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關(guān)于LNG接收站再冷凝器最大吸收率的問題探討

2020-05-15 04:57郭冰冰李佳霖
化工設(shè)計通訊 2020年3期
關(guān)鍵詞:高壓泵接收站吸收率

郭冰冰,李佳霖

(1.廣東珠海金灣液化天然氣有限公司,廣東珠海 519000;

2.中海石油瀚海能源投資有限公司,廣東珠海 519000)

LNG 接收站在運行過程中,由于儲罐和管道內(nèi)的LNG受熱蒸發(fā)不斷地產(chǎn)生BOG,為了控制儲罐壓力,必須將這些BOG 處理掉。LNG 接收站通常有兩種處理BOG 的方法[1-2],一種是通過兩臺BOG 壓縮機將BOG 二次加壓外輸至管網(wǎng),另一種則是通過再冷凝器和過冷的LNG 將一級加壓后的BOG液化成LNG,然后加壓氣化輸送至管網(wǎng)。后者是一種較為節(jié)能的處理BOG 的方式,國內(nèi)的LNG 接收站也普遍都使用再冷凝器來處理BOG。

1 再冷凝器的工作原理

查天然氣的物理性質(zhì)圖[3]可知,天然氣在常壓(0.101MPaA)時飽和溫度為-161.5℃,壓力為0.684~0.763MPaG 時的飽和溫度區(qū)間為-129~-127℃。正常運行時,進入再冷凝器的LNG壓力約為0.7MPaG,溫度約為-157℃,該LNG 處于過冷狀態(tài),該狀態(tài)下的LNG 再吸收BOG 的過程中,溫度逐步上升,直至達(dá)到飽和狀態(tài)(約-128℃)。

若再冷凝器出口的LNG 處于過冷狀態(tài),說明再冷凝器沒實現(xiàn)完全吸收BOG;若再冷凝器出口的LNG 處于飽和溫度狀態(tài),說明再冷凝器對BOG 吸收能力已達(dá)到最大值。

2 再冷凝器吸收BOG的液氣質(zhì)量比ML/B

再冷凝器吸收BOG 的液氣質(zhì)量比ML/B是反映再冷凝器吸收BOG 能力的主要參數(shù),質(zhì)量比ML/B 越小,同樣質(zhì)量的LNG 吸收BOG 的能力就越強。但是,ML/B受以下五個因素的工況影響:

1)LNG 的溫度;

2)LNG 的組份;

3)BOG 的溫度;

4)BOG 的組份;

5)再冷凝器的壓力。

以上五個因素中,LNG 的溫度、組份以及BOG 的組份在LNG 接收站的日常運行過中變化不大,故將其忽略,不做討論。下圖為再冷凝器壓力PT 與液氣比ML/B 的關(guān)系圖。如圖1所示:

圖1 再冷凝器壓力與質(zhì)量比ML/B的關(guān)系圖

由上圖可知,再冷凝器壓力越高,ML/B越小,吸收率越高,但當(dāng)壓力高于0.7MPaG 后,ML/B 的下降趨勢趨于平緩??紤]到再提高再冷凝器壓力,BOG 壓縮機出口壓力也會升高,BOG 溫度也會升高,BOG 溫度升高也將導(dǎo)致吸收率下降。因此,LNG 接收站的再冷凝器設(shè)計工作壓力都在0.65~0.75MPaG之間,建議在操作再冷凝器時,將其壓力控制在0.67~0.74MPaG的范圍內(nèi)。

日常操作中,BOG 的溫度對ML/B 影響也較大。再冷凝器壓力為075MPaG 時,ML/B與BOG 溫度的關(guān)系圖。如圖2所示:

圖2 ML/B與BOG溫度的關(guān)系曲線圖

由上圖可知,再冷凝器的液氣比受BOG 溫度的影響較大,在操作再冷凝器時,需要盡量控制BOG 壓縮機出口溫度,在BOG 溫度偏高時,適當(dāng)提高再冷凝器吸收BOG 的ML/B。

3 高壓泵對再冷凝器BOG吸收率的影響

3.1 再冷凝器出口LNG溫度對高壓泵正常運行的影響分析

再冷凝器和高壓泵的工藝流程,如圖3所示:

圖3 再冷凝器和高壓泵的流程圖

經(jīng)過再冷凝器吸收后的BOG 重新成為LNG,輸送到高壓泵用于加壓氣化外輸。理論上,再冷凝器出口的LNG 溫度即為高壓泵的進口溫度,只要該溫度下的LNG 稍微過冷即可滿足高壓泵的運行需求,實際操作中發(fā)現(xiàn),運行中的高壓泵進口溫度若高于-136℃,高壓泵泵筒液位開始下降,現(xiàn)場可聽到隨溫度繼續(xù)升高,泵筒內(nèi)LNG 氣化發(fā)生的聲音逐漸增大,高壓泵進口溫度若達(dá)到-133℃時,就發(fā)生泵筒液位低低聯(lián)鎖停泵。

以上情況導(dǎo)致在日常操作中不得不開啟再冷凝器的旁路(LV-0373A/B)閥門補充過冷LNG,使得再冷凝器出口LNG溫度降低到-136℃以下,從旁路補充過冷LNG 會導(dǎo)致再冷凝器處理BOG 的能力下降,原本再冷凝器出口LNG 中原BOG的質(zhì)量可占1/9,但經(jīng)過旁路補充LNG 后,高壓泵出口LNG中原BOG 的質(zhì)量僅能占到1/11甚至更小。

經(jīng)過大量試驗和現(xiàn)場觀察,高壓泵進口溫度高于-136℃時發(fā)生的液位波動和下降現(xiàn)象,確定是泵筒內(nèi)LNG 發(fā)生了氣化導(dǎo)致的,LNG 氣化原因只有兩個:

(1)泵筒內(nèi)壓力下降低于LNG 的飽和壓力;

(2)泵筒內(nèi)的LNG 被加熱超過飽和溫度后氣化。

3.2 高壓泵進口溫度對其正常運行的影響原因分析

觀察發(fā)現(xiàn),運行的高壓泵泵筒壓力與再冷凝器壓力之間不存在壓差??梢源_定高壓泵泵桶液位下降不是由高壓泵泵筒的壓降引起的。是否LNG 被加熱而發(fā)生氣化引起的呢?

由于高壓泵是臺多級離心泵,LNG 從中上部側(cè)面進入泵筒,被葉輪從泵筒底部中心吸入,加壓到工作壓力后從泵筒頂部輸出,高壓泵葉輪、電機等都浸泡在泵筒內(nèi)的LNG 中。高壓泵泵筒長約6m,泵筒直徑為0.991m,里面泵體長5.72m,直徑為0.635m,高壓泵共有5個溫度探頭,其中頂部第一個溫度傳感高度位置在電機,第二個溫度傳感高度在電機底部,其余三個溫度傳感的高度在葉輪。由此可知,泵筒內(nèi)的低壓LNG 處在寬度為0.178m 的環(huán)形空間內(nèi),加壓后的LNG 流動在直徑為0.635m 的泵筒內(nèi),詳見圖3再冷凝器和高壓泵的流程圖。

處于停機滿液保冷備用的高壓泵,泵筒內(nèi)5個溫度傳感器的溫差不大。正常運行中的高壓泵進出口溫差達(dá)到10.6℃,泵桶內(nèi)5個溫度傳感器的溫差達(dá)到10℃,當(dāng)進口溫度高于-136.7℃后,雷達(dá)和差壓液位計均出現(xiàn)波動并下降,隨著進口溫度的升高,液位波動下降越來越劇烈,同時,再冷凝器壓力開始升高;當(dāng)進口溫度降低后,泵筒液位和壓力逐漸恢復(fù)正常。

高壓泵液位隨入口溫度高于-136℃后液位下降的原因有兩個:

高壓泵是多級離心泵,LNG 在多級葉輪中隨著壓力的上升,溫度也逐漸升高,到達(dá)葉輪頂部時溫度將高于-125℃,這時LNG 將熱量傳遞給泵體,使得泵體的溫度也高于-125℃。泵體再與泵筒內(nèi)LNG 發(fā)生熱交換,泵筒內(nèi)的LNG 壓力為0.75MPaG,該壓力下的飽和溫度只有-127 ℃,被溫度達(dá)到-125℃的泵體加熱而劇烈氣化。

高壓泵功率較高,電機位置發(fā)熱量較大,高壓泵本身是依靠流動的LNG 為其降溫的,當(dāng)LNG 流量較低時,電機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量無法被帶走,就會發(fā)生LNG 溫度較快上升,甚至被加熱超過飽和溫度而出現(xiàn)劇烈氣化的現(xiàn)象。

由這兩種原因?qū)е卤猛矁?nèi)的LNG 氣化產(chǎn)生的大量BOG,大量的BOG 導(dǎo)致高壓泵泵桶液位下降,在現(xiàn)場可以聽到強烈的氣化聲音。

經(jīng)驗告訴我們,當(dāng)高壓泵流量低于200m3/h 時,珠海LNG接收站的高壓泵對進口溫度的要求是低于-136℃,為了更加平穩(wěn)的運行,建議控制高壓泵入口LNG 溫度低于-139℃。

但是,經(jīng)過測試,高壓泵流量由200方/小時提升到262方/小時后,入口溫度達(dá)到-131.6℃才開始出現(xiàn)液位波動的情況。由此可得出結(jié)論,當(dāng)高壓泵流量繼續(xù)增大時,由于更大的LNG 流量可以帶走更多的熱量,高壓泵可以接受更高的入口溫度,同時,其進出口溫差更小。

4 平時工況時再冷凝器最大吸收能力計算

由以上分析可知,在目前珠海LNG 的運行工況下(高壓泵流量低于200m3/h),影響對BOG 吸收的瓶頸在于高壓泵入口LNG 溫度要求在-136℃以下,對此,以這個工況為基礎(chǔ),計算再冷凝器的最大吸收能力??梢哉J(rèn)為保持-136℃的高壓泵入口溫度、750KPaG 壓力是達(dá)到最大吸收率的工況參數(shù),以此為條件。結(jié)合BOG 溫度對再冷凝器吸收率的影響,計算不同BOG 溫度下接收站高壓外輸最大吸收率。

查LNG 物性表可知,飽和溫度-127℃的LNG 比焓為-160.05kJ/kg,來自低壓泵-157℃的LNG 比焓為-271.26kJ/kg,最終混合成-136℃的LNG,由此計算得兩種溫度LNG 的混合比例為4 ∶1。由此圖2并經(jīng)計算可得出BOG 溫度為0℃時的ML/B和實際吸收率分別為7.5、9.4,40℃時的ML/B和實際吸收率分別為8.7、10.7。

5 結(jié)束語

由此可知,接收站BOG 壓縮機出口溫度保持在40℃左右時,每高壓泵外輸10.7萬方,其中BOG 占1萬方左右,這個情況與實際操作基本一致。實際操作中,若發(fā)生液位波動現(xiàn)象,吸收率還達(dá)不到1/12,而且會導(dǎo)致再冷凝器壓力升高,只有在接船時,BOG 壓縮機的出口溫度才會低于40℃。

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