LNG接收站BOG蒸发量的影响因素及稳定性

2012年第4期总第188期低温工程CRYOGENICSNo.42012SumNo.188LNG接收站BOG蒸发量的影响因素及稳定性李亚军夏LXJ石（华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室广州510641摘要:针对某一液化天然气（LNG接收站存在的蒸发气体（BOG量波动大、BOG燃烧排放及单位BOG处理量能耗高等问题，分析了 BOG蒸发量的主要影 响因素及维持BOG量稳定性的可行性。提出了对现有操作进行基于储罐操作压力 调控的优化方案，优化操作后BOG蒸发量稳定性提高,避免了 BOG燃烧排放,同时降 低了工艺能耗，增加了经济效益。关键词:液化天然气蒸发气体模拟操作压力稳定性中图分类号:TB657文献标识码A文章编号：1000-6516(201204-0038-06 收稿日期:2012-04-24;修订日期:2012-07-24 作者简介:李亚 军，女,43岁，副教授。Influencing factors and stability of BOG generationin LNG receivmg teiminalLi YajunXia Yan(Key Lab of Heat Tiansfei Enliancement and Energy Conseivation of the Mmistiy of Education,South China University of Technology .Guangzhou 510641,ChinaAbstract :In allusion to the problems existing in BOG system of one LNG leceivmg teiminal m Cluiia .such as great flucniation of BOG generation Jiigh energy consumption of BOG processing and the lesouice waste of BOG flare emission and so oil .the parameters that affect BOG generation volume and the feasibility of maintaining BOG generation stability were analyzed The existing operation was optimized by using chem-ical process snnulation software The optimization concentiated on the regulation of pressure of LNG tanks The stability of BOG generation in optimized operation was mipioved and BOG flare emission was avoided .which leduced the energy consumption of BOG processing while mcieased econonuc benefit Key words :LNG ;BOG ;sunulation ;opeiation pressuie stability1引言常压下,LNG的储存温度低至-160T】左右。在储存和运输LNG过程中，不论是储罐还 是管线，都不可能做到绝对的热绝缘,在内外巨大温差的推动下,LNG体系持续漏热， 这些热量促使LNG蒸发为气体（BOG。目前世界上大部分LNG接收站采用再冷凝工艺回收BOG1，即将压缩后的BOG和LNG送入再冷凝器进行换热，利用LNG的冷能将BOG再液化回收。LNG接收站一般设有两组BOG压缩机，正常操作时开启一组,另外一组备用。 中国某一 LNG接收站，设有两台BOG压缩机。在非卸船操作中，开启一台压缩机;卸 船BOG大量增加时开启两台。但当第4期LNG接收站BOG蒸发量的影响因素及稳定性BOG量达到高峰时，流量超过两台压缩机的处理量，多余的只能燃烧排放。同时, 由于BOG量波动大，后续再冷凝工艺等操作控制难度加大。本文针对该LNG接收 站存在的BOG量波动大、能耗高、资源浪费等问题，在其现有设备的基础上，对现 有操作进行优化，以达到提高BOG蒸发量的稳定性，降低能耗、减少资源浪费的目 的。2LNG接收站BOG蒸发系统分析2 . 1LNG接收站流程概述某LNG接收站流程如图1所示。LNG由低温运输船由产地运往接收站，经卸料管线卸载到接收站LNG储罐，卸船过程中产生 的BOG分成两股,一股进入LNG船上，置换卸出LNG的体积;另一股流经缓冲罐后 进入压缩机增压，加压后的BOG进入再冷凝器。BOG被冷凝后与另外一股LNG混 合进入高压泵，再被汽化输送至高压管网2o非卸船时,接收站设备和卸料管线需保持在低温状态因此LNG低压泵将一 股LNG自储罐经卸料管线通至码头，再由另一条循环线流回厂区LNG船- LNG一 BOGk1图1LNG接收站流程图Fig . 1LNG leceivmg and regasification system2 . 2LNG接收站BOG来源LNG接收站在非卸船时,BOG蒸发的原因主要有3部分首先,LNG在超低温下储存，储罐持续漏热。其次,LNG罐内设有低 压输送泵,该输送泵为潜液泵，泵正常工作时,会有部分电能转化为热量。再次，保冷循环中、各类设 备、管线也会持续漏热。卸船之前，接收站的LNG储罐须降压操作，导致部分LNG气化，同时接收LNG 船上的BOG。卸船时，船上LNG储罐也会漏热;船上卸料泵工作时，也会有热量进入 到LNG中。LNG在卸料管道中流动时，与管道之间的摩擦及产生的涡流，将部分静 压能转化为热量。以上这些热量,最终都加入到LNG中，促使LNG蒸发为BOG。3接收站现有操作下BOG蒸发量3 . 1接收站现有工艺BOG蒸发量分析该LNG接收站运行之初年接收量为370万吨,目前增长到600万吨。接收站现 有1个卸料码头和3个有效容积160000m 3的LNG储罐,有两台BOG压缩机，每台压缩机电机功 率为500kW，设计流量为3320m 3/h (6690kg /h。该LNG接收站气源复杂，来源广泛,但主要为来自澳大利亚和卡塔尔的LNG。 其中卡塔尔LNG甲烷含量较高，为贫气;澳大利亚LNG甲烷含量较低，为富气。2种 LNG组成如表1所示。93低温工程2012年表1贫富液组成Table 1 Components of rich and lean LNG组分名称摩尔分数/%甲烷乙烷丙烷异丁烷正丁烷氮气总计密度/(kg/m3贫液 92 . 736 . 060 . 960 . 060 . 080 . 11100442 . 4 富液 88 . 777 . 542 .590 . 450 . 560 . 09100467 . 6非卸船时，该接收站LNG储罐压力约16kPa(表压，下同,BOG总量6 . 3r/h左右、 开启一台BOG压缩机即可处理。在卸船开始之前的6个小时，储罐压力缓慢降低到 12kPa左右。降压的目的是，使接收站储罐压力在卸船之前略低于LNG船压力，便于 船上BOG自动流向接收站。在降压的同时，罐内LNG成为过热液体,BOG量增加， 两台压缩机均开启。LNG船在航行时，储罐漏热产生的BOG燃烧用作船动力;船到达接收站后，要进 行卸船准备，包括连接、吹扫卸料臂，液货计量等。在此阶段，船上仍漏热产生 BOG。但停泊后，船上动设备停止运转,BOG储存在船上，导致船储罐压力由航行时 的lOkPa逐渐升高到15kPa左右，高于接收站储罐的12kPa,BOG可自动上岸。卸船开始时，卸船速度由2001113/h逐渐增加到120001113/h,lib过程耗时75分钟。 接收站储罐压力则快速由12kPa升高到16kPa左右。卸船的最初阶段,BOG量 (BOG净量，已除去补充到船上等,下同最高可达16h以上4。船上LNG液面下降, 压力迅速降到lOkPa,之后需由接收站补充大量BOG,以维持船压在lOkPa。此后全 速卸船，速度维持在120001113/11,卸船结束前,再缓慢降速直至卸船结束。图2为从该接收站获得的某次贫液卸船全过程的储罐压力和BOG量关系。此 艘LNG船容量为147000m3,船上的LNG与接收站储罐内存留的LNG组分相同，皆 为表1中卡塔尔贫液LNG,罐顶进料。卸船开始的时间是Oh,结束于14h左右。可以看出，储罐压力在卸船前10小时（-Oh为16kPa,BOG量约6 . 3t/ho卸船 前6小时,储罐开始降压，在卸船前1小时达到12kPa;该阶段BOG量由6 . 3t/h增加 到9 . 3t/ho之后船上BOG流入接收站储罐.BOG量在Oh左右达到16 . 5讪;罐压也 随之升高到kPa以上。随着卸船速度的增加，接收站向LNG船补充大量BOG,接 收站的BOG量迅速下降。全速卸船阶段，储罐压力约16 . lkPa.BOG量约6 . 3t/ho 卸船结束时，罐压恢复到16kPa,BOG量仍是6 . 3t/h152018图2卸船时接收站储罐压力和BOG量Fig . 2Operation pressuie of LNG tanksand BOGvolume duimg ship unloaduig32现有操作存在的问题由图2可以看到、BOG在整个卸船过程中的波动极大。最小量6 . 3t/h,最大量 16 . 5r/h,最大量是最小量的2 . 6倍以上。BOG高峰期即使两台压缩机全开，额定处 理量也只有13 . 38t/lio不能处理的BOG只能送火炬燃烧、造成了资源极大浪费，经 济效益受损。因BOG量剧烈波动.BOG在再冷凝器中被LNG冷凝时，再冷凝器的液位和压力 就容易出现波动，操作难度增加。同时,BOG波动大.单位BOG处理量的能耗也增加 5。本文通过对BOG蒸发原因和影响因素深入分析，借助Pro/II流程模拟软件，对 整个操作进行优化，以解决实际操作中存在的上述问题。4BOG蒸发量影响因素分析LNG接收站的BOG量受诸多因素影响，非卸船时,受环境温度、光照、外输 量、LNG组成、储罐压力等影响;卸船时，除以上因素外，还受进料位置、不同密度 LNG混合影响。4 1气温、光照和外输量气温、光照的改变,均是改变了传热温差，进而改变系统漏热量。由于LNG的 温度低至- 160h,外界温度即使在0-40h范围内变化,再加上光照影04第4期LNG接收站BOG蒸发量的影响因素及稳定性响，该接收站的BOG量波动也小于30%4由于接收站下游用户用气量波动频繁，外输量随季节和昼夜而变化。外输量对于BOG量的影响在于外输量大时，开启的低压输送泵数量多，转化为热量的电能也会增加，促进BOG的蒸发。而同时，外输量大导致罐内LNG液面下降更快，需要更多BOG来填补LNG外输留下的空间就会减少 BOG净量.两种趋势相互抵消。目前接收站最小外输是3601/h,最大外输1260t/h, 最小外输时的BOG量比最大外输时多了 14 . 9%。4 . 2LNG组分采用流程模拟软件PRO /II模拟，分析LNG组分对BOG量的影响。模拟中采 用的热力学方法是Soave-Redlich-Kwong (SRK状态方程6,模拟中的模7 7；7 5007 57 3007 II6Z7 KX)6 9007 0236 7(X)6 5006 3006 5476 259 J7 7(M)1.56 10011-00.51.0N漳尔含量/%X L块及参数，均以该接收站实际设备和参数为基础。由于BOG中氮气和甲烷占绝 大多数，二者质量分数之和超过99%,对BOG蒸发量影响很大7o因此，模拟侧重于甲烷和氮气含量对BOG的影响。在表1贫、富液的基础上, 改变甲烷和氮气的含量,其它组分含量不变。在非卸船漏热量一定，罐压不变时BOG 蒸发量的模拟结果如图3所示7 7267 7007 500贫液T富液cI丄e2a ma75167 30()7 116/7 1006 9007 0236 7006 50()6 3006 2276 25图3非卸船时BOG量与N 2含量的关系Fig. 3BOG volume with change of mtiogen content in LNG可以看出，卡塔尔贫液LNG （含氮摩尔分数0.11%的BOG量是6275kg /h，澳大 利亚富液LNG （含氮摩尔分数0 . 09%的BOG量是6228kg/h。贫、富液的BOG 量均随着氮气含量的增加而增加。在含氮量相同时,贫液的BOG始终高于富液。在 含氮量为零时，贫、富液的BOG量基本相同。4 . 3卸船时LNG进料位置LNG产业迅猛发展、气源趋于复杂化，各种LNG组分含量也不同。不同密度的LNG在储罐中混合已是不可避免,如果操作不当，将会产生分层，继而产生翻滚和BOG爆发8o LNG储罐有2个进料口,一个在罐底，在罐内设有立式导管，引导LNG直达底部;另一个在罐顶，即LNG直接由罐顶注 入液面。为防止LNG翻滚和BOG爆发事故的发生，首先要避免LNG分层,所以原 则上LNG进料位置是根据罐内和船上LNG密度来选择的。如果罐内LNG密度较 小，船上LNG密度较大，应选用罐顶进料,使不同密度的LNG自动混合均匀，避免发 生分层;反之则从罐底进料9o图4为国外某接收站不同进料方式对BOG量影响关系。该接收站LNG储 罐属于低压罐正常操作压力为515kPaO图4BOG蒸发量与不同进料位置的关系Fig. 4BOG volume vs . feed position4 .4储罐压力饱和状态的LNG吸收热量之后可发生下列两种情况：(1如压力保持不变，则一部分液体蒸发为气体,以吸收传入的热量;(2如液态保持不变,则液体的显热增加，温度升高，压力亦随之增高。某LNG饱和压力与焙值关系如表2。表2LNG饱和压力与恰值的关系Table 2Saturated enthalpy of LNG vs pressure饱和压力/kPa饱和温度血LNG焙值/(kJ /kg96 . 50- 162 . 2 - 4442 . 40137 . 88- 157 . 7 - 4428 . 51AP=41 . 38AT =4 . 5AH =13 . 89由表2可知，压力每提高lkPa,则饱和液体焙增加0 . 3357kJ/kg。理论上，LNG接收站储罐操作压力越高,BOG量越少;相反,降低储罐操作压力,BOG量 就增加10O由图2也可看到,卸船前，储罐压力稍14低温工程2012年有降低,BOG量就大幅提升。通过模拟发现:全速卸料阶段，如果接收站储罐压 力与船上LNG储罐压力同样保持在10kPa,接收站BOG总量可以达到33 . 77 t/ho 如果岸上储罐压力维持在19kPa左右,BOG净量就为零。由于气温等因素是客观条件决定的，不能随意改变。能够人为控制的因素只有进料位置和储罐压力，对比这两种影响因素，进料位置是由卸船时的客观条件决定，不能任意改变、更不能用来调节BOG蒸发规律。该接收站LNG储罐正常操作压力是 525kPa,有足够的空间进行BOG蒸发规律的调节。因此，通过调节储罐操压力来 提高BOG量的稳定性，是最现实可行的方式。5提高BOG蒸发量稳定性的优化根据上文分析，现有操作存在的问题，均源于不同操作工况下,BOG量波动过 大。综合上述BOG蒸发量的影响因素，本文提出了优化接收站操作的方法。该方法 通过调节接收站LNG储罐操作压力，降低BOG量的波动程度，即提高BOG量的稳 定性，来解决现有操作中存在的问题。5 1储罐操作压力优化上文分析得出LNG储罐操作压力对BOG的蒸发量影响最大。事实上,LNG接 收站是通过BOG处理系统来调节储罐操作压力的。加大BOG处理系统的处理量， 储罐操作压力降低;反之储罐压力升高。与图2对应的现场操作是：-6h开启两台压 缩机，处理量超过漏热产生的BOG,储罐压力在- lh降到12kPao本文通过优化BOG处理系统来调节储罐压力，进而改变BOG蒸发量，最终提高 BOG量的稳定性。因接收站BOG量受多种因素影响，对于一次实际卸船过程，很难 预测各种因素的波动情况。首先假定其它因素维持不变，只通过改变储罐操作压力， 来提高BOG量的稳定性,然后再考虑其他因素综合影响下的情况。在优化模拟中， 卸船开始时接收站储罐液面高度取10m,LNG为贫液，外输量685t/h,外界温度30九罐 顶进料。目前该接收站年接收量600万吨,以船容1470001113计，平均两次卸船间隔 约971】。图5为优化的储罐操作压力与BOG蒸发量的关系，图中操作时间-5-9211 共97小时为一个卸船周期。优化后佳卩船操作与现有操作保持一致，图5中014h卸船,1 . 5-1311为全速卸 船（120001113/11图5优化的BOG蒸发量和储罐压力Fig 5BOG volume and opeiation pressuie ofLNG tanks in optimized system阶段。优化操作后，在全速卸船阶段，将储罐压力保持在16 OkPa（现有操作 16 . lkPa,在此压力下,BOG总量为6 . 69t/h,开启一台BOG压缩机。148711属于 非卸船状态，虽然漏热产生的BOG只有6.3r/h,但将压缩机的处理量仍保持6 . 69t/h 不变储罐压力持续下降,79h降低到10 . 85kPao之后调整处理量为6 . 3t/h,储罐压 力维持10 . 85kPa不变。新一轮的卸船开始时，储罐压力迅速上升，最高时可达19 8kPa,罐内液体成为过冷液体,可将船上来的BOG冷凝。在此过程中,BOG量由6 3t/h升高到6 69t/ho新一轮卸船达到全速时，罐压降至16 0kPa,BOG量仍为6 . 69”h,整个过程只需开启一台压缩机。现有操作中,BOG压缩机处理量长时间保持在6 . 3r/h,而没有达到一台压缩机 的额定处理量6 . 69t/ho待卸船BOG大量增加时，只能开启备用压缩机。在优化的 操作中，放弃了产生多少BOG即处理多少BOG的思路，而是将BOG处理量保持在 压缩机的额定处理量6 . 69呱直到储罐压力降到所需值。优化操作中，卸船前降压 到10 . 85kPa,较现有操作压力（12kPa低，此时降压的目的不只是让船上BOG自动上 岸，同时也是升压后快速冷凝BOG的需要。而且罐压最高值19 . 8kPa也高于现有 操作,但仍在5-25kPa的正常操作范围内。备用压缩机只是在台风来袭等非正常操 作工况下开启。优化前后，在一个卸船和非卸船操作周期中，加入到LNG的总热量是相同的，产 生的BOG总量也相同。优化操作只是通过调节储罐压力，让BOG在一个卸船周期 中，更加均匀地蒸发，从而提高BOG量的24第4期LNG接收站BOG蒸发量的影响因素及稳定性43稳定性。5.2其它 因素对BOG量稳定性的影响影响BOG蒸发量的各种因素（如气温）总是在变化着，它们对于BOG的稳定性同样存在影响。上文已经分析出，气温、光照和 外输量，均是在小范围内影响BOG蒸发量。LNG组分对BOG蒸发量影响较 大.但该接收站LNG的主要来源中，氮气摩尔分数均BOG蒸发量仍在一台压缩 机处理范围低于0 .5%,内。进料位置对于BOG蒸发规律影响很大，但无论 如何进料，只是改变了 BOG闪发的规律和时间，而不会改变总BOG量。罐底 进料并没有出现BOG爆发BOG高峰期也小于罐顶进料的高峰期。的情况，因 此.相对于储罐操作压力，其它因素对BOG蒸发量影响较小。上述因素发 生变化时.所引起的BOG蒸发量波动.均可以通过调节储罐操作压力，来抵 消这些影响；而且所需的压力调节范围，均在储罐正常操作压力范围之内。综 上，虽然接收站BOG蒸发量受各种因素错综复杂地影响，但只要相应地调节储 罐的操作压力，均可维持BOG量的稳定性。5.3优化效果比较现有操作和优化 后的操作(图2和图5),图2对应的操作需在短时间里开启第二台压缩机， 而图5中BOG量稳定性提高，始终在一台压缩机处理量之内。BOG免于燃烧外 排，减少资源浪费，增加经济同时保护了环境。第二台压缩机无需经常开效 益，启能耗降低。BOG量的稳定性提高，也给后续操作工艺带来好处：用 来冷凝BOG的LNG量也趋于稳定，再冷凝器的液位和压力波动减小，操控更加 容易；接收站其他设备乃至整个接收站运行更加平稳，故障率降低。在后续再冷 凝中，因操作稳定，冷凝单位BOG的能耗降低。6结论LNG组成、储罐压 力、卸船与非卸船以及进料位置等影响。日常操作时BOG较少且相对稳定，在 卸船之BOG量会迅速增加。通过分析前降压至卸船之初，影响BOG蒸发量的各 类因素和维持BOG蒸发量稳定性的可行性，确定储罐操作压力是对其影响最大 并且可调控的因素。对中国某一接收站现有BOG系统通过调节储罐操作压力进 行优化。优化结果表明.在各种复杂工况下，通过调节储罐操作压力，均可维持 接收站BOG量的稳定性。因此可解决该接收站目前存在的资源浪费、能耗高等 问题。参1 2 3 4 5刘2006 ( 1 ): 1316 .李亚军，陈行水.液化天然气接收站蒸发气体再冷凝工艺控制系J 低温工程，2011 ( 3 ): 4449 .统优化初燕群，陈文煜，牛军锋，等液化天然气接收站应用技术(I ) J 天然气 工业，2007 ( 1 ): 120123 .柳山.液化天然气(LNG 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