液化天然氣（LNG）接收站BOG回收工藝研究

靳帥帥，莊 琦

西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安710065

1 問題的緣起

隨著環(huán)境保護的需要和能源的日益緊張，國內(nèi)液化天然氣（LNG）行業(yè)發(fā)展速度越來越快，從2000年至今，天然氣消費比例從2.2%增長到5.8%，未來國內(nèi)LNG 產(chǎn)業(yè)需求還將持續(xù)上漲。LNG 由氣井產(chǎn)出后，經(jīng)LNG 工廠預(yù)處理、液化，通過海上運輸至LNG 接收站，最終氣化后降至常壓，外輸?shù)接脩艚K端，構(gòu)成一條完整的LNG 產(chǎn)業(yè)鏈。因此，LNG 接收站是LNG 產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一環(huán)，也成為了制約我國LNG 進口的重要因素。近年來，我國江蘇啟東、廣東揭陽、中石化天津分公司等LNG 接收站陸續(xù)建成并投產(chǎn)。截至2017年底，我國每年總接卸周轉(zhuǎn)能力達5 640萬t，新建立的LNG 接收站有利于保障我國的能源供應(yīng)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)［1］。

目前，國內(nèi)的LNG 接收站分為3種類型，即衛(wèi)星型接收站、調(diào)峰型接收站、氣源型接收站［2］。約-160 ℃的LNG 儲罐時刻存在與外界環(huán)境的傳熱，以及LNG 罐底的泵等相關(guān)設(shè)備運行時會將部分機械能轉(zhuǎn)化為熱能，這些都會導(dǎo)致LNG 發(fā)生氣化，產(chǎn)生蒸發(fā)氣（BOG）。若不對其進行處理，可能會造成接收站超壓，從而引發(fā)事故；若對其直接放空至火炬燃燒，不僅浪費了能源，同時又污染了環(huán)境［3］。因此，BOG 回收工藝成為LNG 接收站的重要組成部分［4］。

2 BOG回收工藝

目前，BOG 回收處理方法主要有2大類，即再液化、加壓外輸［5］，二者各有特點，當(dāng)具備管線外輸條件時，采用加壓外輸工藝對BOG 進行處理；當(dāng)無法直接外輸時，則需要通過再液化方法將其液化為LNG 保存。其中，再液化方法根據(jù)再冷凝器的冷源和冷源利用方式的不同，可分為3 類：①依靠外部介質(zhì)（如液氮）進行制冷；②依靠儲罐內(nèi)的LNG 進行制冷；③依靠蓄冷容器存儲LNG 冷能進行制冷［6］。

由于不同規(guī)模的LNG 接收站導(dǎo)致BOG 蒸發(fā)量不同，致使各LNG 接收站的BOG 回收工藝也不相同，本文主要針對直接壓縮工藝、再冷凝液化工藝、直接壓縮+再冷凝工藝、氮膨脹制冷液化工藝、混合冷劑制冷液化工藝、液氮（或丙烷）制冷液化工藝、蓄冷式再液化工藝7種BOG回收技術(shù)，對BOG 回收技術(shù)的適用條件、工藝流程及優(yōu)缺點進行評述，并提出有針對性的優(yōu)化建議。

2.1 直接壓縮工藝

直接壓縮工藝是指將LNG 儲罐內(nèi)的BOG 氣體直接送入BOG 壓縮機加壓至管網(wǎng)外輸壓力，同加壓、氣化后的LNG 一并進入外輸管網(wǎng)送至下游用戶［7］。BOG直接壓縮工藝的關(guān)鍵設(shè)備有LNG儲罐、BOG 壓縮機、高壓泵、氣化器等，其工藝流程如圖1所示。

圖1 直接壓縮工藝流程

該工藝適用于儲罐BOG 生成量較小且外輸需求較大的情況，此時BOG 直接壓縮外輸可以保證儲罐的壓力穩(wěn)定，不需要部分放空或再冷凝等輔助工藝來穩(wěn)定儲罐的壓力。該工藝的優(yōu)點在于操作簡單、設(shè)備數(shù)量少、投資費用低、可靠性高、易維護等，但存在使用能耗大、運行費用高等缺點［8］。由于圖1 中的BOG 壓縮機出口壓力為管網(wǎng)壓力，管網(wǎng)壓力越高，相應(yīng)流程的總能耗越高，當(dāng)壓縮機出口達到一定壓力時，需要依賴國外的BOG 壓縮機設(shè)備及技術(shù)。另外，對BOG 氣體進行高壓壓縮具有一定的安全隱患［9］。因此，直接壓縮工藝僅適用于2～3 MPa 的外輸管網(wǎng)壓力、較短輸氣距離的氣源型接收站，或者當(dāng)某LNG 接收站無法為再冷凝器提供持續(xù)的冷源等不具備再液化條件、外輸管網(wǎng)壓力較低的情況。

直接壓縮工藝中的能耗主要來源于BOG 壓縮機和LNG 高壓泵。為了降低二者的功耗，薛倩等［7］對直接壓縮工藝進行了優(yōu)化，增加了兩個膨脹機，利用氣化后的LNG 對膨脹機做功，實現(xiàn)BOG 的壓縮和LNG 高壓泵的加壓，極大地降低了流程的功耗，減少了BOG 處理的費用。改進的BOG直接壓縮工藝流程如圖2所示。

圖2 直接壓縮工藝優(yōu)化流程

2.2 再冷凝液化工藝

再冷凝液化工藝主要是利用LNG 冷量對BOG進行再冷凝，即BOG經(jīng)低溫BOG壓縮機增壓后，與一股LNG 在再冷凝器內(nèi)直接接觸混合，然后經(jīng)高壓泵加壓、進入氣化器氣化輸送至外輸管網(wǎng)［10-11］。BOG 再冷凝液化工藝的關(guān)鍵設(shè)備是再冷凝器，該設(shè)備不僅可用來冷凝BOG，還可以用來充當(dāng)LNG 高壓泵的入口緩沖罐，使得LNG 高壓泵的液位高度滿足氣蝕余量（NPSH）的要求［12］。BOG再冷凝液化工藝流程如圖3所示。

圖3 BOG再冷凝液化工藝流程

與BOG 直接壓縮工藝相比，再液化工藝的優(yōu)點是可以充分利用LNG 的冷能，在LNG 接收站正常外輸工況下，BOG 能全部回收，經(jīng)濟性能高、節(jié)能效果好；缺點是工藝流程相對比較復(fù)雜，需要購置再冷凝設(shè)備，且設(shè)備需要連續(xù)運行，若再冷凝工藝停運，BOG 大量放空，會導(dǎo)致極大的經(jīng)濟損失。此外，兩種工況下BOG 將無法通過再冷凝工藝回收［5］：①LNG 接收站在預(yù)冷期間產(chǎn)生的全部BOG氣體；②LNG 接收站在零外輸期間或小流量外輸期間產(chǎn)生的BOG氣體。

再冷凝工藝需要為再冷凝器提供持續(xù)的冷源，因此適用于大型氣源型接收站。BOG 再液化工藝中的能耗主要來源于BOG 再冷凝器和壓縮機。在滿足LNG 能夠完全將BOG 冷凝的前提下，應(yīng)當(dāng)盡可能降低壓縮機出口壓力，以及降低用于冷凝BOG 的LNG 用量［13-14］。曹玉春等［14］通過分析再冷凝工藝耗能的影響因素，得出隨著進入再冷凝器BOG 溫度的降低，物料比（再冷凝器中將BOG 氣體全部冷凝所需最少LNG 與BOG 的質(zhì)量比）降低。由此可見，為了降低用于冷凝BOG 的LNG 用量，可以通過降低進入再冷凝器的BOG 溫度來降低工藝的總能耗?；诖耍螓惥龋?3］提出，在BOG 壓縮機前增設(shè)一臺BOG 預(yù)冷器來降低進入再冷凝器的BOG 溫度，該工藝不僅可以有效降低系統(tǒng)的總功耗，還可以節(jié)省再冷凝器中冷凝BOG 的LNG 的量，使得接收站在LNG 外輸量較少時也能完全液化BOG，避免能源浪費［15］。改進的BOG再液化工藝流程如圖4所示。

圖4 BOG預(yù)冷的再冷凝液化工藝流程

2.3 直接壓縮+再冷凝工藝

直接壓縮+再冷凝工藝綜合了直接壓縮回收和再液化回收兩種工藝，LNG 接收站產(chǎn)生的BOG一部分進入再冷凝器，另一部分直接進入BOG 高壓壓縮機，最終進入外輸管網(wǎng)［16］。BOG 直接壓縮+再冷凝工藝的關(guān)鍵設(shè)備是BOG 壓縮機、LNG高壓泵和再冷凝器，其工藝流程如圖5所示。

圖5 直接壓縮+再冷凝工藝流程

與單一的回收技術(shù)相比，直接壓縮+再冷凝工藝的優(yōu)點是不僅工藝簡單、節(jié)能環(huán)保、運行靈活，還可以充分利用LNG 冷能，實現(xiàn)BOG 的零排放；缺點是增加了BOG 高壓壓縮機及再冷凝器，使得一次性投資增大［12］。該工藝同時克服了直接壓縮工藝和再冷凝工藝的不足，在正常外輸期間，利用再冷凝工藝可回收全部BOG；在預(yù)冷期間或其他無外輸期間，利用高壓壓縮工藝可回收全部BOG，避免了能源浪費［17］。該工藝不僅解決了直接壓縮工藝的能耗浪費問題，同時還克服了特定狀況下再冷凝液化工藝無法回收的難題。

2.4 氮膨脹制冷液化工藝

氮膨脹制冷［18］由兩部分構(gòu)成：①BOG 經(jīng)空溫式氣化器升溫、壓縮機增壓后，進入換熱冷箱與氮膨脹循環(huán)所產(chǎn)生的低溫氮氣進行換熱，最終液化為LNG。液化后的LNG 再次回到LNG 儲罐或者氣化、增壓外輸至管網(wǎng)。②低壓氮氣經(jīng)壓縮冷卻之后進入液化冷箱中進行預(yù)冷，然后經(jīng)膨脹機等熵膨脹變?yōu)榈蜏氐蛪旱牡獨猓?9］。氮膨脹制冷液化工藝流程如圖6所示。

圖6 氮膨脹制冷液化工藝流程

氮膨脹制冷方案工藝具有流程簡單、調(diào)節(jié)靈活、運行穩(wěn)定、操作和維護方便、安全可靠等優(yōu)點，并且能夠滿足站內(nèi)BOG 氣量波動要求，適用于中轉(zhuǎn)站站內(nèi)BOG 的液化處理［19］。但是，該工藝能耗比較高，學(xué)者們在該工藝的基礎(chǔ)上又開發(fā)出氮氣-甲烷膨脹制冷工藝、氣波制冷機-透平膨脹機聯(lián)合制冷工藝等液化技術(shù)［20］。與氮膨脹制冷液化工藝相比，氮氣-甲烷膨脹制冷工藝則因加入了制冷劑甲烷從而節(jié)省了10%～20%的動力消耗，但該技術(shù)尚未用于商業(yè)化生產(chǎn)［21］。對于BOG 產(chǎn)量很大的LNG 接收站，氮膨脹制冷液化工藝優(yōu)勢明顯、發(fā)展?jié)摿艽蟆?/p>

2.5 混合冷劑制冷液化工藝

混合冷劑循環(huán)包括兩部分：BOG 回收和混合制冷劑循環(huán)，如圖7所示。在BOG回收回路中，低溫的BOG 經(jīng)壓縮機增壓、液化冷箱液化，最終經(jīng)過節(jié)流閥降壓為LNG；在混合制冷劑回路中，混合制冷劑經(jīng)制冷劑壓縮機增壓、冷凝器和液化冷箱冷卻，最終經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降溫，從而為BOG 提供冷量［22］。

圖7 混合冷劑制冷液化工藝流程

混合冷劑制冷循環(huán)在階式制冷液化循環(huán)的基礎(chǔ)上，將N2和C1～C5烴類混合物作為一種循環(huán)制冷劑，代替了階式制冷液化循環(huán)中的單組分的多種制冷劑，在很大程度上簡化了流程，提高了操作的可靠性、靈活性，并且提升了能量利用率，降低了工藝的運行能耗［19，23］。該工藝由于采用了混合溶劑制冷，制冷溫度范圍包含了BOG 液化所需的全部溫度范圍，可以使BOG 得到不同溫度級的冷量。

混合冷劑制冷工藝具有工藝成熟、流程簡單、設(shè)備少、管理方便、混合制冷劑組分可以部分或全部從原料氣本身提取與補充等優(yōu)點，但缺點也很明顯，混合制冷劑組分復(fù)雜、配比要求高，并且混合制冷劑在運行過程中有一定的損耗，需要耗費時間和精力來補充［24-26］。因為混合冷劑制冷工藝要求BOG 氣量穩(wěn)定，所以該工藝較適宜于大型LNG生產(chǎn)基地或LNG接收站［27］。

2.6 液氮（或丙烷）制冷液化工藝

液氮（或丙烷）制冷液化工藝主要利用液氮的冷能對BOG 重新液化。LNG 儲罐中的低溫BOG和液氮儲罐中的液氮（LN2）在換熱器中換熱，將液化后的LNG 經(jīng)回流管路至LNG 儲罐，冷N2直接排空，多余的LN2返回LN2儲罐［28］。由于LN2在運行過程中一直存在損耗，需要耗費時間和精力來補充，因此該方法在交通不便的地區(qū)會受到限制［29］。采用液氮作為冷源回收再液化BOG 的工藝流程如圖8所示。

圖8 液氮制冷液化工藝流程

利用液氮回收BOG 具有流程簡單、設(shè)備少、建設(shè)成本低、維護維修成本低、液氮成本低、易于實現(xiàn)、可行性高等優(yōu)點［30］，但由于液氮儲罐的體積較大，對場地有一定的要求，可以通過將液氮儲罐和換熱器做成集成的液化撬塊，從而實現(xiàn)在不同地點進行回收［30-31］。

2.7 蓄冷式再液化工藝

蓄冷式再液化流程是將冷量用裝有蓄冷劑的蓄冷式熱交換器加以儲存，當(dāng)LNG 冷量不足、BOG 不能穩(wěn)定地被液化時，則進入蓄冷式熱交換器進行再液化。蓄冷式再液化流程主要分為3 步：①LNG 外輸時，多余的冷量儲存在蓄冷式熱交換器中；②增壓后的BOG 與LNG 混合后，送入蓄冷式熱交換器，實現(xiàn)BOG 的再液化；③低溫LNG 氣化、增壓后外輸［31］。蓄冷式再液化工藝流程如圖9所示。

圖9 蓄冷式再液化工藝流程

蓄冷式再液化工藝可以有效解決由于LNG夜間外輸量小導(dǎo)致所提供的冷量不足以將BOG再液化的問題。在白天用氣量較多時，LNG 有足夠的冷量將BOG 完全液化，并且將剩余的冷量儲存在蓄冷器中；在晚上用氣量較少時，LNG 冷量不足以完全液化BOG，通過蓄冷式熱交換器冷卻BOG，從而實現(xiàn)BOG 的穩(wěn)定再液化［32］。該工藝雖然具有較大的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿?，但存在投資高、操作困難等缺點。

3 結(jié)論

隨著國內(nèi)LNG 接收站的不斷建設(shè)與發(fā)展，BOG 回收技術(shù)也逐漸發(fā)展成熟，主要集中在工藝耗能較低、對BOG 生成量適應(yīng)性較強的直接壓縮與再液化相結(jié)合的回收工藝上，但該工藝的適用范圍具有一定的局限性。所以，在保證安全、環(huán)保的前提下，未來BOG 回收工藝的發(fā)展需綜合考慮BOG 產(chǎn)生量、LNG 外輸量、工藝流程復(fù)雜性、投資回收期以及設(shè)備占地面積等因素，將液化工藝與直接壓縮、返補真空等BOG 處理方式的優(yōu)點相結(jié)合，共同作用。

與其他BOG 回收工藝相比，再冷凝液化工藝具有較大的優(yōu)勢，不僅可以實現(xiàn)BOG 的零排放，還能比直接壓縮工藝節(jié)約30%～60%的成本。因此，建議LNG 接收站盡可能采用再冷凝液化工藝對BOG進行回收。