LNG储罐冷却过程中BOG回收量探讨

陈 帅 田士章 胡文江 曲培志 宫 明 王旭东

（中石油大连液化天然气有限公司）

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600×104t增长到2015年的2 000×104t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5 000×104t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。

1 实际BOG回收量

1.1 BOG回收

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123.15K，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95h。

1.2 冷却初始参数

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。

表1 冷却初始参数Table 1 Initial parameters of cooling

1.3 回收问题及分析

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。

1.4 回收量计算

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 120t。

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5.8t／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551t。

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461t。

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171t。

式中：p为储罐压力，121kPa；V 为储罐体积，160 000m3；Mm为甲烷摩尔质量，16.043g／mol；R为摩尔气体常数，8.315Pa·m3／（mol·K）；TE为冷却完成温度，123.15K；TS为冷却初始温度，281.5K。

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 671t，实际回收BOG总量为632t，排放火炬的BOG总量为1 039t，BOG回收率为37.80%。

2 BOG最大回收量

2.1 流程及操作工艺的改进

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。

2.2 最大BOG回收量计算

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。

表2 BOG压缩机参数Table 2 Parameters of BOG compressor

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29.3h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10K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。

2.3 BOG最大回收量所需的最小LNG外输流量计算

通过式（1）～式（9）和式（11）计算得到：冷却时间t在29.3～95h之间，压缩机入口温度TM＿B从268.77K逐渐降至130.16K。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 145K 左右。因此，TM＿BOUT＝TM＿B＋145。由于压缩机出口压力控制在0.8MPa（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0.82MPa（绝压）和138.15K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115.15K。通过查表［8］和分析得到如表3所示的数据。

表3 BOG最大回收所需的最小LNG外输流量相关数据Table 3 Data of minimum LNG output flow for BOG maximum recovery

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＝ －177.68kJ／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＝130.16K 时所对应的ML＿OUT值，通 过 式 （3）、（13）、（14）计 算 得 到ML＿OUT＿MAX值为333.2t／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333.2t／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157.18t（29.3×5.8＝169.94），即为整个冷却过程中回收的BOG总量1 036.72t，排放火炬634.28t，BOG回收率高达62.04%。

3 结论

通过实际BOG回收量的计算，得出冷却过程中实际回收量为632t，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333.2t／h时，回收量可达1 036.72t，回收率高达62.04%，比原来多回收404.72t。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。

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