以FSRU 為載體對BOG 液化循環(huán)計算分析

李蘇澄 吳福龍 徐常安

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

天然氣作為世界公認(rèn)的清潔能源之一，其燃燒后對空氣污染非常小、釋放的熱量大，已經(jīng)被世界上許多國家所采用[1]。近年來，隨著綠色環(huán)保意識的不斷加強，溫室氣體排放要求日趨嚴(yán)格以及相關(guān)環(huán)保法規(guī)頒布，使得全球LNG 貿(mào)易量逐年增加。作為運輸LNG 的重要工具，LNG 運輸船近年來在航運市場上異?；鸨絹碓蕉嗟拇按钆淞薒NG 動力。浮式儲存及再氣化裝置（FSRU）是在LNG 船基礎(chǔ)上升級而來的，可以在近?？坎醋鳛楹Ｉ闲⌒蚅NG 儲存及再氣化裝置將天然氣通過管道輸送到陸上使用。

目前處理BOG 的主要方式是：提高儲罐的耐壓能力，將蒸發(fā)氣儲存在儲罐內(nèi)；直接排放；配備再液化裝置；配備BOG 壓縮機對BOG 增壓來作為燃料供給雙燃料主機。顯然，隨著國際上對于環(huán)境保護(hù)的要求越來越嚴(yán)格，直接將BOG 排放已經(jīng)不是一種好的選擇，根據(jù)KURLE 等人的研究表明，用于冷凝BOG 的能耗不到所冷凝BOG 能耗的20%，與燃燒后排放相比，相當(dāng)于節(jié)省了80%左右的能量。所以，無論是從減少污染還是節(jié)約能源來說，配備BOG 液化裝置都是一種非常好的解決方案。

1 BOG 液化工藝的比較與選擇

目前BOG 液化主要有三種工藝：氮膨脹制冷液化工藝、混合制冷劑液化工藝和高壓射流制劑液化工藝?；旌现评鋭┮夯に嚨奶攸c是在液化循環(huán)中對制冷劑的組分進(jìn)行配比，所以其能耗相較于另外兩種液化工藝更低，但是理論上來講混合制冷劑的組成隨著原料氣組成、壓力及工藝流程的不同而不同，所以在實際應(yīng)用中對于原料氣的性質(zhì)及混合制冷劑的配比都有著嚴(yán)格的要求，難度較大。氮膨脹制冷劑循環(huán)又分為氮制冷劑循環(huán)、氮- 甲烷制冷劑循環(huán)和天然氣膨脹循環(huán)。與混合制冷劑循環(huán)相比，氮膨脹制冷劑液化循環(huán)工藝更為簡單、緊湊，造價也更低；運行靈活，適應(yīng)性強，操作性強易于控制；安全性高，不會引起火災(zāi)或爆炸；制冷劑采用單組分氣體，相較于混合制冷劑也省去了在不同工況下對于制冷劑配比及分離和儲存混合制冷劑的麻煩，也避免了由此導(dǎo)致安全方面的隱患，不過其液化循環(huán)整體能耗相對混合制冷劑循環(huán)要更高一些，大約40%左右。

正如Mokhatab 等人[3]在他們的工作中提出的，這個規(guī)模問題的一個例子是丙烷預(yù)冷混合制冷劑系統(tǒng)（C3MR）。這種循環(huán)雖然效率高、靈活性高，但投資較高，且整個循環(huán)鏈較為復(fù)雜。在對BOG 液化系統(tǒng)進(jìn)行選擇的時候，整個過程的液化效率與安裝的運營成本之間存在密切的聯(lián)系，基于Mak等人和Castillo&Dorao[2]的圖形分析，通過表1 對不同液化技術(shù)及其關(guān)鍵特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

表1 不同液化技術(shù)及其關(guān)鍵特性

從表1 可以推斷，與氮氣丙烷膨脹制冷相比，單氮膨脹制冷循環(huán)有兩大優(yōu)勢:復(fù)雜性較低，投資成本較小。對膨脹循環(huán)效率影響較大的一個問題是制冷劑與天然氣的溫差過大導(dǎo)致?lián)Q熱器的不可逆損失大。由于本文研究的對象為FSRU，所以本文假設(shè)FSRU 原料氣體不會與冷卻液出現(xiàn)溫差。此外，使用氮氣作為制冷劑減少了接收站潛在的火災(zāi)危險。由于制冷劑是惰性的，不需要儲存碳?xì)浠衔锪黧w。此外，在緊急情況下排氣不構(gòu)成環(huán)境問題，所以緊急燃除也是不必要的。

綜上，本文所選用的液化循環(huán)是氮膨脹制冷液化循環(huán)，在下一章進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2 BOG 液化循環(huán)研究

2.1 氮膨脹循環(huán)

氮膨脹液化循環(huán)是基于逆布雷頓循環(huán)，如圖1 所示。雖然其循環(huán)效率不如其他考慮的方案，但在進(jìn)行成本效益分析時卻是最適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行BOG 再液化的解決方法。

圖1 逆布雷頓循環(huán)

逆布雷頓循環(huán)是一種制冷機系統(tǒng)，由壓氣機、熱交換器、中冷器和膨脹式汽輪機等設(shè)備組成。很重要的一點是，在循環(huán)中使用的制冷劑應(yīng)保持氣態(tài)，一般使用的制冷劑是氮氣。要想提高這個循環(huán)的效率，通過較降低壓縮機出口溫度可以實現(xiàn)，不過這樣可能導(dǎo)致有液體產(chǎn)生[4]。

使用氮氣作為制冷劑的一個主要優(yōu)點是，在氣體狀態(tài)下獲得如此低的溫度，在熱交換器中不會出現(xiàn)不均勻分布，改善了系統(tǒng)的傳熱[5]。此外，液化單元非常緊湊，制冷流體可以在一個閉環(huán)內(nèi)運行。這種方法的優(yōu)點是不需要制冷劑儲存或補充。氮膨脹制冷循環(huán)的基本配置如圖2 所示。

圖2 氮膨脹制冷循環(huán)

當(dāng)然除了配置一臺增壓壓縮機之外還有配置兩臺壓縮機的情況，雖然配置兩臺壓縮機能夠減少氮和LNG的冷端溫差，但是這種配置無疑會增加更多的成本和熱交換面，現(xiàn)階段對于壓縮膨脹循環(huán)不同配置的分析一般利用熱力學(xué)模型根據(jù)以下公式來進(jìn)行計算和評價，以求得整個循環(huán)的最大效率[6]。

2.1.1 壓縮機

其中：Wc為壓縮機所做的功；ηc為壓縮機等熵效率；mN2為氮氣的質(zhì)量；ho，c和hi，c分別為壓縮機出口焓值和進(jìn)口焓值。

2.1.2 渦輪膨脹機

渦輪對制冷劑進(jìn)行降壓以降低制冷劑的溫度。同時，這些部件通過鏈接軸向壓縮機來傳遞機械動力以驅(qū)動壓縮機。渦輪膨脹機的能量平衡計算如式（2）：

其中：We為渦輪膨脹機所做的功；ηe為渦輪膨脹機的等熵效率；hi，e和ho，e分別為渦輪膨脹機的進(jìn)口焓值和出口焓值。

其中：Wspc為單位消耗量；Wc為壓縮機所做的功；mBOG為BOG 的質(zhì)量。

這些方程會應(yīng)用于所研究的氮膨脹制冷循環(huán)，以得出更適合應(yīng)用于FSRU 上BOG 液化系統(tǒng)的選型，從而平衡好成本與效率之間的關(guān)系。

2.2 BOG 不同工況下的液化循環(huán)

2.2.1 確定所需的制冷功率

確定液化裝置所需的制冷功率取決于BOG 進(jìn)入液化系統(tǒng)時的溫度和壓力以及LNG 輸送到儲罐里的溫度和壓力。因而可以確定從液化循環(huán)開始時的BOG 的焓值和LNG 的焓值，并確定從BOG 中冷凝成LNG 所需的熱量，如式（7）：

其中：href為從BOG 中冷凝成LNG 所需的熱量；hBOG和hLNG分別為BOG 和LNG 的從液化循環(huán)開始時的焓值。

知道了BOG 的質(zhì)量流量，就可以通過式（8）計算來計算制冷/液化循環(huán)的功率。

其中：pref為制冷/液化循環(huán)的功率。

式（7）用來確定為達(dá)到所需的制冷能力，制冷液氮必須吸收的熱量是由式（8）來確定。

2.2.2 液化循環(huán)階段的確定

根據(jù)確定的液化循環(huán)的功率，制冷流體必須從BOG中除去的熱量，通過圖2 確定液化循環(huán)是如何工作的，再根據(jù)氮氣的摩爾圖就可以得到與循環(huán)各階段相對應(yīng)的壓力、溫度和焓。

在狀態(tài)1 時的進(jìn)口氮氣壓力應(yīng)在0.8-1Mpa 之間并且膨脹機的進(jìn)口壓力應(yīng)在3.5-6.0Mpa 之間，空壓機的效率考慮在0.8 左右。

循環(huán)的壓強比計算公式如式（9）和（10）：

其中：h1和h7粉筆為狀態(tài)1 和狀態(tài)7 的焓值；其余同上。

壓縮機的總功如式（12）所示，而中冷器的總熱量消耗Q1 的計算如式（13）：

其中：Qhe為熱交換器中制冷劑流所吸收的熱量。

根據(jù)本節(jié)中描述的值，研究了不同BOG 入口溫度下的液化循環(huán)配置（-155℃、-140℃、-125℃和-110℃），為了研究液化系統(tǒng)在不同溫度下（可以考慮為不同季節(jié)對應(yīng)的不同溫度）的能量性能。

3 液化循環(huán)模擬與結(jié)果討論

氮膨脹制冷液化系統(tǒng)模擬結(jié)果：

為了確定再液化系統(tǒng)的容量和制冷劑的數(shù)量，可以通過使用甲烷和氮氣的Mollier 圖來確定液化過程中兩種流體的焓值、壓力和溫度變化。作為LNG 的主要成分，甲烷的Mollier 圖用來研究BOG 的近似動作。所研究的循環(huán)如圖3 所示，該圖表示了氮氣循環(huán)和BOG 循環(huán)，從罐中以氣態(tài)形式收集，并在向制冷劑傳遞熱量后液化回到罐中。

圖3 Mollier 圖

在第一個循環(huán)（以下簡稱循環(huán)A）中，壓縮機進(jìn)口氮氣壓力為0.8Mpa，計算中間壓力為1.79Mpa，膨脹機進(jìn)口壓力為4Mpa；循環(huán)B（以下簡稱循環(huán)B）旨在評估將壓力變化到較低壓力（0.4Mpa）并增加制冷劑從BOG 中吸收的熱量。兩個循環(huán)都在-168℃時開始壓縮，使得氮氣的溫度總是小于BOG 溫度，制冷劑和BOG 之間的最小溫度差為2℃；兩個循環(huán)中的壓縮動作都是通過壓縮過熱的氮氣來進(jìn)行的，以保證在壓縮機入口沒有液氮存在。由圖3 在Mollier 圖中演示了兩個模擬周期。

表2 給出了四種不同溫度下兩種模擬循環(huán)的模擬結(jié)果，根據(jù)式（1）-（8）和式（9）-（14）。

表2 不同溫度下兩種循環(huán)的計算結(jié)果

正如預(yù)期的那樣，從BOG 中吸收熱量所需的氮的質(zhì)量流量隨著其溫度和質(zhì)量流量的增加而增加。循環(huán)A 要求氮氣的流速比循環(huán)B 快31%，需要更多地壓縮動作以獲得相同的液化功率。此外，如圖4 所示的線性回歸方程可以推斷，當(dāng)BOG 溫度升高時，循環(huán)A 所需的氮氣量成比例的大于循環(huán)B 所需的氮氣量。

圖4 制冷劑的流速與BOG 入口溫度的變化

在不同的BOG 蒸發(fā)率和溫度下，每個循環(huán)周期所表現(xiàn)的效果如表3 所示。

表3 液化循環(huán)性能評價

結(jié)果表明循環(huán)B 要比循環(huán)A 更有效率。主要表現(xiàn)在BOG 液化時有明顯更小的比能量消耗，大約在24%左右。圖5 為BOG 在不同溫度液化時產(chǎn)生的能量和造價。

圖5 處理每噸BOG 的消耗量和成本

當(dāng)然，關(guān)于計算的能耗值，循環(huán)泵、潤滑泵和其他固有輔助設(shè)備沒有考慮。

圖6 給出了一個循環(huán)周期COP（coefficients of performance）的值以及實際COP 的值。利用式（15）來計算COP 的值：

圖6 液化循環(huán)周期性能系數(shù)比較

其中：QBOG為從BOG 吸收的能量。

根據(jù)結(jié)果可知，循環(huán)B 的COP 值高于循環(huán)A；實際COP 值展示了每個循環(huán)的實際潛力，循環(huán)B 要比循環(huán)A效率更高一些。

本文以FSRU 為載體對氮膨脹液化循環(huán)進(jìn)行了研究計算，分別分析了不同的BOG 蒸發(fā)率和不同季節(jié)下的兩種液化循環(huán)，分析出從BOG 中吸收熱量所需的氮的質(zhì)量流量隨著其溫度和質(zhì)量流量的增加而增加；通過計算得出循環(huán)A 要求氮氣的流速比循環(huán)B 快31%，需要進(jìn)行更多地壓縮動作以獲得相同的功率；此外，當(dāng)BOG 溫度升高時，循環(huán)A 所需的氮氣量成比例的大于循環(huán)B 所需的氮氣量。

通過分析兩種不同的入口壓力，對液化循環(huán)進(jìn)行了計算。計算了兩個循環(huán)的比能耗和COP 值，指出了在第一壓縮階段進(jìn)口壓力較低的循環(huán)B 是更有效的循環(huán)。

對于BOG 在不同溫度、氮氣不同的進(jìn)口壓力來控制液化系統(tǒng)的表現(xiàn)對于在實際項目生產(chǎn)中對BOG 液化系統(tǒng)的效率與成本之間的控制有著實際借鑒意義。