近年来, 由于我国LNG项目发展较快，对LNG的需求量也迅猛增长。预计，国内LNG的需求量将从2010年的约600×104 t增长到2015年的2 000×104 t左右，2020年还会成倍地增长[1]。因此，我国将在长三角、泛珠三角地区、环渤海地区建设约10个LNG接收站，到2020年建成年进口量达5 000×104 t以上的LNG接收站[2]。目前国内已投产运营的LNG接收站有广东大鹏LNG、福建LNG、上海LNG、江苏LNG和大连LNG。大型常压LNG储罐是接收站最重要的设备单元，而其冷却又是整个储罐投用过程中风险最高，难度最大的环节[3]，同时冷却过程中还会产生大量的蒸发气[4](BOG，Boil off gas)。对于已经投产运营的LNG接收站而言，在安全、平稳地完成后期储罐冷却的基础上，怎样合理地回收冷却过程中产生的BOG尤为重要。本文以大连LNG接收站后期3号储罐冷却为例，对储罐冷却过程中的BOG回收量进行了讨论。
图 1为大连LNG接收站3号储罐冷却BOG回收简图。当卸船竖管充液完成，TANK3氮气置换排放甲烷体积分数达到5%，同时其储罐压力与TANK1、TANK2压力相等便可开启XV02阀完成TANK3储罐与BOG总管对接，再开启喷淋冷却管线上的MV01、MV03阀，并调节MV02阀开度开始冷却。当储罐底部温度达到123.15 K，储罐冷却完成。冷却产生的BOG(以下简称冷却BOG)与接收站正常运行产生的非冷却BOG(以下简称非冷却BOG)在BOG总管中混合，通过缓冲罐进入压缩机加压后，在再冷凝器中被过冷LNG冷凝为液体与其旁路的LNG混合，通过高压泵加压、汽化器气化成天然气(NG)，送入计量站计量后外输至管网。同时无法回收的BOG将会通过火炬排放，整个冷却时间为95 h。
冷却前系统所具有的一些参数将直接影响冷却过程中BOG的回收量，因此在表 1中给出了相关初始参数数值。
开启相关阀门对储罐冷却, 发现运行压缩机入口压力不断下降，最后跳车。启动备用压缩机在100%负荷下运行，其入口压力也下降，降低其运行负荷，压缩机入口压力迅速回升, 之后又开始逐渐下降，最后跳车。拆开压缩机入口过滤器，发现上面存在微小冰粒堵塞过滤器，从而导致压缩机入口压力下降。
经分析确定，是由于TANK3冷却初期产生较高温度的冷却BOG与较低温度的非冷却BOG混合，温度急剧下降导致冷却BOG中微量水分冷凝成微小冰粒堵塞压缩机入口过滤器，使得整个压缩机系统无法正常运行。同时，从图 1可见：3个储罐所产生的BOG都是通过BOG总管送往压缩机处理。当出现压缩机无法正常运行时，冷却BOG和非冷却BOG均无法正常回收。
图 2为TANK3冷却过程中LNG流量(ML)与时间(t)的关系曲线。通过曲线拟合[4]得到t与ML的关系式, 见式(1)。
对式(1)在t∈[0, 95]内求定积分，得冷却过程LNG总量ML_S为1 120 t。
在整个冷却过程中，非冷却BOG也会正常产生，且流量MN_B为正常运行流量5.8 t/h。通过冷却时间与其相乘得到冷却过程中的非冷却BOG总量MN_B_S为551 t。
图 3为冷却过程中再冷凝器回收的BOG流量(MR_B)与时间(t)的关系曲线。
对曲线进行分段计算得出冷却过程回收的BOG总量MR_B_S为461 t。
从TANK3开始冷却到完成，其罐内增加的BOG存储量ФMT3_B通过式(2)计算为171 t。
式中：p为储罐压力，121 kPa；V为储罐体积，160 000 m3；Mm为甲烷摩尔质量，16.043 g/mol；R为摩尔气体常数，8.315 Pa·m3/(mol·K)；TE为冷却完成温度，123.15 K；TS为冷却初始温度，281.5 K。
通过以上计算得出，在整个冷却过程中接收站产生的BOG总量为1 671 t，实际回收BOG总量为632 t，排放火炬的BOG总量为1 039 t，BOG回收率为37.80%。
从图 3可以看出，在冷却初期即使三台压缩机循环运行，其回收的BOG流量也低于非冷却BOG量。因此，冷却初期为了保证整个工艺的正常平稳运行和对非冷却BOG的正常回收，在TANK3出口BOG管线XV02阀前就近设置一条去火炬的管线，以便将冷却BOG单独排放至火炬(见图 4)。用来防止含微量水分的冷却BOG与非冷却BOG混合降温后凝结冰粒影响压缩机的正常运行。
在操作过程中，TANK3温度高于露点温度时，关闭XV02阀，开启MV05阀，将冷却BOG直接排放至火炬，既可将微量水分排放，也可保证非冷却BOG的正常回收及压缩机平稳运行。TANK3温度低于露点温度后，开启XV02阀，关闭MV05阀，将冷却BOG与非冷却BOG混合通过压缩机加压处理，这时TANK3内含有的微量水分会在储罐内凝结成微小冰粒，留在储罐内，混合之后的BOG内将不再含有微小冰粒，压缩机便能正常运行。
大连LNG接收站选用3台容积式BOG压缩机[6]，表 2中列出了其相关参数。
由此得到压缩机最大处理流量MC_B(t/h)与其入口BOG温度TM_B(K)的关系式：
由理想气体状态方程[7]得出储罐存储BOG量MT_B(t)与储罐温度TT3(K)的关系式：
图 5为TANK3冷却储罐温度TT3与时间t的关系曲线。
通过曲线拟合得到t与TT3的关系见式(5)，其残差为7.870 4。
由此得出，当冷却时间为29.3 h时, 储罐温度降低至露点温度。
将式(5)带入式(4)对时间微分，求得储罐储存BOG增量DMT3_B与时间t的关系见式(6)。
所以冷却BOG流量MT3_BO为：
冷却BOG与非冷却BOG混合满足质量和能量守恒，即
式中：hC为冷却BOG比焓，kJ/kg；MN_B为非冷却BOG流量，t/h；hNC为非冷却BOG比焓，kJ/kg；MB_S为冷却过程中BOG总流量(MB_S=MT3_BO+MN_B)，t/h；hmc为混合后，压缩机入口BOG比焓，kJ/kg。
通过Engineer's Aide Toolbox 7.0和MATLAB[5]求得甲烷比焓h随其温度T变化的函数(式(9))和T随比焓h变化的函数(式(10))。
通过式(1)~式(10)计算得到的非冷却BOG与冷却BOG混合后的温度(即压缩机入口温度)比实际冷却时压缩机入口温度低10 K左右, 因此在式(10)中常数项加上10作为误差修正值, 即得到式(11)。
通过式(1)~式(9)和式(11)，作出冷却过程中t∈[29.3, 95]内BOG排放总流量MB_S、压缩机最大处理流量MC_B与时间t的关系图(见图 6)。同时拟合出MC_B随时间t变化的关系见式(12)，其残差为0.159 52。
通过式(1)~式(9)和式(11)计算得到:冷却时间t在29.3~95 h之间, 压缩机入口温度TM_B从268.77 K逐渐降至130.16 K。根据大连LNG接收站实际运行情况，压缩机100%负荷运行时，其入口温度TM_B比出口温度(再冷凝器入口BOG温度)TM_BOUT(K)低145 K左右。因此，TM_BOUT=TM_B+145。由于压缩机出口压力控制在0.8 MPa(绝压), 所以通过温度进行比焓计算时, 也采用理想气体温度与式(9)来近似计算。将TM_B代入式(9)得到进入再冷凝器的BOG气体比焓hM_BOUT(kJ/kg)，其关系式见式(13)。
通过大连LNG实际运行经验，将图 4中S2处的压力、温度(混合冷凝后LNG温度TL_HP)分别控制在0.82 MPa(绝压)和138.15 K是再冷凝器和高压泵正常运行的必要条件。同时，正常运行时图 4中S1处温度(混合冷凝前LNG温度TL_LP)一般为115.15 K。通过查表[8]和分析得到如表 3所示的数据。
通过以上数据，可以得到S2处的LNG比焓hS2=hsa-Cp(Tsa-TL_HP)=-163.99-1.998×(145-138.15)kJ/kg=-177.68 kJ/kg。根据LNG在与BOG冷凝混合时质量、能量守恒得式(14)。
式中：ML_OUT为压缩机入口BOG温度为TM_B时所对应的BOG最大回收量所需的最小LNG外输流量，t/h。
通过式(3)、(13)、(14)作出压缩机入口BOG温度TM_B与ML_OUT的关系图(见图 7)。
由图 7可知，随着TM_B的降低，ML_OUT值逐渐增大。因此，BOG最大回收所需的最小LNG外输流量ML_OUT_MAX应为TM_B=130.16 K时所对应的ML_OUT值，通过式(3)、(13)、(14)计算得到ML_OUT_MAX值为333.2 t/h。
从图 6可以看出，压缩机最大处理流量一直小于BOG排放总流量。当LNG外输量达到333.2 t/h时，方可达到BOG的最大回收量。因此对式(12)在t∈[29.3, 95]范围(露点之下)积分，便可求得此时间段内所回收的BOG总量为866.78 t。加上t∈[0, 29.3]时间段内(露点之上)回收的BOG总量为157.18 t(29.3×5.8=169.94)，即为整个冷却过程中回收的BOG总量1 036.72 t, 排放火炬634.28 t，BOG回收率高达62.04%。
通过实际BOG回收量的计算，得出冷却过程中实际回收量为632 t，回收率为37.8%；保证平稳运行的基础上，改进工艺和操作后且外输量达到333.2 t/h时，回收量可达1 036.72 t，回收率高达62.04%，比原来多回收404.72 t。以当前国际LNG价格5 000元/t计算，可节约经济成本约202万元，较好地达到了节能减排的目的。
2013, Vol. 42 Issue (4): 373-377
2013, Vol. 42 Issue (4): 373-377