LNG具有解决远海和荒漠地区气田开发、回收边远气田天然气等优点，因而得到了广泛的运用[1-2]。LNG具有低温特性，由于设备漏热、产热、作业过程中储罐与船舱的压差等因素，接收站系统将产生一定量的蒸发气体(BOG)[3]。BOG的处理工艺是LNG接收站的核心工艺[4-6]。结合气化外输压力、最小外输流量以及能源利用的合理性等因素，BOG气体处理工艺的优先顺序为：①返回LNG船填补舱压；②返回LNG储罐；③再液化；④直接压缩；⑤燃料气利用；⑥火炬燃烧或储罐压力安全阀放空[7]。2009年杨志国等通过调节BOG压缩机压缩比、物料比等再冷凝工艺参数，实现BOG再冷凝工艺的优化运行。并针对BOG再冷凝工艺能耗偏高的问题，提出利用高压LNG预冷增压后的BOG，降低BOG压缩机压缩比的工艺流程[3, 8]。2014年徐天源等从热力学的角度提出了BOG多级压缩再冷凝工艺，通过调节压缩机的压缩系数和BOG分流比达到减少压缩机能耗的目的[9]。本文针对BOG再冷凝过程中压缩机能耗较大的问题，运用BOG再冷凝工艺中BOG与LNG的压力比焓(p-H)图，从理论上分析了工艺优化的可行性。在此基础上对现有BOG再冷凝处理工艺进行改进，通过分析各种因素对压缩机能耗的影响，达到减少压缩机能耗、保障系统平稳运行的效果；同时通过对物料比的分析，进一步验证了改进方案的可行性。
BOG直接压缩工艺中，BOG经压缩机加压、计量加臭后以高压天然气进入外输管网供下游用户使用。直接压缩工艺适用于小型LNG卫星站处理BOG；BOG再冷凝液化工艺中，BOG经压缩机加压后进入再冷凝器，与一部分过冷LNG换热，形成液态，并与剩余LNG一起通过高压泵加压，进入气化器气化，再外输。再冷凝工艺适用于大型LNG接收站处理BOG。其工艺流程如图 1所示[10-13]。
再冷凝器主要有3个功能：①冷凝BOG；②作为LNG高压泵的入口缓冲罐；③再冷凝器内部液位高度可满足LNG高压泵入口NPSH的要求[14]。将LNG加压，使其成为过冷液体，再与高压的BOG换热，控制LNG的流量，可以使经过再冷凝器的BOG正好变成饱和状态的LNG，此时的LNG流量是再冷凝器的最小流量。
LNG经过罐内低压泵加压，压力增大，温度基本不变，泡点温度随压力增大而升高，由式(1)[15]可知，此时LNG拥有一定的过冷度，称为过冷LNG。LNG低压泵吸入的LNG状态为饱和液体，经过低压泵加压后，输出LNG的状态为过冷液体。
过冷LNG具有的冷能为：
式中：c为LNG比热容；m为LNG质量；T1为LNG经液下泵后温度；T2为LNG的泡点温度。
为了对BOG再冷凝工艺进行优化，降低压缩机能耗。利用经低压泵加压的具有较大冷能的LNG对经第一级压缩机加压的BOG进行预冷，降低第二级压缩机入口BOG的温度，减少压缩能耗。对BOG的压缩过程原有工艺和改进工艺进行热力学分析，图 2为BOG再冷凝原有工艺及改进工艺的压力比焓比较图。
图 2中等温线为其中4个不同温度下的等温线。ABE线(直线)为原有BOG压缩过程。ABCD是在原有工艺的基础上改进的BOG压缩过程，BOG缓冲罐出来的BOG经一级压缩机加压到B点，与经过低压泵加压的具有较大冷能的LNG换热，降温到C点后经第二级压缩机加压得到所需的压力D点。在相同的压缩比时，原有工艺的比焓变化为Q3；改进工艺的比焓为Q1+Q2。
原有工艺压缩过程：BOG经A、B、E压缩过程，压缩机械功耗为：
改进工艺压缩过程：BOG经A、B、C、D压缩过程，压缩机械功耗为：
式中：W1为原有工艺压缩机功耗，kJ/h；W2为改进工艺压缩机功耗，kJ/h；F为进入压缩机BOG的质量流量，kg/h；η为压缩机的机械效率，%。
在进入压缩机BOG的质量流量F和压缩机机械效率η一定的情况下，从图 2中可以看出, Q3＞Q1+Q2，故W1＞W2；在第二级压缩机BOG出口压力一定的情况下，Q1、Q2随第一级压缩机出口压力(即B点的位置)和第二级压缩机BOG入口温度(即C点的位置)的变化而变化，通过同时调节第一级压缩机的出口压力和第二级压缩机BOG的入口温度可以得到最佳节能工艺，即使Q1+Q2最小化，工艺流程最优化。
由上一节的分析可知，经低压泵加压后的LNG具有一定的冷能；通过对一级压缩后的BOG预冷到适当的温度，再进行第二级压缩可以达到减少压缩能耗，进而减少总能耗的目的。基于此原理，对原有工艺进行改进，运用经低压泵加压后的具有一定冷能的LNG对一级压缩后的BOG预冷，并对工艺流程进行了参数优化。
以国内某常规LNG接收站BOG再冷凝系统工艺流程为例，运用HYSYS软件对设计工况下的运行参数进行模拟。储罐的日蒸发率(质量分数)为0.005%。取BOG的质量流量为3 500 kg/h。再冷凝器压力越高，节能越少，考虑到操作方便等因素，再冷凝器压力一般控制在0.6~0.9 MPa[16]。本研究选取压缩机压力工况在0.5~1.1 MPa进行模拟。在流程模拟中压缩机和泵的效率按75%计算，这与实际工程相吻合。
LNG接收站LNG组分列于表 1。
因BOG压缩过程中升压大，压缩机单级压缩比不宜超过3.5，BOG压缩机实际为多级串联压缩机[2]。BOG经压缩机加压后，在再冷凝器中与一部分经低压泵增压的LNG进行换热冷凝后，与另一部分LNG一起经高压泵加压。现有BOG再冷凝工艺如图 3所示。
LNG和BOG在进入再冷凝器进行热交换之前，加压设备中压缩机占了主要的能耗。用经过低压泵加压的过冷LNG对一级压缩机出口的BOG气体进行预冷，使进入第二级压缩机BOG的温度降低，从而达到减小压缩功、保障系统平稳运行的目的。改进的LNG中间预冷的二级压缩BOG再冷凝工艺见图 4。
影响能耗和最小物料比的因素主要有压缩机出口压力、预冷器出口BOG温度等，模拟过程中运用单一变量法对各种因素进行能耗和最小物料比的影响分析，并绘制变化趋势图。
对于改进工艺流程，在各再冷凝器入口(即物流3)压力条件下调节第一级压缩机出口(即物流1)压力，得到对应再冷凝器入口压力条件下的最小能耗，即在不同再冷凝器入口压力条件时，最优工艺条件下的能耗。以BOG温度为-130 ℃的工况为例进行模拟，模拟结果如图 5所示。
由图 5可知，随着再冷凝器入口BOG压力的增加，压缩机所需能耗增加，且压力越高，改进后工艺压缩机节能效率越高。最小物料比(在再冷凝器中将BOG全部冷凝所需要最少的LNG质量与BOG质量的比)随再冷凝器入口BOG压力增加而减少，这是因为再冷凝器入口压力越高，为了满足工艺要求，低压泵的出口压力也需相应地增加。由式(1)可知，LNG具有的冷能也相应增加，对BOG进行冷却时所需的LNG量则相应减少，从而使最小物料比较少。由于再冷凝器入口压力越高，BOG经压缩后温度也越高，故改进后工艺所需最小物料比略有减少。
改进方案中以第一级压缩机入口BOG温度为-130 ℃，再冷凝器入口(即物流3)压力为600 kPa工况为例进行模拟，在压缩机入口BOG温度和再冷凝器入口压力一定的情况下，改变第一级压缩机出口(即物流1)压力，得到能耗与第一级压缩机出口压力之间的关系图，如图 6所示。
由图 6可知，对于压缩机入口温度为-130 ℃、再冷凝器入口压力为600 kPa的BOG，随着第一级压缩机出口压力的增加，一级压缩机的能耗增加，二级压缩机的能耗减小，而低压泵的能耗(最小物料比时，低压泵所需的能耗)相对于压缩机能耗很小，且受一级压缩机出口压力的影响较小。在第一级压缩机出口压力为255 kPa时，所需能耗最小。此时，相对于改进前工艺在相同工况下的压缩机能耗，改进工艺压缩机能耗减少了15.5%。
改进方案中以第一级压缩机入口BOG温度为-130 ℃，再冷凝器入口(即物流3)压力为600 kPa工况为例进行模拟，在第一级压缩机入口BOG温度和再冷凝器入口压力一定的情况下，改变第二级压缩机入口(即物流2)温度，得到能耗与第二级压缩机入口温度之间的关系图，如图 7所示。
由图 7可知，随着二级压缩机入口温度的降低，压缩机能耗减少。在二级压缩机入口温度从-90 ℃降低到-135 ℃的过程中，压缩机能耗减少15.98%，物料比减少4.17%。从压缩机能耗和物料比的变化情况可以看出，降低温度有利于节能，但考虑到设备性能的要求，二级压缩机入口温度不能太低。
在BOG再冷凝工艺中，相对于低压泵加压LNG的能耗，压缩机加压BOG的能耗较大。而经低压泵加压后的LNG具有一定的冷能，通过对一级压缩后的BOG进行预冷，可以达到减少总能耗的目的。基于此原理，对现有工艺流程进行改进，并利用HYSYS软件对相应的工艺流程进行模拟分析得到以下结论：
(1) 对于普通LNG接收站，运用带LNG预冷的二级压缩BOG再冷凝工艺，压缩机的能耗可减少15.5%。
(2) 压缩机所需能耗随再冷凝器入口BOG压力增加而增加，且压力越高，改进后工艺压缩机节能效率越高；最小物料比随再冷凝器入口BOG压力增加而减少；带LNG预冷的二级压缩BOG再冷凝工艺适合BOG进再冷凝器压力较大的LNG接收站。
(3) 压缩机能耗随二级压缩机入口温度的降低而减少，二级压缩机入口温度从-90 ℃降低到-135 ℃的过程中，压缩机能耗减少15.98%，最小物料比减少4.17%。带LNG预冷的二级压缩BOG再冷凝工艺对于压缩机入口BOG温度较高的LNG接收站，其节能效果更明显。
2016, Vol. 45 Issue (5): 30-34
2016, Vol. 45 Issue (5): 30-34