中國石化天津LNG接收站BOG回收工藝系統(tǒng)研究

王保慶（中石化天津液化天然氣有限責(zé)任公司，天津300457）

0 引言

天津LNG 接收站一期工程已于2018 年2 月投產(chǎn)，二期擴(kuò)建工程建設(shè)工作已全面啟動，計劃2024年建成達(dá)產(chǎn)。擴(kuò)建工程建設(shè)完成后，LNG 接收站整個站場規(guī)模達(dá)1080x104t/a，供氣能力達(dá)126×108m3/a,汽車裝車能力達(dá)180x104t/a。LNG 在接卸、儲存、生產(chǎn)及運(yùn)輸過程中，因環(huán)境熱量的流入、裝卸船過程中的體積置換、閃蒸以及大氣壓力的變化等因素，導(dǎo)致相當(dāng)部分的液化天然氣氣化[1]。這部分蒸發(fā)氣(BOG)會引起LNG儲罐、工藝設(shè)備和工藝管網(wǎng)壓力升高，進(jìn)而引發(fā)事故，需要及時引出處理。本文結(jié)合天津LNG 接收站工藝實(shí)際，介紹項目BOG 產(chǎn)生的機(jī)理回收常用的直接壓縮工藝、再冷凝工藝為基礎(chǔ)進(jìn)行對比，并結(jié)合工藝技術(shù)的發(fā)展相撞，選擇合理的工藝技術(shù)方案。

1 BOG產(chǎn)生量計算

LNG在生產(chǎn)及運(yùn)輸過程中環(huán)境熱量的流入、裝卸船過程中的體積置換、閃蒸以及大氣壓力的變化等因素，導(dǎo)致相當(dāng)部分的液化天然氣氣化。生產(chǎn)過程中BOG主要來熱量的流入，裝卸船過程中的體積置換和閃蒸，溫差和壓差的變化[2]。

1.1 單臺LNG儲罐BOG量

1）熱量吸收產(chǎn)生的BOG量：

外部環(huán)境向LNG儲罐內(nèi)不斷傳遞熱量，儲罐內(nèi)LNG吸收熱量后氣化。通常為了安全，選擇一年中溫度最高的夏季一晝夜的平均吸熱量作為計算標(biāo)準(zhǔn)，采用公式(1)計算BOG量：

qm,1=F/r（1）

式中：qm,1--從環(huán)境正常吸熱產(chǎn)生的BOG量，kg/h

F--LNG高液位(滿液位的80%)下，最熱晝夜從環(huán)境的正常平均吸熱量，kJ/h

r--LNG的氣化潛熱，kJ/kg

2)大氣壓力下降產(chǎn)生的BOG量：

LNG 儲罐一般都裝有自動泄壓裝置。通過壓力表測量儲罐內(nèi)的壓力，將數(shù)據(jù)反饋給控制單元，當(dāng)壓力超過一定值時自動泄壓以維持儲罐的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。由于大氣壓力下降而引起的這部分BOG量可用以下公式(2)進(jìn)行估算：

式中:qm,2--由于大氣壓力下降產(chǎn)生的BOG量，kg/h

qm,G--氣壓下降直接排空的BOG量，kg/h

qm,L--LNG液面過熱產(chǎn)生的BOG量，kg/h

VT--儲罐的氣相空間體積，m3

ρNG--泄放時天然氣的密度，kg/m3

qm,L--外界大氣壓變化時段內(nèi)的大氣壓最低壓力，Pa

△Pmax--外界大氣壓變化時段內(nèi)大氣壓的最大變化率，Pa/h

qm,X--低液位(滿液位的20%)下從環(huán)境吸熱產(chǎn)生的BOG量，kg/h

P1--外界大氣壓變化時段內(nèi)1h內(nèi)的大氣壓最大變化量，Pa

P2--滿液位下對應(yīng)的氣液界面壓力，Pa

AL--氣液界面面積，m2

3）單臺機(jī)泵散發(fā)熱量產(chǎn)生的BOG量：

LNG泵在工作過程中會消耗電能，其中一部分電能會轉(zhuǎn)化為熱能被LNG吸收，由此產(chǎn)生的BOG量按計算公式(3)計算：

式中:qm,3——吸收LNG泵電能轉(zhuǎn)化的熱量產(chǎn)生的BOG量，kg/h

L——散熱系數(shù)

P——LNG泵的額定功率，kW

4)卸料過程的容積置換產(chǎn)生的BOG量：

體積置換指的是隨著LNG 來液的增加，儲罐中的空間被LNG 所填充，使得氣相空間縮小，為維持儲罐的微正壓，部分BOG被擠出儲罐。依據(jù)其定義，體積置換產(chǎn)生的BOG量可用公式(4)進(jìn)行計算：

式中:qm,4——吸收LNG泵電能轉(zhuǎn)化的熱量產(chǎn)生的BOG量，kg/h

vF——LNG充裝速率，m3/h

5）LNG儲罐BOG產(chǎn)生總量

qm,5i=qm,1+qm,2+qm,3×nP+ qm,4

式中:qm,5--LNG儲罐區(qū)產(chǎn)生的BOG量，kg/h

qm,5i—第i臺儲罐產(chǎn)生的BOG量，kg/h

nP--單臺儲罐館內(nèi)泵的運(yùn)行數(shù)量，臺

1.2 槽車裝運(yùn)產(chǎn)生的BOG量

LNG槽車裝運(yùn)過程中，由于槽車罐槽吸熱、罐容置換、壓力變化引起B(yǎng)OG的產(chǎn)生，并通過裝車返回臂輸送至儲罐。

式中:qm,6--LNG槽車充裝站產(chǎn)生的BOG量，kg/h

qc--單臺槽車產(chǎn)生的BOG量，kg/h

nc--槽車充裝作業(yè)臺數(shù)，臺

1.3 LNG船舶卸船作業(yè)產(chǎn)生的BOG量

LNG槽車裝運(yùn)過程中，由于槽車罐槽吸熱、罐容置換、壓力變化引起B(yǎng)OG的產(chǎn)生，并通過裝車返回臂輸送至儲罐。

式中:qm,7—卸船作業(yè)產(chǎn)生的BOG量，kg/h

qi—指i艘LNG船舶產(chǎn)生的BOG量，kg/h

1.4 天津LNG項目BOG總量計算結(jié)果

LNG接收站BOG回收系統(tǒng)的工藝配置過程中，系統(tǒng)最大負(fù)荷通常按各單元最高運(yùn)行負(fù)荷計算，同時兼顧BOG 壓縮機(jī)和BOG運(yùn)行負(fù)荷限制。表1 是不同工況下BOG總量計算值。

表1 不同工況下BOG總量計算表

2 天津LNG接收站BOG回收工藝系統(tǒng)

2.1 國內(nèi)外工藝技術(shù)現(xiàn)狀

從國內(nèi)外已建LNG接收站現(xiàn)狀，BOG處理方式主要有再冷凝、直接壓縮、返補(bǔ)真空、代替氮?dú)獬涮罡魺釋印⑷紵榷喾N形式[3]。當(dāng)外輸量小無法提供足夠的冷能冷凝BOG時或接收站臨近區(qū)域有低壓天然氣用戶或城市低壓管網(wǎng)時，BOG增壓外輸較再冷凝更具節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢；再冷凝工藝根據(jù)冷源供給有形成再冷凝增壓外輸、蓄冷式再冷凝和外加冷源再冷凝等不同形式。表2 是不同BOG回收工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1 BOG再冷凝工藝流程圖

表2 不同BOG回收工藝的優(yōu)缺點(diǎn)

2.2 天津LNG接收站BOG系統(tǒng)工藝流程

根據(jù)天津LNG項目下游用戶用氣需求實(shí)際，全年外輸氣化負(fù)荷穩(wěn)定，季節(jié)、月、日峰谷差小，所以本項目采用再冷凝增壓工藝方案。來自BOG 總管的低壓、低溫天然氣經(jīng)BOG 壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入混合器，與部分低溫LNG混合，冷凝成低溫液體，經(jīng)不凝汽分離罐分離出不凝汽，液體自分凝器底部進(jìn)入高壓泵入口總管增壓氣化外輸，工藝流程見圖1。

2.3 主要設(shè)備

BOG 主要是由于外界能量的輸入產(chǎn)生的，如罐內(nèi)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，外界熱量傳入，大氣壓變化、及卸船時LNG 送入儲罐時造成罐內(nèi)LNG 體積的變化。為操作靈活，一期工程設(shè)置2 臺流量為9.9t/h（考慮10%的裕量）的BOG 壓縮機(jī)；擴(kuò)建工程（二期）增加1 臺處理量為16.1 t/h 的BOG 壓縮機(jī)，滿足裝置BOG 最高負(fù)荷需求。當(dāng)一臺壓縮機(jī)維修時，另兩臺壓縮機(jī)仍可維持無卸船或1座碼頭卸船期間的正常操作,因此不再配置備用壓縮機(jī)。

由于再冷凝設(shè)施核心涉筆采用了項目新開發(fā)的靜態(tài)混合器，全年的維修時段較少，不考慮備用。一期工程已設(shè)置1套處理能力為17.6t/h 的BOG 靜態(tài)混合再冷凝設(shè)施。二期工程增設(shè)1 套17.6t/h 靜態(tài)混合再冷凝設(shè)施，共2 臺。表3 是BOG 壓縮機(jī)配置及負(fù)荷分配情況。

表3 BOG壓縮機(jī)配置及負(fù)荷分配表

3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

資料顯示國內(nèi)外已建LNG 接收站的BOG 再冷凝器主要是填料塔式再冷凝器，BOG 與過冷的LNG 順流或逆流接觸，在填料層內(nèi)被冷凝變?yōu)橐后w；填料一般為散堆填料或規(guī)整填料，設(shè)備體積大。本項目采用靜態(tài)混合再冷凝器來再冷凝BOG，BOG進(jìn)入靜態(tài)混合器微孔管內(nèi)，通過微孔分布產(chǎn)生微氣泡與部分低溫LNG 充分回合，迅速降溫冷凝；靜態(tài)混合器包括氣體分布段和混合段，氣體分布段采用316L不銹鋼粉末燒結(jié)微孔管束，混合段采用技術(shù)成熟SK 型靜態(tài)混合器；靜態(tài)混合器是一種沒有運(yùn)動部件的高效混合設(shè)備，靜態(tài)混合器工作原理是利用固定在管內(nèi)的混合單元改變流體在管內(nèi)的流動狀態(tài)，達(dá)到BOG和過冷LNG 直接混合充分接觸冷凝的目的。表4 靜態(tài)混合器和塔式再冷凝器優(yōu)缺點(diǎn)。

表4 靜態(tài)混合器和塔式再冷凝器優(yōu)缺點(diǎn)

4 運(yùn)行情況

項目一期工程于2018 年3 月BOG 靜態(tài)混合再冷凝器開始預(yù)冷、進(jìn)料、調(diào)試和運(yùn)行，BOG再冷凝器設(shè)備運(yùn)行正常，未出現(xiàn)因卸船作業(yè)、氣化負(fù)荷等生產(chǎn)條件變化引起B(yǎng)OG壓縮機(jī)負(fù)荷調(diào)整，再冷凝系統(tǒng)壓力、液位快速大幅度波動并引發(fā)事故停機(jī)情況，BOG 得到全部回收[6]。表5 是BOG 再冷凝系統(tǒng)部分運(yùn)行典型記錄。

表5 BOG再冷凝系統(tǒng)部分運(yùn)行典型記錄表

表5第1至2項高負(fù)荷（卸船作業(yè)）和及3～6正常生產(chǎn)低負(fù)荷（非卸船作業(yè)）數(shù)據(jù)顯示，BOG和高壓LNG的流量和壓力較穩(wěn)定，BOG再冷凝器的液氣質(zhì)量比穩(wěn)定，處理能力和設(shè)計值相當(dāng)。

5 結(jié)語

通過項目一期工程實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)證明，中國石化天津LNG接收站BOG回收工藝系統(tǒng)技術(shù)方案基本滿足了生產(chǎn)實(shí)際需要，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；靜態(tài)混合再冷凝器開發(fā)和應(yīng)用克服了塔式再冷凝器負(fù)荷順勢變化引起運(yùn)行工況急劇變化，導(dǎo)致系統(tǒng)連鎖停車等固有缺陷。靜態(tài)混合器作為LNG 接收站BOG 再冷凝核心設(shè)備的開發(fā)和工程應(yīng)用在國內(nèi)尚屬首次，工程實(shí)際運(yùn)行時間短、復(fù)雜負(fù)載工況的出現(xiàn)記錄少，其可能存在的缺陷還需要長時間生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)?？紤]目前靜態(tài)混合再冷凝器在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中表現(xiàn)出的較優(yōu)越性能，在國內(nèi)擬建、新建和改擴(kuò)建LNG接收站項目中具有較好的應(yīng)用前景和推廣價值。