LNG接收站BOG再冷凝工艺影响因素及优化

杜笑阳 朱祚良 吴明

摘      要：BOG再冷凝工艺一直是LNG接收站的关键流程之一。现有BOG再冷凝工艺存在能耗较大的问题，为此提出了预冷法对原工艺进行优化。介绍了LNG接收站内BOG产生过程与现有处理工艺流程，对接收站内BOG再冷凝工艺的影响因素进行分析，提出了使用预冷法对BOG再冷凝工艺进行优化。运用ASPEN HYSYS流程模拟软件并结合江苏如东LNG接收站运行参数对比优化前后的再冷凝工艺流程进行实例计算、建模以及流程模拟，对比分析了优化前后的再冷凝工艺能耗。分析结果表明：影响BOG再冷凝工艺的主要因素是BOG压缩机出口压力和BOG温度;通过使用预冷法对再冷凝工艺进行优化，当优化前后物料比接近时，优化后的BOG再冷凝工艺对比原工艺节约压缩机功耗26.7%，总功耗节约6%。优化效果明显。

关  键  词：LNG接收站;BOG;再冷凝工艺;优化;能耗

中图分类号：TE 832        文献标识码： A       文章编号：1671-0460（2020）08-1762-05

Abstract： The BOG recondensing process has always been one of the key processes at the LNG receiving station. The existing BOG recondensing process has the problem of large energy consumption， and a precooling method was proposed to optimize the original process. In this paper， the BOG generation process and existing processing flow in the LNG receiving stations were introduced. The factors affecting the BOG recondensation process were analyzed. The pre-cooling method was used to optimize the BOG recondensing process. The ASPEN HYSYS was used to combine the operating parameters of Jiangsu Rudong LNG receiving station with the recondensing process before and after optimization to carry out example calculation， modeling and process simulation. The power consumptions of the recondensing process before and after optimization were compared and analyzed. The results showed that the main factors affecting the BOG recondensation process were the BOG compressor outlet pressure and BOG temperature; after the recondensation process was optimized by using pre-cooling method， when the material ratio was close before and after the optimization， the optimized BOG recondensing process saved 26.7% of compressor power consumption， and saved 6% of the total power consumption. So the optimization effect of the condensation process was obvious.

Key words： LNG terminal; BOG; Recondensation proecss; Optimization; Energy consumption

近年來我国LNG接收站的建设发展迅速[1-2]，天然气作为清洁能源也在能源结构中占据越来越大的比重。由于技术的限制，目前LNG主要通过大型LNG运输船完成国际间的贸易。低温状态下的LNG从运输船送出之后，由于在存储、运输等过程中，不可避免的会和外界进行热交换，产生蒸发气（Boil-off Gas，BOG）。BOG的直接排放不仅会造成环境污染，同时也会造成能源浪费和经济损失。因此，LNG接收站的重要工艺之一即是BOG的处理工艺。BOG处理工艺一般可分为直接压缩工艺和再冷凝工艺两种[3]。目前国内大多数LNG接收站均采用再冷凝工艺对BOG进行处理。许多学者对再冷凝工艺的优化进行了研究。李亚军等和LI等[4-5]建立了BOG多阶压缩模型，提出二阶压缩系统达到节能的同时，控制系统也有利于稳定。在此基础上，唐凯等[6]对二阶压缩再冷凝工艺进行了进一步的优化，在降低再冷凝工艺能耗的同时又确保了LNG接收站的稳定运行。向丽君等和曹玉春等[7-8]提出了利用高压LNG对增压后的BOG进行预冷，从而实现降低再冷凝系统压缩机能耗的目的[9]。本文介绍了LNG接收站再冷凝工艺流程及影响因素，针对压缩机出口压力对功耗和物料比的影响、BOG温度对物料比的影响进行分析，提出使用预冷法对再冷凝工艺流程进行优化。结合江苏LNG接收站实际运行参数进行相应的理论计算和实例分析。

1  BOG的产生及处理工艺

由于LNG是常压低温状态下储存运输的天然气液化产物，与环境的温差较大。因此储罐的漏热、外界温度的影响及系统运行时产生的热量被低温介质吸收，难免会造成LNG罐内产生大量的BOG[9-10]。直接压缩工艺（如图1）和再冷凝工艺（如图2）为LNG储罐内BOG处理的两种方式。

直接压缩工艺是将BOG先压缩到外输压力，再送至输气管网; 而再冷凝工艺则是将低压蒸发气（通常为0.7 MPa）與低压泵送出的液化天然气相混合的过程。LNG经低压泵加压后处于过冷状态，可以使再冷凝器内的BOG冷凝为LNG。二者经混合后被输送至LNG高压泵经加压后气化外输。再冷凝工艺可以有效利用LNG的冷能，同时减少BOG压缩机的功耗。若BOG未被完全冷凝，剩余BOG将通过火炬燃烧和安全阀排入大气。再冷凝器主要有两个功能：一是流经再冷凝器的 BOG与LNG混合物为液态;二是再冷凝器可以作为LNG高压输送泵的入口缓冲器。直接压缩工艺无需再冷凝器，所需设备少，操作简单，但工艺能耗高;在再冷凝工艺中，BOG压缩机需将BOG压缩至与之混合的LNG液体压力，然而再冷凝工艺需要大量的LNG来提供冷能，当LNG量较少且不足以冷凝全部BOG时，则多余BOG需通过火炬燃烧或直接排入大气从而造成能源损耗。根据已有的研究成果可知，相同条件下再冷凝工艺比直接压缩工艺节约30%～60%的成本[11-12]。LNG接收站一般结合实际情况，以再冷凝工艺为主要流程、直接压缩工艺为辅助流程的方法对BOG进行处理。但再冷凝工艺依然存在能耗过大的问题，具有较大的优化空间。

2  BOG再冷凝工艺的影响因素分析

2.1  工艺参数

BOG再冷凝工艺的主要耗能设备为BOG压缩机、低压泵和高压泵[13]。主要工艺参数是BOG压缩机的进口压力、出口压力及再冷凝器内完全冷凝BOG所需LNG的量。

江苏如东LNG接收站设有3座16×104 m3和1座20×104 m3容积的LNG储罐，日气化率为0.05%。输气管网压力为9.6 MPa。LNG与BOG组分及工艺参数如表1、表2所示（接收站内LNG流量为650 t·h-1，BOG流量为30 t·h-1）。

使用ASPENHYSYS流程模拟软件对再冷凝工艺流程进行模拟，采用控制变量法对再冷凝工艺流程进行分析。再冷凝工艺流程模拟如图3。

2.2  BOG压缩机出口压力对物料比的影响

在再冷凝工艺中，使用LNG的全部冷能对BOG进行冷凝，并使得全部BOG被液化，此时再冷凝器内LNG与BOG质量比称为物料比。使用图3所示模型对江苏LNG接收站再冷凝工艺进行模拟。

为研究BOG压缩机出口压力对物料比的影响，以BOG压缩机和LNG低压泵的出口压力为变量进行分析，结果见图4。

由图4可知，压缩机出口压力与再冷凝过程所需要的物料比呈反向变动关系，即随着压缩机出口处压力的升高，再冷凝过程所需的物料比逐渐降低。其主要原因是BOG压力越高，露点温度越高，更容易液化，故在再冷凝器中将BOG液化所需的LNG冷能越少，使得冷凝BOG所需LNG量减少，即物料比减小。过冷LNG提供的冷能可以通过式（1）计算[14]。

由公式（1）可知，当比热容c与质量m既定时，只需考虑泡点温度T2对冷能的影响。由于泡点温度随着压力的升高而增大，所以BOG压缩机出口压力的升高可以增大单位LNG提供的冷能，从而物料比减少。因此，由图4还可以看出，随着压力的增高，物料比的减小速度逐渐缓慢，即随着压力的增高，压力对物料比的影响越来越小，压力对物料比的控制效果减弱。

2.3  BOG压缩机出口压力对功耗的影响

从表3中可以看出，随着压缩机出口压力的增加，低压泵的功耗随之增大，高压泵的功耗随之减小，压缩机的功耗和总功耗同时增加。这说明总功耗的增加与压缩机功耗的增加有直接关系。因此，在BOG再冷凝工艺中，要使产生的BOG完全被LNG冷凝液化，应该在操作条件允许的情况下，尽量降低压缩机的出口压力，从而使压缩机的功耗得以降低，进而达到降低总功耗的目的。但压缩机出口压力的降低会导致物料比增加，因此接收站输气负荷处于低谷时期时，产生的BOG不足以被接收站此时的LNG输出量全部冷凝，从而导致操作难以完成。因此需根据LNG接收站的实际输出量来尽量降低压缩机出口压力，达到降低能耗的目的。

2.4  BOG温度对物料比的影响

使用HYSYS对江苏LNG接收站现有再冷凝工艺进行模拟，通过模拟结果可知，BOG气体进入压缩机之后温度由151.8 ℃升高到-60 ℃，经过再冷凝器之后BOG温度降低为-136.6 ℃。这是因为，再冷凝器中的过冷LNG不但要为BOG液化提供冷能，而且要为压缩后的BOG冷却提供冷能。因此再冷凝过程需要大量LNG进入再冷凝器，导致物料比增大。如果能在BOG进入再冷凝器前降低其温度，低温BOG进入再冷凝器后就可以减少BOG冷凝过程所需的LNG冷能，降低再冷凝器内所需LNG量，从而降低物料比。

通过改变BOG进入再冷凝器前的温度，分析再冷凝工艺中物料比随BOG温度的变化关系，见图5。

从图5可以看出，再冷凝过程中的物料比随BOG温度的降低而减小，且呈线性关系。若BOG以露点温度进入再冷凝器，此时在再冷凝器内，过冷LNG只需为BOG由气态变为液态的过程提供冷能即可，无需再为其降温提供冷能，这种工况下所需的LNG量最小，为极限情况下的最小物料比。若想达到降低物料比的目的，可以通过降低BOG进入再冷凝器前的温度。为弥补2.2提到的降低压缩机压力导致物料比的增加，需在保持物料比不变或变化不大的情况下，通过降低压缩机出口压力以达到降低压缩机能耗的目的[15]。

3  再冷凝工艺的优化改进

3.1  预冷法优化的原理

根据以上对再冷凝工艺影响因素的分析可知，优化再冷凝工艺的关键是降低压缩机功耗。从再冷凝器中排出的LNG经LNG高压泵进入气化器外输前的温度仍然较低，故可将其作为冷源对进入再冷凝器前的BOG进行预冷，充分利用LNG的冷能，以达到降低压缩机功耗的目的。工艺流程如图6。

3.2  预冷法优化的流程

优化后的工艺流程模拟图如图7所示。在原有再冷凝工藝流程的基础上，在再冷凝器前添加一个预冷器，从LNG储罐中流出的LNG经低压泵加压后一部分进入再冷凝器与BOG混合，使BOG在再冷凝器内完全液化并与另一部分经低压泵的过冷LNG混合后进入高压泵，经高压泵增压到管网压力后的一部分LNG作为再冷凝工艺预冷的冷源，在BOG进入再冷凝器前预冷换热使其降低温度，以减少再冷凝器内液化BOG所需LNG的量，混合后的LNG最后经气化器外输。

3.3  优化后两种工艺参数分析对比

预冷法优化后进入再冷凝器前的BOG温度为-132.1 ℃，冷凝BOG所需的LNG量为1.883×105 kg·h-1，原有再冷凝工艺冷凝BOG所需LNG量为2.46×105 kg·h-1。这是因为与原有再冷凝工艺相比，进入再冷凝器前的BOG温度降低，减小了在再冷凝器内冷凝相同流量BOG所需的LNG冷量，即相同流量的BOG所需LNG量减少，故物料比减少。改变优化后流程中BOG压缩机出口压力，模拟得到不同压力下的工艺参数，详见表4。

观察优化前后冷凝BOG所需LNG流量、物料比、及各设备功耗可以看出，原有再冷凝工艺BOG压缩机功耗为2 098.01 kW，总功耗为53 703.91 kW，此时BOG压缩机出口压力为1.3 MPa，物料比为5.49。优化后，当再冷凝工艺压力为0.8 MPa时，物料比为5.53，与原有再冷凝工艺物料比接近，且再冷凝压力降低。此时压缩机功耗和总功耗分别为1 536.28和50 157.78 kW，与优化前相比压缩机功耗降低了561.73 kW，节约能耗26.7%，总功耗降低了6%。

4  结 论

本文通过HYSYS软件建立了BOG再冷凝工艺流程模型并分析BOG再冷凝工艺的影响因素，对比不同因素对BOG再冷凝工艺的影响，并对工艺流程提出优化方案，对原有再冷凝工艺进行改进，可达到降低功耗的目的。通过分析得到以下结论：

1）通过分析BOG压缩机出口压力对物料比的影响可知，BOG露点温度随压缩机出口压力的升高而增加，在再冷凝器内易液化，因此所需物料比越少;通过分析BOG压缩机出口压力对功耗的影响可知，压缩机的总功耗随出口压力的降低而减少;通过分析BOG温度对物料比的影响可知，BOG温度的降低会导致物料比减小。

2）在再冷凝器前增加一个预冷装置，通过降低经过压缩机加压后进入再冷凝器前的BOG温度，进而降低了再冷凝器中冷凝BOG所需LNG量，即降低了物料比。对比优化前后工艺能耗，在保持物料比变化不大的情况下，优化后再冷凝工艺压缩机功耗降低了26.7%，总功耗降低了6%。

参考文献：

[1]杨莉娜， 韩景宽， 王念榕， 等. 中国LNG接收站的发展形势[J]. 油气储运， 2016， 35（11）： 1148-1153.

[2]华创， 张帆， 胡洪兵，等. LNG储存技术研究现状[J]. 当代化工， 2016， 45（6）： 1267-1269.

[3]周姿潼. LNG接收站BOG处理工艺流程模拟与优化研究[D].成都： 西南石油大学， 2014.

[4]李亚军， 陈蒙. LNG接收站BOG多阶压缩再液化工艺优化分析[J]. 化工学报， 2013， 64（3）： 986-992.

[5]LI Y，WEN M. Design and dynamic optimization of BOG two-stage compression and recondensation process at LNG receiving terminal[J]. Chemical Engineering & Technology， 2016， 40（1）： 59-65.

[6]唐凯， 朱祚良， 吴明， 等. LNG接收站BOG再冷凝工艺优化与能耗分析[J]. 当代化工， 2019， 48（5）： 1032-1035.

[7]向丽君， 全日， 邱奎， 等. LNG接收站BOG气体回收工艺改进与能耗分析[J]. 天然气化工（C1化学与化工）， 2012， 37（3）： 48-50.

[8]曹玉春， 陈其超， 陈亚飞， 等. 液化天然气接收站蒸发气回收优化技术[J]. 化工进展， 2016， 35（5）： 561-1566.

[9]陈行水. LNG接收站再冷凝工艺模型与动态优化[D]. 广州： 华南理工大学， 2012.

[10]郭海燕， 张炜森. 珠海LNG装置技术分析与运行情况[J].石油与天然气化工， 2012， 41（1）： 43-47.

[11]李亚军， 陈行水. 液化天然气接收站蒸发气体再冷凝工艺控制系统优化[J]. 低温工程， 2011（3）： 44-49.

[12]刘浩， 金国强. LNG接收站BOG气体处理工艺[J]. 化工设计， 2006（1）： 13-16.

[13]王坤， 陈飞， 付勇. BOG再冷凝处理工艺模拟与改进[J]. 当代化工， 2016， 45（7）：1435-1437.

[14]宛秀仁. LNG接收站BOG处理工艺研究[J]. 山西化工， 2015， 35（2）： 50-52.

[15]刘迪， 杜伟婧. LNG接收站BOG再冷凝工艺的模拟及优化[J]. 石油化工应用， 2016， 35（6）： 130-134.