關于LNG接收站再冷凝器最大吸收率的問題探討

郭冰冰，李佳霖

（1.廣東珠海金灣液化天然氣有限公司，廣東珠海 519000；

2.中海石油瀚海能源投資有限公司，廣東珠海 519000）

LNG 接收站在運行過程中，由于儲罐和管道內的LNG受熱蒸發不斷地產生BOG，為了控制儲罐壓力，必須將這些BOG 處理掉。LNG 接收站通常有兩種處理BOG 的方法[1-2]，一種是通過兩臺BOG 壓縮機將BOG 二次加壓外輸至管網，另一種則是通過再冷凝器和過冷的LNG 將一級加壓后的BOG液化成LNG，然后加壓氣化輸送至管網。后者是一種較為節能的處理BOG 的方式，國內的LNG 接收站也普遍都使用再冷凝器來處理BOG。

1 再冷凝器的工作原理

查天然氣的物理性質圖[3]可知，天然氣在常壓（0.101MPaA）時飽和溫度為-161.5℃，壓力為0.684～0.763MPaG 時的飽和溫度區間為-129～-127℃。正常運行時，進入再冷凝器的LNG壓力約為0.7MPaG，溫度約為-157℃，該LNG 處于過冷狀態，該狀態下的LNG 再吸收BOG 的過程中，溫度逐步上升，直至達到飽和狀態（約-128℃）。

若再冷凝器出口的LNG 處于過冷狀態，說明再冷凝器沒實現完全吸收BOG；若再冷凝器出口的LNG 處于飽和溫度狀態，說明再冷凝器對BOG 吸收能力已達到最大值。

2 再冷凝器吸收BOG的液氣質量比ML/B

再冷凝器吸收BOG 的液氣質量比ML/B是反映再冷凝器吸收BOG 能力的主要參數，質量比ML/B 越小，同樣質量的LNG 吸收BOG 的能力就越強。但是，ML/B受以下五個因素的工況影響：

1）LNG 的溫度；

2）LNG 的組份；

3）BOG 的溫度；

4）BOG 的組份；

5）再冷凝器的壓力。

以上五個因素中，LNG 的溫度、組份以及BOG 的組份在LNG 接收站的日常運行過中變化不大，故將其忽略，不做討論。下圖為再冷凝器壓力PT 與液氣比ML/B 的關系圖。如圖1所示：

圖1 再冷凝器壓力與質量比ML/B的關系圖

由上圖可知，再冷凝器壓力越高，ML/B越小，吸收率越高，但當壓力高于0.7MPaG 后，ML/B 的下降趨勢趨于平緩。考慮到再提高再冷凝器壓力，BOG 壓縮機出口壓力也會升高，BOG 溫度也會升高，BOG 溫度升高也將導致吸收率下降。因此，LNG 接收站的再冷凝器設計工作壓力都在0.65～0.75MPaG之間，建議在操作再冷凝器時，將其壓力控制在0.67～0.74MPaG的范圍內。

日常操作中，BOG 的溫度對ML/B 影響也較大。再冷凝器壓力為075MPaG 時，ML/B與BOG 溫度的關系圖。如圖2所示：

圖2 ML/B與BOG溫度的關系曲線圖

由上圖可知，再冷凝器的液氣比受BOG 溫度的影響較大，在操作再冷凝器時，需要盡量控制BOG 壓縮機出口溫度，在BOG 溫度偏高時，適當提高再冷凝器吸收BOG 的ML/B。

3 高壓泵對再冷凝器BOG吸收率的影響

3.1 再冷凝器出口LNG溫度對高壓泵正常運行的影響分析

再冷凝器和高壓泵的工藝流程，如圖3所示：

圖3 再冷凝器和高壓泵的流程圖

經過再冷凝器吸收后的BOG 重新成為LNG，輸送到高壓泵用于加壓氣化外輸。理論上，再冷凝器出口的LNG 溫度即為高壓泵的進口溫度，只要該溫度下的LNG 稍微過冷即可滿足高壓泵的運行需求，實際操作中發現，運行中的高壓泵進口溫度若高于-136℃，高壓泵泵筒液位開始下降，現場可聽到隨溫度繼續升高，泵筒內LNG 氣化發生的聲音逐漸增大，高壓泵進口溫度若達到-133℃時，就發生泵筒液位低低聯鎖停泵。

以上情況導致在日常操作中不得不開啟再冷凝器的旁路（LV-0373A/B）閥門補充過冷LNG，使得再冷凝器出口LNG溫度降低到-136℃以下，從旁路補充過冷LNG 會導致再冷凝器處理BOG 的能力下降，原本再冷凝器出口LNG 中原BOG的質量可占1/9，但經過旁路補充LNG 后，高壓泵出口LNG中原BOG 的質量僅能占到1/11甚至更小。

經過大量試驗和現場觀察，高壓泵進口溫度高于-136℃時發生的液位波動和下降現象，確定是泵筒內LNG 發生了氣化導致的，LNG 氣化原因只有兩個：

（1）泵筒內壓力下降低于LNG 的飽和壓力；

（2）泵筒內的LNG 被加熱超過飽和溫度后氣化。

3.2 高壓泵進口溫度對其正常運行的影響原因分析

觀察發現，運行的高壓泵泵筒壓力與再冷凝器壓力之間不存在壓差。可以確定高壓泵泵桶液位下降不是由高壓泵泵筒的壓降引起的。是否LNG 被加熱而發生氣化引起的呢？

由于高壓泵是臺多級離心泵，LNG 從中上部側面進入泵筒，被葉輪從泵筒底部中心吸入，加壓到工作壓力后從泵筒頂部輸出，高壓泵葉輪、電機等都浸泡在泵筒內的LNG 中。高壓泵泵筒長約6m，泵筒直徑為0.991m，里面泵體長5.72m，直徑為0.635m，高壓泵共有5個溫度探頭，其中頂部第一個溫度傳感高度位置在電機，第二個溫度傳感高度在電機底部，其余三個溫度傳感的高度在葉輪。由此可知，泵筒內的低壓LNG 處在寬度為0.178m 的環形空間內，加壓后的LNG 流動在直徑為0.635m 的泵筒內，詳見圖3再冷凝器和高壓泵的流程圖。

處于停機滿液保冷備用的高壓泵，泵筒內5個溫度傳感器的溫差不大。正常運行中的高壓泵進出口溫差達到10.6℃，泵桶內5個溫度傳感器的溫差達到10℃，當進口溫度高于-136.7℃后，雷達和差壓液位計均出現波動并下降，隨著進口溫度的升高，液位波動下降越來越劇烈，同時，再冷凝器壓力開始升高；當進口溫度降低后，泵筒液位和壓力逐漸恢復正常。

高壓泵液位隨入口溫度高于-136℃后液位下降的原因有兩個：

高壓泵是多級離心泵，LNG 在多級葉輪中隨著壓力的上升，溫度也逐漸升高，到達葉輪頂部時溫度將高于-125℃，這時LNG 將熱量傳遞給泵體，使得泵體的溫度也高于-125℃。泵體再與泵筒內LNG 發生熱交換，泵筒內的LNG 壓力為0.75MPaG，該壓力下的飽和溫度只有-127 ℃，被溫度達到-125℃的泵體加熱而劇烈氣化。

高壓泵功率較高，電機位置發熱量較大，高壓泵本身是依靠流動的LNG 為其降溫的，當LNG 流量較低時，電機運轉產生的熱量無法被帶走，就會發生LNG 溫度較快上升，甚至被加熱超過飽和溫度而出現劇烈氣化的現象。

由這兩種原因導致泵筒內的LNG 氣化產生的大量BOG，大量的BOG 導致高壓泵泵桶液位下降，在現場可以聽到強烈的氣化聲音。

經驗告訴我們，當高壓泵流量低于200m3/h 時，珠海LNG接收站的高壓泵對進口溫度的要求是低于-136℃，為了更加平穩的運行，建議控制高壓泵入口LNG 溫度低于-139℃。

但是，經過測試，高壓泵流量由200方/小時提升到262方/小時后，入口溫度達到-131.6℃才開始出現液位波動的情況。由此可得出結論，當高壓泵流量繼續增大時，由于更大的LNG 流量可以帶走更多的熱量，高壓泵可以接受更高的入口溫度，同時，其進出口溫差更小。

4 平時工況時再冷凝器最大吸收能力計算

由以上分析可知，在目前珠海LNG 的運行工況下（高壓泵流量低于200m3/h），影響對BOG 吸收的瓶頸在于高壓泵入口LNG 溫度要求在-136℃以下，對此，以這個工況為基礎，計算再冷凝器的最大吸收能力。可以認為保持-136℃的高壓泵入口溫度、750KPaG 壓力是達到最大吸收率的工況參數，以此為條件。結合BOG 溫度對再冷凝器吸收率的影響，計算不同BOG 溫度下接收站高壓外輸最大吸收率。

查LNG 物性表可知，飽和溫度-127℃的LNG 比焓為-160.05kJ/kg，來自低壓泵-157℃的LNG 比焓為-271.26kJ/kg，最終混合成-136℃的LNG，由此計算得兩種溫度LNG 的混合比例為4 ∶1。由此圖2并經計算可得出BOG 溫度為0℃時的ML/B和實際吸收率分別為7.5、9.4，40℃時的ML/B和實際吸收率分別為8.7、10.7。

5 結束語

由此可知，接收站BOG 壓縮機出口溫度保持在40℃左右時，每高壓泵外輸10.7萬方，其中BOG 占1萬方左右，這個情況與實際操作基本一致。實際操作中，若發生液位波動現象，吸收率還達不到1/12，而且會導致再冷凝器壓力升高，只有在接船時，BOG 壓縮機的出口溫度才會低于40℃。