LNG接收站增压－冷凝系统优化分析

孔令广，鲁毅

（1中石油大连液化天然气有限公司，辽宁 大连116600；2风控 （北京）工程技术有限公司，北京100025）

引 言

液化天然气 （LNG）产业是快速行业，至2020年的全球贸易量预期年增长率为5%～7%［1］。在能源消费持续增长以及大气环境治理的双重推动作用下，我国LNG产业发展迅速，目前在沿海地区已经有10多个LNG接收站建成投产，至2015年我国LNG接收站年接收能力将达到6500万吨［2］。再冷凝器是接收站蒸发气 （BOG）再冷凝工艺的核心设备，由高压泵、BOG压缩机和再冷凝器组成的增压－冷凝系统是影响接收站可靠性的关键设备［3－5］。本研究介绍这一系统运行中存在的问题，并基于理论分析与实践提出了优化方案。

1 LNG接收站及增压－冷凝工艺

沿海的大型LNG接收站由卸船码头接收LNG运输船上的LNG，经储存和气化后通过外输管网输送给城市管网或天然气发电厂等下游用户。典型的LNG接收站包括LNG卸船、储存、增压、BOG处理、气化、天然气计量输出、火炬放空、槽车装车等工艺单元［6］，如图1所示。

图1 LNG接收站工艺流程Fig.1 Process flow diagram of LNG receiving station

LNG运输船 （B1）抵达LNG接收站专用码头后，LNG通过船上卸料泵增压后经卸料臂（L2）输送到卸船总管 （S1）中，并经上进料管线（S2）和下进料管线 （S3）储存到LNG储罐 （T1）中。卸船过程中，大量的BOG气体通过气相返回臂 （L1）返回LNG船，以平衡船舱内压力。

储存在储罐中的LNG通过低压输送泵 （P1）增压后进入低压输送总管 （S8）。低压输送总管中的部分LNG去槽车装车外输 （S9）、码头冷循环、小型LNG运输船装船外输。

其余的低压LNG一部分经过FCV1进入再冷凝器 （V1）的上部吸收经BOG压缩机 （C1）增压的BOG气体；大部分低压LNG经过再冷凝器旁路管线上的压力控制阀PCV1A和PCV1B后与再冷凝器底部出口的LNG在管线S16中充分混合，混合后的LNG进入高压输送泵。如图2所示。

经高压输送泵 （P2）加压的LNG进入开架式气化器ORV（E1）或浸没燃烧式气化器SCV （E2）气化成气态天然气，经分析计量后送入外输管网。

2 增压－冷凝工艺的控制

再冷凝器有两个重要功能：提供LNG与BOG充分混合的场所，起到冷凝BOG气体的作用；作为高压泵入口的缓冲罐，起到缓冲高压泵泵井液位的作用［7］。再冷凝器运行过程中要满足本身的液位和压力平稳，还要保证其下部出口压力大于该温度条件下LNG的饱和蒸气压，即满足高压泵入口压力NPSH的要求，避免高压泵气蚀［8］。

FIC1在串级控制时，进入再冷凝器上部的LNG流量与进入再冷凝器的BOG流量之间关系式为

式中，QLNG为通过再冷凝器的LNG体积流量2，m3·h－1；QBOG为进入再冷凝器的BOG标准体积流量，m3·h－1（已经经FX－1进行了温压补偿计算）；R为比例常数；P为再冷凝器底部压力P0，kPa （表）。

FIC1在摘除串级控制改为单回路控制时，F2的流量大小是通过手动设定的。

正常生产条件下高压泵入口压力PIC1设定值为一确定数值Pw，T2温度下LNG饱和蒸气压为P2，如果能够满足Pw＞P2，则PIC1自动调节再冷凝器旁路阀PCV1A／PCV1B的开度使P0能够维持在相对稳定的水平。

图2 LNG接收站增压－冷凝工艺与控制简图Fig.2 Booster－recondensation system and process control of LNG receiving terminal

图3 高压输送泵出入口管线简图Fig.3 High pressure transfer pump inlet and outlet pipe line

图3中，PDI1为高压泵入口过滤器压差，P3为LNG靠近高压泵井入口处压力，P4、T4为高压泵出口压力和温度。为了保证高压泵泵井内产生的BOG气体能够及时排放到再冷凝器中，高压泵泵井设有放空管线及MV手阀，4台高压泵的泵井放空线汇聚到放空总管，放空总管连接至再冷凝器。

图4 高压输送泵泵井压力和过滤器压差趋势图Fig.4 Pump well pressure and filter pressure difference of high pressure transfer pump B—filter pressure difference；C—pump well pressure

3 增压－冷凝系统运行中存在的问题

LNG接收站运行过程中，由于高压泵入口过滤器处杂物积累或高分子量烃类物质的凝结，PDI1会逐渐变大，导致高压输送泵泵井压力下降。当PDI1增大到一定数值时，高压输送泵泵井液位开始出现较大波动，同时再冷凝器液位持续上涨底部温度出现明显下降。

图4为高压输送泵泵井压力和过滤器压差趋势图。其中B线是高压输送泵入口过滤器压差变化曲线，10：26后过滤器压差表超过其实际量程；C线是高压输送泵泵井压力变化曲线。从图中可以看出，在一定范围内高压输送泵泵井压力随入口过滤器压差逐渐增大而减小。

3.1 增压－冷凝系统问题分析

BOG压缩机负荷维持在某一确定值，即BOG压缩机出口压缩到再冷凝器的BOG气体量保持不变。高压泵入口压力PIC1打到 “自动”状态，当再冷凝器液位稳定后将FIC1打到手动。此时如果开大流量控制阀FCV1的开度，有更多LNG进入再冷凝器吸收BOG压缩机输送来的BOG气体，此时再冷凝器顶部压力会变小，从而引起再冷凝器液位上涨；反之，手动关小FCV1的开度会引起再冷凝器液位下降。

但实际生产中遇到的现象是：随着高压输送泵入口过滤器压差增大，高压输送泵泵井入口压力不断减小。当高压输送泵泵井入口压力低于某一确定值时，虽然手动关小FCV1的开度，再冷凝器液位仍然保持上涨趋势，甚至出现FCV1关到0% （图5）的情况。

图5 流量控制阀FCV1开度曲线Fig.5 Flow control valve FCV1opening degree

图6 增压－冷凝系统主要参数趋势图Fig.6 Main parameters of booster－recondensation system

图7 某LNG接收站高压输送泵和再冷凝器相对位置Fig.7 Relative position diagram of high pressure pump and condenser in LNG receiving station

图6为高压输送泵过滤器压差超过实际量程，高压输送泵泵井压力降低到较低值后，增压－冷凝系统各参数变化曲线。在Ⅰ～Ⅱ段之间，再冷凝器底部压力 （E线）、BOG压缩机到再冷凝器流量（F线，约为900m3·h－1）均保持基本不变。再冷凝器顶部压力 （D线）和高压输送泵泵井压力（C线）两条曲线几乎完全吻合，即再冷凝器顶部压力和高压输送泵泵井压力几乎相等，因此可以推测泵井上端和再冷凝器顶端都充满了BOG气体。

结合图4和图5，对图6中Ⅰ～Ⅱ时间段内运行情况做进一步分析。再冷凝器液位 （G线）稍微上升；但FCV1在这段时间内的开度一直为零，此段时间没有LNG进入再冷凝器来吸收压缩机来的BOG；而再冷凝器液位上升又证明再冷凝器顶部未出现BOG气体聚集。因此，推断BOG压缩机来的BOG被高压输送泵通过放空管线吸入高压输送泵泵井中。

3.2 放空管线分析

图7为高压泵和再冷凝器垂直方向的相对位置图，4台高压泵的泵井放空线 （S1～S4）至放空总管水平段S5的垂直高度均为d1。正常操作条件下再冷凝器顶部压力P2为0.7MPa，与放空总管S5气相空间压力相等；高压输送泵入口压力P3等于再冷凝器出口压力P0，为0.72MPa，也基本等于高压输送泵泵井的压力。

根据帕斯卡定律

式中，ρ为LNG密度，h为再冷凝器液位，g为重力加速度。

可计算得出图7中d1段内LNG液柱高度ΔH＝4.44m，实际d1的长度为8.6m，可判定管线S1～S4的上部及总管水平段S5内均充满BOG气体。同理可推测，当P2与P3接近或相等时，h接近或等于0，此时d1和d2段全部充满BOG气体，即泵井内已经开始吸入来自再冷凝器的BOG气体。

某LNG接收站正常生产中，BOG压缩机负荷调整好且再冷凝器液位稳定后，再冷凝器顶部压力一般保持为0.7MPa。从上面的理论推测，当高压输送泵泵井压力降到低于0.7MPa时，BOG开始倒吸进入高压输送泵泵井，开始出现高压输送泵泵井液位较大波动、再冷凝器液位持续上涨、底部温度明显下降的现象。这一点与实际生产情况吻合。平时的操作过程中，当出现高压输送泵泵井压力较低现象时一定要及时清理过滤器，防止BOG气体进入泵井而引起高压输送泵的气蚀。另外，要解决上述问题可以对放空管线进行优化设计。

图8 高压输送泵泵井放空管线优化图Fig.8 Pipeline optimization diagram of HP pump well vent line

3.3 放空管线优化方案

在实际生产中，为了避免上面现象产生，可以对高压输送泵泵井放空管线进行优化设计。高压输送泵泵井优化图如图8所示，d3的长度改短到2～3m （要小于4.44m），以保证4个高压输送泵泵井放空线S1～S4以及管线S5的水平段和d4高度充满LNG。

这种设计的优点：①放空管线能够起到泄放泵井内产生的BOG气体的作用；②启动一台高压输送泵时，另外几台高压输送泵泵井和再冷凝器同时起到其入口缓冲罐的作用，减小了启动高压输送泵引起的再冷凝器液位波动；③当高压输送泵入口过滤器压差较大时，其余泵井内的LNG可以通过泵放空管线进入到该泵井中，不会引起泵井压力低，同时也避免了BOG气体抽入泵井的现象出现，保护高压输送泵。

另外，将高压输送泵泵井液位计上取压点的位置做一定的调整，液位计取压点位置如图8所示，这样可以直观地读出液位计的读数，并准确判断泵井是否存在液封。如果液位读数变低，则说明压力表的上取压点处开始出现BOG气体。

4 结 论

在高压输送泵入口过滤器压差过大而引起增压－冷凝系统运行不稳定的基础上，结合该系统主要参数和阀门变化趋势图对存在的问题做进一步的分析，得出高压输送泵泵井放空线影响系统运行稳定性的结论，并从理论上对结论的正确性进行了证明，最后针对存在的问题对放空线结构做了优化分析。

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