LNG 站BOG 處理技術對比研究

肖榮鴿，戴 政，曹沙沙，李施放，邢 鵬，李 凱

（西安石油大學石油工程學院，陜西 西安 710065）

天然氣因其環保，熱值高，液化后易儲存、運輸等優點備受能源消耗界歡迎，與此相關的各項技術都在不斷發展[1-2]。對于LNG 站來說，-160℃左右的LNG 儲存在絕熱性能較好的儲罐內，仍然會因熱量輸入等因素生成BOG，致使運行設備超壓以及引起其他問題，從而影響LNG 站的安全運行。

為了解決上述問題，研究者們做了大量工作，提出了多種LNG 無外輸情況下BOG 回收處理技術，主要包括低溫制冷機回收、氮膨脹回收、液氮回收、噴射制冷回收、混合冷劑制冷回收、直接壓縮工藝6 種工藝[3-5]。目前，已有學者從功耗、經濟性方面做了部分技術之間的對比。王坤、巨永林[6]從經濟角度對低溫制冷機回收與液氮回收進行了對比，仇德朋[7]從工藝優缺點方面對氮膨脹回收、混合冷劑制冷回收以及噴射液化回收進行了定性分析，鹿曉斌[8]從設備功耗方面對氮膨脹回收、混合冷劑制冷回收以及噴射液化回收做了定量分析，劉浩、金國強[9]選用一些數據，對直接壓縮工藝進行了設備能耗計算。但由于不同研究者采用的BOG 工質和運行參數不同，所以無法籠統地利用相關文獻將上述6 種技術進行比較，對LNG 站選取BOG 回收技術提供參考。故本文采用同一工質及運行參數，從設備功耗、經濟性、優缺點出發，對上述BOG 回收處理技術統一進行模擬對比研究，最后針對不同類型LNG 站在選取BOG 回收技術方面提供建議。

1 BOG 回收技術介紹

1.1 低溫制冷機回收

隨著制冷機技術的不斷發展，低溫制冷機已在眾多領域獲得廣泛使用。采用低溫制冷機回收BOG流程如下：儲罐內產生的BOG 通過管路進入低溫制冷機，由冷頭提供冷量冷卻BOG，液化后儲存在LNG 低溫小儲罐中，到達一定液面高度后，重新流回LNG 儲罐，從而實現對BOG 的回收。

1.2 液氮回收

由于液氮的溫度遠低于LNG 溫度，因此利用液氮對BOG 進行回收。儲罐里的BOG 進入換熱器一端，液氮從換熱器的另一端進入，兩者在換熱器相互換熱后，BOG 受到冷卻液化流回儲罐，氮氣排出，剩余的液氮返回到液氮罐內。

1.3 氮膨脹回收

氮氣壓縮成為高壓氮氣后，進入BOG 回收流程，氮氣經冷卻換熱得到低溫高壓氮氣，再膨脹至常壓狀態，溫度進一步降低，然后進入冷箱與BOG總管輸送來的氣體進行換熱，使BOG 液化，之后氮氣恢復至初始狀態，進入回收系統循環利用。

1.4 噴射制冷回收

將該技術應用到BOG 回收處理的具體流程如下：儲罐內的BOG 經高壓壓縮機加壓至20MPa，進入換熱器冷卻至BOG 臨界溫度以下10℃，之后進入噴射器，利用噴射器原理制冷液化，在此工藝中，進入LNG 儲罐的閃蒸氣可由噴射器吸入，重新進入噴射循環系統回收，并且由于BOG 增壓較高，可在液化同時，將其作為CNG 進行外輸，可較好處理LNG 場站工況波動引起的BOG 產生量增大情況。

1.5 混合冷劑制冷回收

該技術利用重組分先冷凝輕組分后冷凝的特點，使BOG 得到不同溫度級的冷量，使BOG 液化為LNG。流程如下：混合冷劑經冷劑壓縮機、冷卻器等設備壓縮、冷卻、分離后進入換熱器與BOG 換熱，將BOG 液化，使用過后的混合冷劑進入分離罐等設備后重新循環使用。

1.6 直接壓縮工藝

LNG 站產生的BOG 進入壓縮機，加壓至外輸壓力后進入外輸管網輸送。

2 基礎參數

表1 BOG 組成

表2 各工藝相關基礎參數

表3 不同類型LNG 站BOG 產生量

表4 各工藝主要設備及傳熱介質

3 對比分析

假設在理想狀態下，各工藝中的管路與設備均無能量損失。即提供的冷量完全被BOG 吸收液化，則由穩態開口系統能量方程，簡化得BOG 液化方程，如式（1）。

可利用上式進行低溫制冷機（110K）回收與液氮制冷回收的相關計算，同時使用HYSYS 軟件Peng-Robinson 方程進行剩余4 種工藝的模擬，以各技術完全處理BOG 為指標，選用表1～表3 有關參數對以上6 種BOG 處理技術進行統一對比研究。

3.1 功耗對比

利用液氮回收BOG，若安裝得當，可利用高度差實現液體自流，無需添加耗能設備。故本小節對其他5 種BOG 處理技術進行設備功耗對比，如圖1所示。

圖1 LNG 站BOG 處理技術功耗對比

圖1（a）為小型LNG 站BOG 處理技術功耗對比圖，可以看出在BOG 產生量較小的情況下，功耗最小的為直接壓縮工藝，其次為低溫制冷機回收，功耗最大的為氮膨脹回收，氮膨脹與噴射制冷回收的功耗，低溫制冷機回收與直接壓縮工藝的功耗幾乎相等；圖1（b）為大中型LNG 站BOG 處理技術功耗對比圖，可得功耗最小的為直接壓縮工藝，最大的為氮膨脹回收工藝，在BOG 產生量處于1000～5000kg/h 范圍內，氮膨脹與噴射制冷回收的功耗相差無幾。氮膨脹、噴射制冷與混合冷劑回收在相同BOG 產生量工況下的功耗遠大于低溫制冷機與直接壓縮工藝，這主要是由于前三種工藝的流程復雜，耗能設備較多造成的。并且我們可以看出，上述BOG 處理技術的功耗均隨著BOG 產生量的增大而增大。

3.2 經濟性對比

在液氮回收中，傳熱介質液氮的價格以700 元/t 計算，其余工藝中的傳熱介質、循環水，在回收過程中有少量損耗，其余部分可循環利用[10]，且相對于設備投入較低，故在建設投資估算中不考慮傳熱介質與循環水所需費用。并鑒于目前市場上未出現能滿足大中型LNG 站BOG 回收的低溫制冷機、液氮罐，所以對低溫制冷回收、液氮回收應用于大中型LNG 站不做經濟對比。最后參考不同文獻中已有的建設成本以及采取設備詢價的方式進行建設投資估算，如圖2 所示。

圖2 LNG 站BOG 處理技術建設投資對比

圖2（a）為小型LNG 站BOG 處理技術建設投資對比圖，圖2（b）為大中型LNG 站BOG 處理技術建設投資對比圖。

假定LNG 站年運行天數為300 天，工業用電0.95 元/kWh，液化天然氣價格3000 元/t，得年回收BOG 增益，根據圖1 數據可得LNG 站一年運行期間各回收技術所需電費。用年回收BOG 增益減去各技術的一年運行費用（運行期間電費、液氮費用）得各技術的年利潤，再用建設投資除以年利潤可得投資回收期，如圖3 所示。

圖3 LNG 站BOG 處理技術投資回收期對比

圖3（a）為小型LNG 站BOG 處理技術投資回收期對比圖，可知在BOG 產生量相等的情況下，投資回收期最短的是低溫制冷工藝，最長的是噴射制冷回收，另外液氮回收技術的投資回收期有緩慢上升的趨勢，主要因為液氮回收成本過高，經式（1）計算得液化1kg 的BOG 需要大約3.2kg 的液氮，成本為2.23 元左右，從而導致了該技術投資回收期增長，其余BOG 處理技術的回收期均有緩慢下降的趨勢；圖3（b）為大中型LNG 站BOG 處理技術投資回收期對比圖，可以得出，大中型LNG 站在BOG產生量相等的工況下，直接壓縮工藝的投資回收期最短，噴射制冷投資回收期最長，且在BOG 產生量為4000kg/h 左右的工況下，氮膨脹與混合冷劑制冷回收的投資回收期相等，在4000～5000kg/h 左右的工況下，氮膨脹與混合冷劑制冷回收的投資回收期幾乎相等，大于5000kg/h 時，氮膨脹工藝投資回收期略高于混合冷劑制冷回收。

3.3 優缺點對比

LNG 站在選擇BOG 回收技術時，不僅要考慮設備功耗、投資回收期等因素，還要根據各回收技術的實際情況進行選擇，現將各回收技術做以比較，如表5。

表5 BOG 回收技術比較

由表5 可知，BOG 回收技術針對小型LNG 站的局限性，主要集中在以下2 個方面：（1）設備需要占用大面積場地；（2）有壓縮機噪音，需要降噪。小型LNG 站多處于城市區域，地價昂貴，由此我們可以基本推斷液氮回收、氮膨脹回收、噴射制冷回收、混合冷劑回收以及直接壓縮工藝不適合用于小型LNG 站；對于大中型LNG 站來講，低溫制冷機與液氮回收由于BOG 產生量過大，現有技術無法滿足處理需求，所以不適用于大中型LNG站。

4 結論

通過對以上BOG 回收技術的梳理，在功耗、經濟性、優缺點對比分析的基礎上，以投資回收期為判別標準，得出結論如下：對于小型LNG 站，選擇低溫制冷機回收BOG 較經濟；對于大中型LNG站，接入外輸管網時，選擇直接壓縮工藝較經濟，在未接入外輸管網時，在BOG 產生量小于4000kg/h時，選擇氮膨脹回收較經濟，大于4000kg/h 時，選擇混合冷劑較經濟。

符號說明

Q—BOG每小時吸收的冷量，kJ/h；mBOG—BOG 質量流量，kg/h；△HBOG—單位質量BOG 液化前后焓差，kJ/kg；P冷風機—低溫制冷機功率，kW；m液氮—液氮的質量流量，kg/h；△H液氮—單位質量液氮汽化潛熱，kJ/kg。