汪蝶　張引弟　楊建平　伍麗娟

1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院　2.中國(guó)石油遼河油田公司SAGD開(kāi)發(fā)項(xiàng)目管理部

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LNG接收站BOG再冷凝工藝HYSYS模擬及優(yōu)化①

汪蝶1張引弟1楊建平2伍麗娟1

1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院2.中國(guó)石油遼河油田公司SAGD開(kāi)發(fā)項(xiàng)目管理部

在BOG的再冷凝工藝流程中，主要能耗來(lái)源于壓縮機(jī)。為了減少BOG的壓縮能耗，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，分析了BOG壓縮過(guò)程壓力比焓(p-H)的變化，并運(yùn)用HYSYS對(duì)原有BOG處理工藝流程進(jìn)行了模擬研究，由此對(duì)工藝流程和系統(tǒng)作了改進(jìn)及優(yōu)化。結(jié)果表明，改進(jìn)后的工藝流程比原有工藝流程壓縮機(jī)能耗降低約15.5%，最小物料比也相對(duì)減少，兩者降低有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

BOG再冷凝HYSYS模擬節(jié)能優(yōu)化

LNG具有解決遠(yuǎn)海和荒漠地區(qū)氣田開(kāi)發(fā)、回收邊遠(yuǎn)氣田天然氣等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的運(yùn)用[1-2]。LNG具有低溫特性，由于設(shè)備漏熱、產(chǎn)熱、作業(yè)過(guò)程中儲(chǔ)罐與船艙的壓差等因素，接收站系統(tǒng)將產(chǎn)生一定量的蒸發(fā)氣體(BOG)[3]。BOG的處理工藝是LNG接收站的核心工藝[4-6]。結(jié)合氣化外輸壓力、最小外輸流量以及能源利用的合理性等因素，BOG氣體處理工藝的優(yōu)先順序?yàn)椋孩俜祷豅NG船填補(bǔ)艙壓；②返回LNG儲(chǔ)罐；③再液化；④直接壓縮；⑤燃料氣利用；⑥火炬燃燒或儲(chǔ)罐壓力安全閥放空[7]。2009年楊志國(guó)等通過(guò)調(diào)節(jié)BOG壓縮機(jī)壓縮比、物料比等再冷凝工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)BOG再冷凝工藝的優(yōu)化運(yùn)行。并針對(duì)BOG再冷凝工藝能耗偏高的問(wèn)題，提出利用高壓LNG預(yù)冷增壓后的BOG，降低BOG壓縮機(jī)壓縮比的工藝流程[3,8]。2014年徐天源等從熱力學(xué)的角度提出了BOG多級(jí)壓縮再冷凝工藝，通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的壓縮系數(shù)和BOG分流比達(dá)到減少壓縮機(jī)能耗的目的[9]。本文針對(duì)BOG再冷凝過(guò)程中壓縮機(jī)能耗較大的問(wèn)題，運(yùn)用BOG再冷凝工藝中BOG與LNG的壓力比焓(p-H)圖，從理論上分析了工藝優(yōu)化的可行性。在此基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有BOG再冷凝處理工藝進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)分析各種因素對(duì)壓縮機(jī)能耗的影響，達(dá)到減少壓縮機(jī)能耗、保障系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的效果；同時(shí)通過(guò)對(duì)物料比的分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了改進(jìn)方案的可行性。

1　BOG再冷凝液化工藝

BOG直接壓縮工藝中，BOG經(jīng)壓縮機(jī)加壓、計(jì)量加臭后以高壓天然氣進(jìn)入外輸管網(wǎng)供下游用戶使用。直接壓縮工藝適用于小型LNG衛(wèi)星站處理BOG；BOG再冷凝液化工藝中，BOG經(jīng)壓縮機(jī)加壓后進(jìn)入再冷凝器，與一部分過(guò)冷LNG換熱，形成液態(tài)，并與剩余LNG一起通過(guò)高壓泵加壓，進(jìn)入氣化器氣化，再外輸。再冷凝工藝適用于大型LNG接收站處理BOG。其工藝流程如圖1所示[10-13]。

再冷凝器主要有3個(gè)功能：①冷凝BOG；②作為L(zhǎng)NG高壓泵的入口緩沖罐；③再冷凝器內(nèi)部液位高度可滿足LNG高壓泵入口NPSH的要求[14]。將LNG加壓，使其成為過(guò)冷液體，再與高壓的BOG換熱，控制LNG的流量，可以使經(jīng)過(guò)再冷凝器的BOG正好變成飽和狀態(tài)的LNG，此時(shí)的LNG流量是再冷凝器的最小流量。

2　BOG再冷凝工藝壓力比焓圖分析及優(yōu)化

LNG經(jīng)過(guò)罐內(nèi)低壓泵加壓，壓力增大，溫度基本不變，泡點(diǎn)溫度隨壓力增大而升高，由式(1)[15]可知，此時(shí)LNG擁有一定的過(guò)冷度，稱(chēng)為過(guò)冷LNG。LNG低壓泵吸入的LNG狀態(tài)為飽和液體，經(jīng)過(guò)低壓泵加壓后，輸出LNG的狀態(tài)為過(guò)冷液體。

過(guò)冷LNG具有的冷能為：

Q=cm(T2-T1)

(1)

式中：c為L(zhǎng)NG比熱容；m為L(zhǎng)NG質(zhì)量；T1為L(zhǎng)NG經(jīng)液下泵后溫度；T2為L(zhǎng)NG的泡點(diǎn)溫度。

為了對(duì)BOG再冷凝工藝進(jìn)行優(yōu)化，降低壓縮機(jī)能耗。利用經(jīng)低壓泵加壓的具有較大冷能的LNG對(duì)經(jīng)第一級(jí)壓縮機(jī)加壓的BOG進(jìn)行預(yù)冷，降低第二級(jí)壓縮機(jī)入口BOG的溫度，減少壓縮能耗。對(duì)BOG的壓縮過(guò)程原有工藝和改進(jìn)工藝進(jìn)行熱力學(xué)分析，圖2為BOG再冷凝原有工藝及改進(jìn)工藝的壓力比焓比較圖。

圖2中等溫線為其中4個(gè)不同溫度下的等溫線。ABE線(直線)為原有BOG壓縮過(guò)程。ABCD是在原有工藝的基礎(chǔ)上改進(jìn)的BOG壓縮過(guò)程，BOG緩沖罐出來(lái)的BOG經(jīng)一級(jí)壓縮機(jī)加壓到B點(diǎn)，與經(jīng)過(guò)低壓泵加壓的具有較大冷能的LNG換熱，降溫到C點(diǎn)后經(jīng)第二級(jí)壓縮機(jī)加壓得到所需的壓力D點(diǎn)。在相同的壓縮比時(shí)，原有工藝的比焓變化為Q3；改進(jìn)工藝的比焓為Q1+Q2。

原有工藝壓縮過(guò)程：BOG經(jīng)A、B、E壓縮過(guò)程，壓縮機(jī)械功耗為：

W1=Q3·F/η

(2)

改進(jìn)工藝壓縮過(guò)程：BOG經(jīng)A、B、C、D壓縮過(guò)程，壓縮機(jī)械功耗為：

W2=(Q1+Q2)·F/η

(3)

式中：W1為原有工藝壓縮機(jī)功耗，kJ/h；W2為改進(jìn)工藝壓縮機(jī)功耗，kJ/h；F為進(jìn)入壓縮機(jī)BOG的質(zhì)量流量，kg/h；η為壓縮機(jī)的機(jī)械效率，%。

在進(jìn)入壓縮機(jī)BOG的質(zhì)量流量F和壓縮機(jī)機(jī)械效率η一定的情況下，從圖2中可以看出,Q3>Q1+Q2，故W1>W2；在第二級(jí)壓縮機(jī)BOG出口壓力一定的情況下，Q1、Q2隨第一級(jí)壓縮機(jī)出口壓力(即B點(diǎn)的位置)和第二級(jí)壓縮機(jī)BOG入口溫度(即C點(diǎn)的位置)的變化而變化，通過(guò)同時(shí)調(diào)節(jié)第一級(jí)壓縮機(jī)的出口壓力和第二級(jí)壓縮機(jī)BOG的入口溫度可以得到最佳節(jié)能工藝，即使Q1+Q2最小化，工藝流程最優(yōu)化。

3　BOG再冷凝工藝流程HYSYS模擬

由上一節(jié)的分析可知，經(jīng)低壓泵加壓后的LNG具有一定的冷能；通過(guò)對(duì)一級(jí)壓縮后的BOG預(yù)冷到適當(dāng)?shù)臏囟龋龠M(jìn)行第二級(jí)壓縮可以達(dá)到減少壓縮能耗，進(jìn)而減少總能耗的目的?；诖嗽?，對(duì)原有工藝進(jìn)行改進(jìn)，運(yùn)用經(jīng)低壓泵加壓后的具有一定冷能的LNG對(duì)一級(jí)壓縮后的BOG預(yù)冷，并對(duì)工藝流程進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。

3.1物性參數(shù)

以國(guó)內(nèi)某常規(guī)LNG接收站BOG再冷凝系統(tǒng)工藝流程為例，運(yùn)用HYSYS軟件對(duì)設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行模擬。儲(chǔ)罐的日蒸發(fā)率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.005%。取BOG的質(zhì)量流量為3 500 kg/h。再冷凝器壓力越高，節(jié)能越少，考慮到操作方便等因素，再冷凝器壓力一般控制在0.6～0.9 MPa[16]。本研究選取壓縮機(jī)壓力工況在0.5～1.1 MPa進(jìn)行模擬。在流程模擬中壓縮機(jī)和泵的效率按75%計(jì)算，這與實(shí)際工程相吻合。

LNG接收站LNG組分列于表1。

表1　LNG組分Table1　CompositionofLNGLNG組分C1C2C3i-C4n-C4N2y/%96.231.770.380.060.051.51

3.2原有BOG再冷凝工藝

因BOG壓縮過(guò)程中升壓大，壓縮機(jī)單級(jí)壓縮比不宜超過(guò)3.5，BOG壓縮機(jī)實(shí)際為多級(jí)串聯(lián)壓縮機(jī)[2]。BOG經(jīng)壓縮機(jī)加壓后，在再冷凝器中與一部分經(jīng)低壓泵增壓的LNG進(jìn)行換熱冷凝后，與另一部分LNG一起經(jīng)高壓泵加壓?，F(xiàn)有BOG再冷凝工藝如圖3所示。

3.3LNG中間預(yù)冷的二級(jí)壓縮BOG再冷凝工藝

LNG和BOG在進(jìn)入再冷凝器進(jìn)行熱交換之前，加壓設(shè)備中壓縮機(jī)占了主要的能耗。用經(jīng)過(guò)低壓泵加壓的過(guò)冷LNG對(duì)一級(jí)壓縮機(jī)出口的BOG氣體進(jìn)行預(yù)冷，使進(jìn)入第二級(jí)壓縮機(jī)BOG的溫度降低，從而達(dá)到減小壓縮功、保障系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的目的。改進(jìn)的LNG中間預(yù)冷的二級(jí)壓縮BOG再冷凝工藝見(jiàn)圖4。

4　兩種方案各種因素分析比較

影響能耗和最小物料比的因素主要有壓縮機(jī)出口壓力、預(yù)冷器出口BOG溫度等，模擬過(guò)程中運(yùn)用單一變量法對(duì)各種因素進(jìn)行能耗和最小物料比的影響分析，并繪制變化趨勢(shì)圖。

4.1再冷凝器入口BOG壓力對(duì)能耗和物料比的影響

對(duì)于改進(jìn)工藝流程，在各再冷凝器入口(即物流3)壓力條件下調(diào)節(jié)第一級(jí)壓縮機(jī)出口(即物流1)壓力，得到對(duì)應(yīng)再冷凝器入口壓力條件下的最小能耗，即在不同再冷凝器入口壓力條件時(shí)，最優(yōu)工藝條件下的能耗。以BOG溫度為-130 ℃的工況為例進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，隨著再冷凝器入口BOG壓力的增加，壓縮機(jī)所需能耗增加，且壓力越高，改進(jìn)后工藝壓縮機(jī)節(jié)能效率越高。最小物料比(在再冷凝器中將BOG全部冷凝所需要最少的LNG質(zhì)量與BOG質(zhì)量的比)隨再冷凝器入口BOG壓力增加而減少，這是因?yàn)樵倮淠魅肟趬毫υ礁?，為了滿足工藝要求，低壓泵的出口壓力也需相應(yīng)地增加。由式(1)可知，LNG具有的冷能也相應(yīng)增加，對(duì)BOG進(jìn)行冷卻時(shí)所需的LNG量則相應(yīng)減少，從而使最小物料比較少。由于再冷凝器入口壓力越高，BOG經(jīng)壓縮后溫度也越高，故改進(jìn)后工藝所需最小物料比略有減少。

4.2一級(jí)壓縮機(jī)出口壓力對(duì)能耗的影響

改進(jìn)方案中以第一級(jí)壓縮機(jī)入口BOG溫度為-130 ℃，再冷凝器入口(即物流3)壓力為600 kPa工況為例進(jìn)行模擬，在壓縮機(jī)入口BOG溫度和再冷凝器入口壓力一定的情況下，改變第一級(jí)壓縮機(jī)出口(即物流1)壓力，得到能耗與第一級(jí)壓縮機(jī)出口壓力之間的關(guān)系圖，如圖6所示。

由圖6可知，對(duì)于壓縮機(jī)入口溫度為-130 ℃、再冷凝器入口壓力為600 kPa的BOG，隨著第一級(jí)壓縮機(jī)出口壓力的增加，一級(jí)壓縮機(jī)的能耗增加，二級(jí)壓縮機(jī)的能耗減小，而低壓泵的能耗(最小物料比時(shí)，低壓泵所需的能耗)相對(duì)于壓縮機(jī)能耗很小，且受一級(jí)壓縮機(jī)出口壓力的影響較小。在第一級(jí)壓縮機(jī)出口壓力為255 kPa時(shí)，所需能耗最小。此時(shí)，相對(duì)于改進(jìn)前工藝在相同工況下的壓縮機(jī)能耗，改進(jìn)工藝壓縮機(jī)能耗減少了15.5%。

4.3二級(jí)壓縮機(jī)入口溫度對(duì)能耗和物料比的影響

改進(jìn)方案中以第一級(jí)壓縮機(jī)入口BOG溫度為-130 ℃，再冷凝器入口(即物流3)壓力為600 kPa工況為例進(jìn)行模擬，在第一級(jí)壓縮機(jī)入口BOG溫度和再冷凝器入口壓力一定的情況下，改變第二級(jí)壓縮機(jī)入口(即物流2)溫度，得到能耗與第二級(jí)壓縮機(jī)入口溫度之間的關(guān)系圖，如圖7所示。

由圖7可知，隨著二級(jí)壓縮機(jī)入口溫度的降低，壓縮機(jī)能耗減少。在二級(jí)壓縮機(jī)入口溫度從-90 ℃降低到-135 ℃的過(guò)程中，壓縮機(jī)能耗減少15.98%，物料比減少4.17%。從壓縮機(jī)能耗和物料比的變化情況可以看出，降低溫度有利于節(jié)能，但考慮到設(shè)備性能的要求，二級(jí)壓縮機(jī)入口溫度不能太低。

5　結(jié) 論

在BOG再冷凝工藝中，相對(duì)于低壓泵加壓LNG的能耗，壓縮機(jī)加壓BOG的能耗較大。而經(jīng)低壓泵加壓后的LNG具有一定的冷能，通過(guò)對(duì)一級(jí)壓縮后的BOG進(jìn)行預(yù)冷，可以達(dá)到減少總能耗的目的?；诖嗽?，對(duì)現(xiàn)有工藝流程進(jìn)行改進(jìn)，并利用HYSYS軟件對(duì)相應(yīng)的工藝流程進(jìn)行模擬分析得到以下結(jié)論：

(1) 對(duì)于普通LNG接收站，運(yùn)用帶LNG預(yù)冷的二級(jí)壓縮BOG再冷凝工藝，壓縮機(jī)的能耗可減少15.5%。

(2) 壓縮機(jī)所需能耗隨再冷凝器入口BOG壓力增加而增加，且壓力越高，改進(jìn)后工藝壓縮機(jī)節(jié)能效率越高；最小物料比隨再冷凝器入口BOG壓力增加而減少；帶LNG預(yù)冷的二級(jí)壓縮BOG再冷凝工藝適合BOG進(jìn)再冷凝器壓力較大的LNG接收站。

(3) 壓縮機(jī)能耗隨二級(jí)壓縮機(jī)入口溫度的降低而減少，二級(jí)壓縮機(jī)入口溫度從-90 ℃降低到-135 ℃的過(guò)程中，壓縮機(jī)能耗減少15.98%，最小物料比減少4.17%。帶LNG預(yù)冷的二級(jí)壓縮BOG再冷凝工藝對(duì)于壓縮機(jī)入口BOG溫度較高的LNG接收站，其節(jié)能效果更明顯。

[1] 李亞軍, 陳行水. 液化天然氣接收站蒸發(fā)氣體再冷凝工藝控制系統(tǒng)優(yōu)化[J]. 低溫工程, 2011(3): 44-49.

[2] 李亞軍, 陳蒙. LNG接收站BOG多階壓縮再液化工藝優(yōu)化分析[J]. 化工學(xué)報(bào), 2013, 64(3): 986-992.

[3] 楊志國(guó), 李亞軍. 液化天然氣接收站蒸發(fā)氣體再冷凝工藝的優(yōu)化[J]. 化工學(xué)報(bào), 2009, 60(11): 2876-2881.

[4] 王赟, 賀三, 戰(zhàn)永輝, 等. 移動(dòng)式小型BOG增壓再液化裝置功耗的模擬計(jì)算[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2015, 34(6): 662-666.

[5] 陳雪, 馬國(guó)光. 流程參數(shù)對(duì)LNG接收終端蒸發(fā)氣再冷凝工藝流程性能的影響[J]. 石油與天然氣化工, 2008, 37(2): 100-104.

[6] 鄧勵(lì)強(qiáng), 呂志軍, 李寧, 等. LNG接收站再冷凝系統(tǒng)穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)模擬研究[J]. 石油與天然氣化工, 2016, 45(2): 33-38.

[7] 付子航. LNG接收站蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算模型[J]. 天然氣工業(yè), 2011, 31(1): 83-85.

[8] 楊志國(guó), 李亞軍. 液化天然氣接收站再冷凝工藝優(yōu)化研究[J]. 現(xiàn)代化工, 2009, 29(11): 74-77.

[9] 徐天源, 冉田詩(shī)璐. LNG接收站蒸發(fā)氣再冷凝工藝改進(jìn)及性能分析[J]. 化學(xué)工程師, 2014, 28(7): 57-61.

[10] 王小尚, 劉景俊, 李玉星, 等. LNG接收站BOG處理工藝優(yōu)化——以青島LNG接收站為例[J]. 天然氣工業(yè), 2014, 34(4): 125-130.

[11] 金光, 李亞軍. LNG接收站蒸發(fā)氣體處理工藝[J]. 低溫工程, 2011(1): 51-56.

[12] 孫憲航, 陳保東, 張莉莉, 等. 液化天然氣BOG的計(jì)算方法與處理工藝[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2012, 31(12): 931-933.

[13] PARK C, SONG K, LEE S, et al. Retrofit design of a boil-off gas handling process in liquefied natural gas receiving terminals[J]. Energy, 2012, 44(1): 69-78.

[14] 李兆慈, 王敏, 亢永博. LNG接收站BOG的再冷凝工藝[J]. 化工進(jìn)展, 2011, 30(增刊1): 521-524.

[15] 楊志國(guó). LNG 儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中BOG再冷凝器工藝的優(yōu)化[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2010: 50-51.

[16] 王文凱, 李兆慈, 蓋曉峰, 等. LNG接收站BOG再冷凝系統(tǒng)操作參數(shù)優(yōu)化[J]. 天然氣與石油, 2015, 33(2): 46-52.

HYSYS simulation and optimization of BOG recondensation process at LNG receiving terminal

Wang Die1， Zhang Yindi1， Yang Jianping2， Wu Lijuan1

(1.SchoolofPetroleumEngineering,YangtzeUniversity,Wuhan430100,China； 2.SAGDDevelopmentProjectManagementDepartmentofLiaoheOilfieldCompany,PetroChina，Panjing124010，China)

During the BOG recondensation process, the work of compressor is the main energy consumption. This paper aimed to reduce the energy consumption in BOG treatment process and ensure the stability of the system. Based on the analysis of pressure-enthalpy (p-H) variation in BOG compression process, the BOG treatment process is simulated by HYSYS. And then the process and system are optimized in this paper. The results show that the optimized system energy costs 15.5% less than the original system, and the minimal material ratio also diminishes. Both decreases in optimized system are useful for the stable operation of the system.

BOG, recondensation, HYSYS simulation, energy conservation, optimization

國(guó)家自然科學(xué)基金“co2氣氛下煤及碳?xì)淙剂先紵紵燁w粒物(Soot)的形成機(jī)制”(51306022)；湖北省自然科學(xué)基金“co2氛圍下煤粉火焰揮發(fā)組分中碳煙顆粒物(Soot)的形成機(jī)制研究”(2013CFB398)；中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金“稠油熱采地面注汽鍋爐熱能高效利用及co2富集驅(qū)油聯(lián)產(chǎn)技術(shù)研究”(2015D-5006-0603)；長(zhǎng)江青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金“頁(yè)巖氣采輸流動(dòng)保障及應(yīng)用新技術(shù)”(2015cqt01)。

汪蝶(1990-)，女，湖北天門(mén)人，長(zhǎng)江大學(xué)在讀碩士生，現(xiàn)主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)燃?xì)夥较虻难芯抗ぷ?。E-mail：1303077975@qq.com

TE965

ADOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2016.05.007

2016-04-19；編輯：康莉