內均充滿BOG氣體。同理可推測，當P2與P3接近或相等時，h接近或等于0，此時d1和d2段全部充滿BOG氣體，即泵井內已經開始吸入來自再冷凝器的BOG氣體。

某LNG接收站正常生產中，BOG壓縮機負荷調整好且再冷凝器液位穩定后，再冷凝器頂部壓力一般保持為0.7MPa。從上面的理論推測，當高壓輸送泵泵井壓力降到低于0.7MPa時，BOG開始倒吸進入高壓輸送泵泵井，開始出現高壓輸送泵泵井液位較大波動、再冷凝器液位持續上漲、底部溫度明顯下降的現象。這一點與實際生產情況吻合。平時的操作過程中，當出現高壓輸送泵泵井壓力較低現象時一定要及時清理過濾器，防止BOG氣體進入泵井而引起高壓輸送泵的氣蝕。另外，要解決上述問題可以對放空管線進行優化設計。

圖8 高壓輸送泵泵井放空管線優化圖Fig.8 Pipeline optimization diagram of HP pump well vent line

3.3 放空管線優化方案

在實際生產中，為了避免上面現象產生，可以對高壓輸送泵泵井放空管線進行優化設計。高壓輸送泵泵井優化圖如圖8所示，d3的長度改短到2～3m （要小于4.44m），以保證4個高壓輸送泵泵井放空線S1～S4以及管線S5的水平段和d4高度充滿LNG。

這種設計的優點：①放空管線能夠起到泄放泵井內產生的BOG氣體的作用；②啟動一臺高壓輸送泵時，另外幾臺高壓輸送泵泵井和再冷凝器同時起到其入口緩沖罐的作用，減小了啟動高壓輸送泵引起的再冷凝器液位波動；③當高壓輸送泵入口過濾器壓差較大時，其余泵井內的LNG可以通過泵放空管線進入到該泵井中，不會引起泵井壓力低，同時也避免了BOG氣體抽入泵井的現象出現，保護高壓輸送泵。

另外，將高壓輸送泵泵井液位計上取壓點的位置做一定的調整，液位計取壓點位置如圖8所示，這樣可以直觀地讀出液位計的讀數，并準確判斷泵井是否存在液封。如果液位讀數變低，則說明壓力表的上取壓點處開始出現BOG氣體。

4 結 論

在高壓輸送泵入口過濾器壓差過大而引起增壓－冷凝系統運行不穩定的基礎上，結合該系統主要參數和閥門變化趨勢圖對存在的問題做進一步的分析，得出高壓輸送泵泵井放空線影響系統運行穩定性的結論，并從理論上對結論的正確性進行了證明，最后針對存在的問題對放空線結構做了優化分析。

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