LNG接收站BOG蒸发量的影响因素及稳定性

李亚军 夏 岩

(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)

1 引言

常压下，LNG的储存温度低至－160℃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BOG［1］，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。

2 LNG接收站BOG蒸发系统分析

2.1 LNG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［2］。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。

图1 LNG接收站流程图Fig.1 LNG receiving and regasification system

2.2 LNG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160 000 m3的LNG储罐，有两台BOG压缩机，每台压缩机电机功率为500 kW，设计流量为3 320 m3/h(6 690 kg/h)［3］。

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。

表1 贫富液组成Table 1 Components of rich and lean LNG

非卸船时，该接收站LNG储罐压力约16 kPa(表压，下同)，BOG总量6.3 t/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12 kPa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10 kPa逐渐升高到15 kPa左右，高于接收站储罐的12 kPa，BOG可自动上岸。

卸船开始时，卸船速度由200 m3/h逐渐增加到12 000 m3/h，此过程耗时75分钟。接收站储罐压力则快速由12 kPa升高到16 kPa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16 t/h以上［4］。船上LNG液面下降，压力迅速降到10 kPa，之后需由接收站补充大量BOG，以维持船压在10 kPa。此后全速卸船，速度维持在12 000 m3/h，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147 000 m3，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0 h，结束于14 h左右。

可以看出，储罐压力在卸船前10小时(－10 h)为16 kPa，BOG量约6.3 t/h。卸船前6小时，储罐开始降压，在卸船前1小时达到12 kPa;该阶段BOG量由6.3 t/h增加到9.3 t/h。之后船上BOG流入接收站储罐，BOG量在0 h左右达到16.5 t/h;罐压也随之升高到16 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16.1 kPa，BOG量约6.3 t/h。卸船结束时，罐压恢复到16 kPa，BOG量仍是6.3 t/h。

图2 卸船时接收站储罐压力和BOG量Fig.2 Operation pressure of LNG tanks and BOG volume during ship unloading

3.2 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6.3 t/h，最大量16.5 t/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13.38 t/h。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。

4 BOG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－160℃，外界温度即使在0—40℃范围内变化，再加上光照影响，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360 t/h，最大外输1 260 t/h，最小外输时的BOG量比最大外输时多了14.9%。

4.2 LNG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［7］。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。

图3 非卸船时BOG量与N2含量的关系Fig.3 BOG volume with change of nitrogen 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6 275 kg/h，澳大利亚富液LNG(含氮摩尔分数0.09%)的BOG量是6 228 kg/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［8］。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［9］。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5—15 kPa。

图4 BOG蒸发量与不同进料位置的关系Fig.4 BOG volume vs.feed position

4.4 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饱和压力与焓值关系如表2。

表2 LNG饱和压力与焓值的关系Table 2 Saturated enthalpy of LNG vs.pressure

由表2可知，压力每提高1 kPa，则饱和液体焓增加0.335 7 kJ/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［10］。由图2也可看到，卸船前，储罐压力稍有降低，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10 kPa，接收站BOG总量可以达到33.77 t/h。如果岸上储罐压力维持在19 kPa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5—25 kPa，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:－6 h开启两台压缩机，处理量超过漏热产生的BOG，储罐压力在－1 h降到12 kPa。

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10 m，LNG为贫液，外输量685 t/h，外界温度30℃，罐顶进料。目前该接收站年接收量600万吨，以船容147 000 m3计，平均两次卸船间隔约97 h。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—92 h共97小时为一个卸船周期。

图5 优化的BOG蒸发量和储罐压力Fig.5 BOG volume and operation pressure of LNG tanks in optimized system

优化后，卸船操作与现有操作保持一致，图5中0—14 h卸船，1.5—13 h为全速卸船(12 000 m3/h)阶段。优化操作后，在全速卸船阶段，将储罐压力保持在16.0 kPa(现有操作16.1 kPa)，在此压力下，BOG总量为6.69 t/h，开启一台BOG压缩机。14—87 h属于非卸船状态，虽然漏热产生的BOG只有6.3 t/h，但将压缩机的处理量仍保持6.69 t/h不变，储罐压力持续下降，79 h降低到10.85 kPa。之后调整处理量为6.3 t/h，储罐压力维持10.85 kPa不变。新一轮的卸船开始时，储罐压力迅速上升，最高时可达19.8 kPa，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6.3 t/h升高到6.69 t/h。新一轮卸船达到全速时，罐压降至16.0 kPa，BOG量仍为6.69 t/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6.3 t/h，而没有达到一台压缩机的额定处理量6.69 t/h。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 t/h，直到储罐压力降到所需值。优化操作中，卸船前降压到10.85 kPa，较现有操作压力(12 kPa)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19.8 kPa也高于现有操作，但仍在5—25 kPa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，氮气摩尔分数均低于0.5%，BOG蒸发量仍在一台压缩机处理范围内。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爆发的情况，BOG高峰期也小于罐顶进料的高峰期。

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，增加经济效益，同时保护了环境。第二台压缩机无需经常开启，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接收站的 BOG量受气温、光照、外输量、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，在卸船之前降压至卸船之初，BOG量会迅速增加。通过分析影响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。

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