曹玉春，陈其超，陈亚飞，胡巍亚（常州大学石油工程学院，江苏 常州 213016）



应用技术

液化天然气接收站蒸发气回收优化技术

曹玉春，陈其超，陈亚飞，胡巍亚
（常州大学石油工程学院，江苏 常州 213016）

摘要：以大连液化天然气（LNG）接收站为例，利用Aspen软件对LNG接收站蒸发气（BOG）处理工艺流程进行分析。提出了BOG再冷凝液化与直接压缩混合使用的运行方案，并且在再冷凝工艺流程中增加预冷装置。分析结果表明：当接收站能够稳定提供足够量LNG时，系统优先选择再冷凝工艺路线，否则自动切换至高压压缩工艺路线，并直接输送至管网。该混合使用方案能够解决因储罐及管网内BOG压力过高而放空所造成的能源浪费问题。再冷凝工艺流程中，加装预冷装置之后，压缩机较加装之前节约能耗37.4%。

关键词：液化天然气；蒸发气；再冷凝；直接压缩；预冷

第一作者及联系人：曹玉春（1973—），男，副教授，硕士生导师，主要从事能源环境及动力工程领域内的能源洁净利用及环境保护研究工作。E-mail 523390701@qq.com。

近年来我国对天然气的研究正不断深化，福建、广东、上海、大连等液化天然气（liquefied natural gas，LNG）接收站项目已运营，目前回收蒸发气（boil off gas，BOG）所采用的压缩及再冷凝两种主要方案存在耗能高、系统不稳定、外输负荷波动时工艺操作困难等缺点［1-3］。为了回收LNG在储存及运输工程中产生的BOG，1998年ITO等［4］运用两相流的动力学方法进行了BOG再液化的计算机模拟。上海交通大学杨晓东等［5］讨论了压缩和再液化BOG的回收方法，认为运用计算机模拟工具，对提高 LNG工厂的安全性和经济效益以及同时降低投资成本很有帮助。针对国内 BOG回收采用的两种主要处理方法，中石化上海工程公司刘浩等［6］从耗能角度出发，运用广义伯努利方程定性分析以及定量计算，指出了再冷凝工艺更加节能。直接压缩与再冷凝所对应的中间过程不同，需根据具体情况，选择不同的工艺［7］。

陈雪等［8］通过对 LNG储罐内流体热响应过程的分析，建立了储罐内流体的计算模型，得出储罐容积不同时BOG排出速率对BOG蒸发速率和BOG压力变化的影响是相似的结论，其变化趋势与文献［9］中储罐BOG实际运行操作的变化趋势一致。文献［10］以大连LNG接收站实际储罐为计算基础，计算出实际的 BOG回收量及储罐预冷时间，依据露点温度控制TANK3阀门，使进入管道的混合BOG气体中不含有微小冰粒而使压缩机能够正常运行，通过改进前后对比，改进后 BOG回收量是改进前的1.64倍，有效降低了BOG的排放量。文献［11］则是从设备的硬件出发，对 LNG应急气源站蒸发气BOG量的理论计算，通过与BOG实际产生量进行比较分析，对原设计BOG回收系统进行改进，设置一台200m3/h的BOG压缩机替代高负荷压缩机用于正常运行，即降低能耗，又避免因频繁启动而导致高负荷压缩机的磨损。虽然前人在利用直接压缩或再冷凝工艺回收BOG气体的可行性及经济性方面做了大量研究工作，但是在如何联合运用这两种回收工艺方面的研究还比较少。本文从对现行两种处理工艺的能耗方面进行类比分析，结合大连LNG接收站的实际运行情况，提出新的LNG回收利用新工艺，并进行了相应的理论计算和分析。

1 处理工艺分类

1.1 BOG直接压缩工艺

工艺流程如图1所示。BOG压缩机直接将LNG加气站内所有产生的BOG加压至外输管网压力，进入外输管网供用户使用。

1.2 BOG再冷凝工艺

主要工作流程如图2所示。BOG再冷凝工艺的主要原理是利用自身高压LNG的冷量冷凝BOG，即LNG经泵增压后，具有一定过冷的LNG与BOG接触换热，将BOG冷凝为LNG。

1.3 两种工艺能耗比较

直接压缩工艺中，压缩机需将 BOG气体压缩至管网所需压力，无需再冷凝设备；再冷凝工艺中，压缩机只需将 BOG气体压力压缩至与之混合的LNG液体的压力值，剩余的工作由LNG高压泵承担。

由伯努利方程，单位质量的流体在输送过程中，从泵或压缩机中获得的压头可表示为式（1）。

图1 BOG直接压缩工艺

图2 再冷凝工艺流程图

式中，H为泵或压缩机的扬程，m；p1、p2分别为单位质量流体始终状态的压力，Pa；ρ为流体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；g-1（dp/ρ）为单位质量流体获得的静压能，m；u1、u2分别为单位质量流体始终状态的流速，m/s；（u22-u12）/2g为单位质量流体获得的动能，m；Z1、Z2分别为单位质量流体始终状态的位置势能，m；（Z2-Z1）为单位重量流体获得的位能，m；hf1-2为单位质量流体的流动阻力损失，m。

位能以及流动阻力损失相比静压能和动能要小得多，均可忽略不计。气体流速较液体快，即气体动能值比液体大，因此单位质量的气体需要从压缩机获得更多动能。由于同种物质气体密度远远小于液体密度，因此在进出口压力相同的情况下，单位质量气体从压缩机中获得的静压能比单位质量液体从泵中获得的静压能大得多。故在相同工况下，泵压缩液体比压缩机压缩气体的能耗小得多，因此，再冷凝工艺能耗更低。

文献［12］中详尽统计了目前我国大小型LNG接收站BOG气体回收量的数据:大型LNG接收站处理BOG量很大，年接收量300万吨，日均BOG达1280t。外输管网压力达到6～10MPa，采用再冷凝工艺比直接压缩每千克BOG可节约0.14kg/h的能耗。小型 LNG卫星站处理 BOG量并不多，仅3.43t/d，储罐压力0.8～1.0MPa，处理每千克BOG只节能 0.02kg/h，且小型 LNG卫星站无法持续为BOG的冷凝提供持续冷源。

2 大连LNG接收站BOG回收优化方案

2.1 直接压缩工艺能耗分析

以流量为 1000kg/h的天然气以气液两态分别用泵和压缩机运送，进出口温度相同，两者输送机功率见表1。

表1 压缩机和泵功率对比表

（1）序号1～10实验数据对比可看出，在相同进出口压力条件下，压缩机的功耗始终远远高于泵的功耗。

（2）序号1～6为进出口压差相同情况下，压缩机和泵功率与流体进口压力p1关系见图3。当进出口压力差不变时，泵的功率与进口压力无关且保持不变，而压缩机功率则随进口压力p1增加而显著减小，这是由于液体密度基本和压力无关，而气体密度随进口压力增加而增大（进口温度相同），单位重量气体获得的静压能减小，压缩机功率也随之降低。进口气体压力越小，则泵和压缩机功率差异越大，泵的节能效果就越显著。

图3 压缩机和泵功率N与流体进口压力p1关系

图4 压缩机和泵功率N与流体进出口压差p2－p1关系

（3）序号7～10对应的压缩机功率和泵功率对流体进出口压差 p2－p1见图 4，当进出口压力保持不变，而进出口压力差 p2－p1不断变大时，压缩机和泵的功率都随进出口压差增大而增大，但压缩机的功耗增大幅度远远高于泵，泵的节能效果随进出口压差p2－p1增大而变得更为显著。

2.2 再冷凝工艺耗能影响因素

BOG冷凝系统主要设备是BOG再冷凝器和压缩机，主要工艺参数是完全冷凝BOG的LNG用量和BOG压缩机的进出口压力。

优化BOG再冷凝工艺，运用Aspen进行流程模拟，对BOG压缩机出口压力、BOG温度、物料比（再冷凝器中将BOG气体全部冷凝所需最少LNG 与BOG的质量比）进行模拟对比分析，提出利用高压LNG对增压后的BOG进行预冷，降低物料比从而降低BOG压缩机能耗的高压流程。BOG再冷凝工艺流程如图2。现有BOG再冷凝工艺主要运行参数如表2。

2.2.1 压缩机出口压力对再冷凝工艺的影响

将 BOG操作压力 0.13MPa压缩至 0.25～0.75MPa，利用Aspen软件进行全程模拟。设定本研究LNG输出量为218000kg/h，BOG量为8400kg/h，分别对BOG操作压力从初始压力0.13MPa压缩至0.25～0.75MPa过程中进行全程模拟。模拟结果见表 3。从表3中可以看出，当压缩机出口压力持续增大时，冷凝定量BOG所需LNG的量不断减少，即物料比进一步减小，原因在于当压缩机出口压力越高，对应的冷凝温度越高，冷凝定量BOG所需的LNG量越少，即物料比变小。功耗方面，除高压泵功耗与压力大小呈负相关以外，罐内泵消耗与压缩功耗都与压缩机出口压力呈正相关关系，其中，高压泵相对压缩机功耗变化幅度小，说明总功耗的增加是由于压缩机功耗增加所引起的，因此在以减小物料比为目标的同时，存在总能耗不断增大的矛盾，在实际操作中，在确保LNG能够完全将BOG冷凝的条件下，应当尽可能降低压缩机出口压力，以减少压缩机耗功。

2.2.2 温度对物料比的影响

由表2可以看出，BOG气体在经过压缩机以后温度会从极低变高，再迅速降低，说明 LNG在冷凝器中承担两方面工作，一是要液化从压缩机进入的BOG气体，第二要为压缩后的BOG降温过程提供冷量，大大提高了 LNG的流入量，即提高了物料比。如果在 BOG进入冷凝器之前就进行预冷，就会减少LNG用于给BOG降温的那部分用量，减小物料比。

利用ASPEN软件对再冷凝过程中物料比用量随 BOG温度变化关系进行模拟，其中压缩机进出口压力分别为0.13MPa、0.65MPa。结果如表4。从表中可以看出，物料比随 BOG进入再冷凝器温度的降低而降低，这是当 BOG进入冷凝器的温度降低时，用于给BOG气体降温所需的那部分LNG量减少。这样可以降低进入再冷凝器之前的BOG温度从而在保持物料比变化不大情况下通过减小压缩机出口压力从而降低压缩机能耗。

表3 压缩机出口压力与物料比和功耗关系

表4 BOG温度对物料比的影响

2.3 综合回收BOG工艺

当系统没有持续冷能供应时，利用压缩机处理BOG气体，BOG气体通过a-b-c-n流程经过低压压缩机和高压压缩机将BOG气体压缩至管网压力，直接外输。

当系统有持续冷能供应时，BOG气体通过a-b-d-k--（i/j）-l-m流程进行再冷凝处理，汽化外输，低压压缩机压缩来自缓冲分离罐的BOG气体，在预冷器中换热降温，与来自储罐中的 LNG在再冷凝器中混合，将BOG气体液化，经高压泵L送至预冷器和汽化器中，汽化外输。

2.4 综合回收节能分析（见图5）

该系统优先选取再冷凝路线，当系统没有持续供冷时，也能够通过高压压缩机将储罐及管网内BOG气体压缩至外输管网压力并外输，回收因压力过高而放空的那部分BOG气体。

由表4数据可以得出，BOG从压缩机送至再冷凝器时，BOG的温度越低，物料比越小，即当进入再冷凝器的 BOG气体温度越低，液化一定量的BOG气体所需的LNG量越少，能够利用再液化这一流程的范围越广，节能越明显。此处的预冷器 J还可以解决接收站 LNG输出量波动时引起的物料比与BOG出口压力之间的矛盾以及弥补降低压缩机出口压力所导致的物料比增加的损失，这样就可以在保持物料比变化不大的情况下通过降低压缩机出口压力从而降低压缩机的能耗。

当系统在再冷凝工作状态下，对比图5与图2，在进入再冷凝器前由预冷器预冷至-120℃。表5是改进之后压缩机出口压力所对应的物料比及压缩机能耗，由于降低了进入再冷凝器BOG的温度，因此冷凝单位质量的BOG所需LNG的量就减少，即物料比减小。此时，要保持相同的物料比，即可减小压缩机出口压力，即压缩机功耗降低。

压缩机功耗与出口压力成正比关系，系统改进前后物料比与压缩机功耗的关系如图 6。从图中可以看出:当物料比一定时，改进之后的压缩机功耗明显降低，比如，当物料比为4.9时，改进后压缩机功耗为 377.0kW，对应改进前压缩机功耗约601.9kW，减少了224.9kW，节约能耗37.4%，说明改进以后节能效果明显。

图5 BOG综合回收流程图

表5 改进后再冷凝系统中压缩机出口压力与物料比、压缩机功耗关系

图6 改进前后物料比与压缩机关系曲线图

3 结 论

本研究分析了现有BOG回收的两种主要工艺，对原先工艺流程进行了改进，得出以下几点结论。

（1）冷凝工艺比直接压缩工艺更加节能。

（2）增加一个高压压缩机，当LNG输出量不足够提供BOG冷凝时，通过高压压缩机直接压缩至外输管网压力后直接外输，减少了因储罐及管网压力过大而放空所产生的浪费。

（3）增加预冷器，降低进入再冷凝器BOG温度，降低物料比，减少 LNG用量，使再冷凝系统要求的 LNG流量最低限度进一步放低。增加再冷凝系统的可用范围。同时，解决接收站 LNG输出量波动所引起的物料比与 BOG出口压力之间的矛盾，弥补因减小低压压缩机出口压力所导致的物料比增加的损失，这样就可以在保持物料比变化不大的情况下通过降低压缩机出口压力从而降低压缩机的能耗，通过计算，节约能耗约37.4%。

参 考 文 献

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The optimization of BOG recycling at LNG receiving terminal

CAO Yuchun，CHEN Qichao，CHEN Yafei，HU Weiya
（School of Petroleum Engineering，Changzhou University，Changzhou 213016，Jiangsu，China）

Abstract：With the Dalian liquefied natural gas （LNG） terminal as the example，the boil off gas （BOG）treatment process was analyzed using Aspen software. The combined operations of BOG re-condensation liquefaction and direct compression was proposed，as well as adding pre-cooling device in the re-condensing process . The analysis results show that if the receiving station can supply sufficient amount of LNG stably，the re-condensation process route will be chosen in priority，otherwise the system will be switched to the high-pressure compression process line automatically，and transported LNG to the pipe network directly. In this way，it can resolve the energy waste problem caused by the BOG release due to excess pressure in the tanks and pipelines. In the re-condensation process with the pre-cooling device，37.4% energy consumption can be saved compared with the one without.

Key words：liquefied natural gas （LNG）；boil off gas （BOG）；re-condensed； direct compression；pre-cooling

中图分类号：TE 832

文献标志码：A

文章编号：1000-6613（2016）05-1561-06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.05.045

收稿日期：2015-10-26；修改稿日期：2015-11-31。

基金项目：常州市科协自然基金项目（常科协〔2011〕40号）。