LNG接收站BOG蒸发量的影响因素及稳定性_李亚军

1、2012年第4期总第188期低温工程CRYOGENICSNo.42012Sum No.188LNG 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摘要:针对某一液化天然气(LNG 接收站存在的蒸发气体(BOG 量波动大、BOG 燃烧排放及单位BOG 处理量能耗高等问题,分析了BOG 蒸发量的主要影响因素及维持BOG 量稳定性的可行性。提出了对现有操作进行基于储罐操作压力调控的优化方案,优化操作后BOG 蒸发量稳定性提高,避免了BOG 燃烧排放,同时降低了工艺能耗,增加了经济效益。关键词:液化天然气蒸发气体模拟操作压力稳定性中图分

2、类号:TB657文献标识码:A 文章编号:1000-6516(201204-0038-06收稿日期:2012-04-24;修订日期:2012-07-24作者简介:李亚军,女,43岁,副教授。Influencing factors and stability of BOG generationin LNG receiving terminalLi YajunXia Yan(Key Lab of Heat Transfer Enhancement and Energy Conservation of the Ministry of Education ,South China University

3、 of Technology ,Guangzhou 510641,China Abstract :In allusion to the problems existing in BOG system of one LNG receiving terminal in China ,such as great fluctuation of BOG generation ,high energy consumption of BOG processing and the resource waste of BOG flare emission and so on ,the parameters th

4、at affect BOG generation volume and the feasibility of maintaining BOG generation stability were analyzedThe existing operation was optimized by using chem-ical process simulation softwareThe optimization concentrated on the regulation of pressure of LNG tanksThe stability of BOG generation in optim

5、ized operation was improved and BOG flare emission was avoided ,which reduced the energy consumption of BOG processing while increased economic benefitKey words :LNG ;BOG ;simulation ;operation pressure ;stability1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

6、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BOG1,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。但当第4期LNG 接收站BOG 蒸发量的影响因素及稳定性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

7、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。2LNG 接收站BOG 蒸发系统分析21LNG 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

8、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1LNG 接收站流程图Fig1LNG receiving and regasification system22LNG 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

9、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31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160000m 3的LNG 储罐,有两台BOG 压缩机,每台压缩机电机功率为500kW ,设计流量为3320m 3/h (6690kg /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

10、大利亚LNG 甲烷含量较低,为富气。2种LNG 组成如表1所示。93低温工程2012年表1贫富液组成Table1Components of rich and lean LNG组分名称摩尔分数/%甲烷乙烷丙烷异丁烷正丁烷氮气总计密度/(kg/m3贫液92736060960060080111004424富液88777542590450560091004676非卸船时,该接收站LNG储罐压力约16kPa(表压,下同,BOG总量63t/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12kPa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B

11、OG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10kPa逐渐升高到15kPa左右,高于接收站储罐的12kPa,BOG 可自动上岸。卸船开始时,卸船速度由200m3/h逐渐增加到12000m3/h,此过程耗时75分钟。接收站储罐压力则快速由12kPa升高到16kPa左右。卸船的最初阶段, BOG量(BOG净量,已除去补充到船上等,

12、下同最高可达16t/h以上4。船上LNG液面下降,压力迅速降到10kPa,之后需由接收站补充大量BOG,以维持船压在10kPa。此后全速卸船,速度维持在12000m3/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147000m3,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0h,结束于14h左右。可以看出,储罐压力在卸船前10小时(10h为16kPa,BOG量约63t/h。卸船前6小时,储罐开始降压,在卸船前1小时达到12kPa;该阶段BOG量由63t/h增

13、加到93t/h。之后船上BOG流入接收站储罐,BOG量在0h左右达到165t/h;罐压也随之升高到16kPa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161kPa,BOG量约63t/h。卸船结束时,罐压恢复到16kPa,BOG量仍是63t/h 。图2卸船时接收站储罐压力和BOG量Fig2Operation pressure of LNG tanks and BOGvolume during ship unloading32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63t/h,最大量165t/h,最

14、大量是最小量的26倍以上。BOG高峰期即使两台压缩机全开,额定处理量也只有1338t/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/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。4BOG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、

15、不同密度LNG混合影响。41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040范围内变化,再加上光照影04第4期LNG 接收站BOG 蒸发量的影响因素及稳定性响,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

16、是360t /h ,最大外输1260t /h ,最小外输时的BOG 量比最大外输时多了149%。42LNG 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。

17、图3非卸船时BOG 量与N 2含量的关系Fig3BOG 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6275kg /h ,澳大利亚富液LNG (含氮摩尔分数009%的BOG 量是6228kg /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。43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

18、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515kPa。图4BOG 蒸发量与不同进料位置的关系Fig4BOG vo

19、lume vs feed position44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2LNG 饱和压力与焓值的关系Table 2Saturated enthalpy of LNG vs pressure饱和压力/kPa饱和温度/LNG 焓值/(kJ /kg 96501622444240137881577442851P =4138T =45H =1389由表2可知,压力每提高1kPa ,则饱和液体焓增加03357k

20、J /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14低温工程2012年有降低,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10kPa,接收站BOG总量可以达到3377 t/h。如果岸上储罐压力维持在19kPa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

21、力是525kPa,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。51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

22、压力升高。与图2对应的现场操作是:6h开启两台压缩机,处理量超过漏热产生的BOG,储罐压力在1h降到12kPa。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10m,LNG为贫液,外输量685t/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147000m3计,平均两次卸船间隔约97h。图5为优化的

23、储罐操作压力与BOG蒸发量的关系,图中操作时间592h共97小时为一个卸船周期。优化后,卸船操作与现有操作保持一致,图5中014h卸船,1513h为全速卸船(12000m3/h 图5优化的BOG蒸发量和储罐压力Fig5BOG volume and operation pressure ofLNG tanks in optimized system阶段。优化操作后,在全速卸船阶段,将储罐压力保持在160kPa(现有操作161kPa,在此压力下, BOG总量为669t/h,开启一台BOG压缩机。1487h属于非卸船状态,虽然漏热产生的BOG只有6.3t/h,但将压缩机的处理量仍保持669t/h不变

24、,储罐压力持续下降,79h降低到1085kPa。之后调整处理量为63t/h,储罐压力维持1085kPa不变。新一轮的卸船开始时,储罐压力迅速上升,最高时可达198kPa,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63t/h升高到669t/h。新一轮卸船达到全速时,罐压降至160kPa,BOG量仍为669t/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63t/h,而没有达到一台压缩机的额定处理量669t/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

25、的额定处理量669t/h,直到储罐压力降到所需值。优化操作中,卸船前降压到1085kPa,较现有操作压力(12kPa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198kPa也高于现有操作,但仍在525kPa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24第4 期 LNG 接收站 BOG 蒸发量的影响因素及稳定性 43 稳定性。 5 2 其它

26、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 BOG 蒸发量仍在一台压缩机处理范围 低于 0 5% ， 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 BOG 高峰期也小于罐顶进料的高峰期 。 的情况，

27、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

28、烧外排， 减少资源浪费， 增加经济 同时保护了环境。 第二台压缩机无需经常开 效益， ， 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 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 BOG 量会迅速增加。 通过分析 前降压至卸船之初， 影响 BOG 蒸发量的各类因素和维持 B

29、OG 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。 参 1 2 3 4 5 刘 2006 （ 1 ） ： 1316 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 J 低温工程， 2011 （ 3 ） ： 4449 统优化 初燕群， 陈文煜， 牛军锋， 等 液化天然气接收站应用技术 （ ） J 天然气工业， 2007 （ 1 ） ： 120123 柳 山 液化天然气 （ LNG ） 全容储罐结构和性能研究 （ D ） 广 2009 州： 华南理工大学， MyungWook Shin， En Sup Yoon Optimization