低外輸量工況下LNG接收站BOG再冷凝工藝的探討

任 東

（廣東惠州液化天然氣有限公司，廣東 惠州 516000）

LNG接收站對BOG的處理方式，主要采用再冷凝工藝和直接壓縮外輸工藝[1]，兩者都能夠有效地處理過量的BOG，維持儲罐壓力的穩(wěn)定，但再冷凝工藝的適用性更廣，因此廣泛應(yīng)用于各LNG接收站。但是對于調(diào)峰型LNG接收站，在低外輸量的工況下，外輸所需的LNG大部分來自于再冷凝器的上部，進(jìn)入再冷凝器底部的LNG量較少，如果不采取正確的措施加以控制，會導(dǎo)致再冷凝器的出口溫度過高，引起高壓泵汽蝕，不利于生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 LNG接收站BOG的再冷凝工藝流程

BOG氣體經(jīng)BOG入口的分液罐進(jìn)行氣液分離后，進(jìn)入BOG壓縮機(jī)，經(jīng)過兩級壓縮后進(jìn)入再冷凝器上部。儲罐中的LNG經(jīng)低壓泵加壓后分成兩路，一路去再冷凝器上部，由調(diào)節(jié)閥FV-03001調(diào)節(jié)LNG量，用于冷凝經(jīng)BOG壓縮機(jī)加壓后的BOG；另一路經(jīng)過再冷凝器下部，與冷凝液混合后供給高壓泵，通過氣化器入口的流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)外輸量，氣化后輸送至計量站，然后進(jìn)入高壓管網(wǎng)。

2 BOG再冷凝工藝的控制關(guān)鍵

再冷凝工藝的核心設(shè)備是再冷凝器，其上部用于BOG冷凝，下部則為高壓泵提供緩沖。再冷凝工藝操作穩(wěn)定的關(guān)鍵，是要保證再冷凝器液位和壓力的穩(wěn)定，同時要滿足高壓泵入口溫度的要求，避免高壓泵發(fā)生汽蝕。因此，再冷凝工藝控制的關(guān)鍵參數(shù)有再冷凝器液位、高壓泵吸入口飽和蒸汽壓差、冷凝BOG所需的LNG與BOG的質(zhì)量比等。

圖1 再冷凝器工藝流程圖

2.1 再冷凝器的液位

再冷凝器液位主要由其頂部壓力、底部壓力及LNG的密度決定。當(dāng)頂部與底部的壓力差增大，進(jìn)入再冷凝器的LNG密度減小時，液位升高，反之則降低，計算公式如下[2]：

式中，L為再冷凝器液位，m；P2為再冷凝器底部壓力，MPa；P1為再冷凝器頂部壓力，MPa；ρ為LNG的密度，kg·m-3；g為重力常數(shù)，N·kg-1。

由上式可以看出，當(dāng)(P2-P1) 增大時，再冷凝器的液位L上升，反之則下降；當(dāng)LNG的密度增大時，再冷凝器的液位下降，反之則上升。

2.2 再冷凝器的壓力

再冷凝器的底部壓力，等于其頂部的氣相空間壓力加上再冷凝器內(nèi)液相的靜壓，其底部壓力也是高壓泵的入口壓力，所以要使高壓泵不發(fā)生汽蝕，就必須保證再冷凝器的底部壓力與進(jìn)入高壓泵的飽和蒸汽的壓差達(dá)到高壓泵的最小標(biāo)準(zhǔn)。飽和蒸汽的壓差過低時，高壓泵會出現(xiàn)振動過大、汽蝕等問題，影響外輸運(yùn)行，因此，再冷凝器的頂部、底部壓力是保持接收站穩(wěn)定運(yùn)行的重要參數(shù)。

再冷凝器頂部壓力P1主要通過控制上部冷凝的LNG量實(shí)現(xiàn)。當(dāng)進(jìn)入再冷凝器的BOG量發(fā)生變化時，可適當(dāng)調(diào)節(jié)上部FV閥的開度，控制再冷凝器的壓力維持在0.68～0.72MPa之間?？刂圃倮淠鞯某隹趬毫2，就是調(diào)節(jié)高壓泵吸入口的飽和蒸汽壓差，目的是防止高壓泵出現(xiàn)汽蝕而導(dǎo)致?lián)p傷。

飽和蒸汽壓差的計算公式如下：

式中，T為高壓泵入口LNG的溫度，℃；PT為溫度為T時的飽和蒸汽壓，MPa；P2為再冷凝器底部壓力，MPa；PDI為高壓泵入口的飽和蒸汽壓差，MPa。

由上述公式可以看出，PDI受高壓泵入口LNG的溫度和再冷凝器底部壓力的影響。高壓泵入口LNG的溫度，由再冷凝器出口的LNG溫度和流量，以及再冷凝器下部LNG的溫度和流量決定，因此PDI主要受到再冷凝器的底部壓力、再冷凝器出口的LNG溫度和流量，以及再冷凝器下部的LNG溫度和流量的影響。

2.3 冷凝BOG所需的LNG與BOG的質(zhì)量比

在BOG再冷凝工藝中，控制好冷凝BOG所需的LNG與BOG的質(zhì)量比，是再冷凝器保持平穩(wěn)運(yùn)行的前提，主要由進(jìn)入再冷凝器的BOG流量、壓力和溫度等工藝參數(shù)決定。

進(jìn)入再冷凝器的BOG流量由BOG壓縮機(jī)的負(fù)荷決定。隨著BOG壓縮機(jī)的負(fù)荷提高，進(jìn)入再冷凝器的BOG流量增大，進(jìn)入再冷凝器的過冷LNG的流量也要增大，反之則減小。

進(jìn)入再冷凝器的BOG壓力即為BOG壓縮機(jī)的出口壓力。隨著壓縮機(jī)的出口壓力增大，BOG的冷凝溫度升高，再冷凝所需的冷量增大，冷凝進(jìn)入再冷凝器BOG所需的LNG的物料比也逐漸增大。

3 外輸量較小時再冷凝工藝的控制難點(diǎn)

外輸量較小時，由于所需氣化的LNG量較小，再冷凝器出口的LNG溫度相對較高，基本接近飽和態(tài)，這些溫度較高的LNG有一部分通過高壓段保冷返回LNG儲罐，在儲罐內(nèi)重新閃蒸，釋放BOG。此種工況下，接收站產(chǎn)生的BOG量比正常外輸時要多，同時形成了BOG循環(huán)冷凝，降低了BOG的冷凝效率，使得儲罐的壓力比正常外輸時上升更快。有研究表明，某LNG接收站以最小外輸量進(jìn)行外輸時，BOG壓縮機(jī)的負(fù)荷至少要達(dá)到100%，才可保證儲罐壓力平衡。BOG壓縮機(jī)在100%負(fù)荷運(yùn)行時，所需冷凝的LNG量較大，會導(dǎo)致再冷凝器底部進(jìn)入的LNG量減小，最終使得與冷凝液混合后的LNG溫度過高，造成飽和蒸汽壓升高。溫度升高后，LNG會由過冷液體轉(zhuǎn)化為氣體，下游管線形成氣液兩相流后，可能導(dǎo)致高壓泵的振動較大，嚴(yán)重時造成汽蝕，損壞高壓泵。

3.1 高壓泵入口溫度的控制

以某LNG接收站為例，其高壓泵的入口壓力一般控制在0.73MPa。從不同組分LNG的P-T圖可知，當(dāng)壓力為0.73MPa時，貧液LNG的臨界溫度最低，為-131℃，為了保證安全，最好還留有5℃左右的操作余量，即當(dāng)高壓泵入口壓力為0.73MPa時，為了保證高壓泵不發(fā)生汽蝕，其入口溫度最好維持在-136℃以下。

低壓泵輸出的LNG，在進(jìn)入再冷凝器前的溫度一般為-158℃，進(jìn)入再冷凝器內(nèi)與BOG換熱后的冷凝液溫度，一般最低為-130℃。實(shí)際操作中，在外輸量較小的工況時，為了維持儲罐的壓力，BOG壓縮機(jī)基本保持100%負(fù)荷運(yùn)行，此時外輸所需氣化的LNG大部分都由再冷凝器上部而來，通過再冷凝器底部的LNG量很少，導(dǎo)致高壓泵的入口溫度一般都高于-136℃，極可能造成高壓泵汽蝕。

3.2 影響B(tài)OG再冷凝的LNG量

以某LNG接收站為例，非卸船期間，為維持儲罐壓力穩(wěn)定，BOG壓縮機(jī)一般以100%的負(fù)荷運(yùn)行，此時-140℃左右的BOG進(jìn)入壓縮機(jī)增壓后，溫度升至10℃左右，經(jīng)再冷凝后溫度降至-130℃左右。BOG再冷凝時，LNG不僅要為BOG從氣態(tài)到液態(tài)的相變提供冷量，還要為其降溫過程提供冷量。表1為實(shí)際運(yùn)行時BOG再冷凝工藝的數(shù)據(jù)，此時BOG量為9t·h-1。從表1可以看出，當(dāng)BOG壓力一定時，進(jìn)入再冷凝器的BOG溫度越低，冷凝所需的BOG量越少；當(dāng)BOG溫度一定時，BOG的壓力越高，其臨界溫度越高，越易液化，將BOG再冷凝所需的冷量就越少。當(dāng)BOG的壓力和溫度都不變時，接收站產(chǎn)生的BOG量越少，冷凝BOG所需的LNG量就越少，因此影響B(tài)OG再冷凝用LNG量的主要因素，是需要處理的BOG量和溫度。

表1 BOG的壓力、溫度對冷凝所需LNG量的影響

3.3 工況的調(diào)整

BOG壓縮機(jī)的負(fù)荷不同，其處理量相差較大，負(fù)荷調(diào)節(jié)后會導(dǎo)致進(jìn)入再冷凝器的BOG量大幅變化，對再冷凝器的壓力影響較大。另外，再冷凝器上的進(jìn)液控制閥FV閥具有一定的調(diào)節(jié)滯后性，調(diào)整壓縮機(jī)負(fù)荷后，可能導(dǎo)致多余的BOG無法及時冷凝，使得再冷凝器的壓力過高，如不及時控制，可能會導(dǎo)致壓縮機(jī)的出口壓力高高而聯(lián)鎖跳車，也可能因BOG過度冷凝而使得再冷凝器的壓力降低，高壓補(bǔ)氣閥打開，嚴(yán)重時會導(dǎo)致高壓泵的入口壓力低低聯(lián)鎖跳車。

槽車站的多輛車同時裝車，交叉加速、減速，均會導(dǎo)致低壓輸出總管的壓力波動較大，影響再冷凝器底部的壓力以及進(jìn)入再冷凝器的LNG量，導(dǎo)致再冷凝器的液位和壓力不穩(wěn)定。

4 改進(jìn)措施

4.1 提高再冷凝器的操作壓力

某LNG接收站再冷凝器的操作壓力為0.68～0.72MPa。最小外輸工況時，在確保壓縮機(jī)運(yùn)行正常的前提下，應(yīng)盡量控制再冷凝器的壓力在0.7MPa左右，此時可通過控制再冷凝器調(diào)節(jié)閥FV-03001，控制冷凝的LNG量，進(jìn)而調(diào)節(jié)再冷凝器的壓力。

4.2 調(diào)整再冷凝器的氣液比

某LNG接收站再冷凝器氣液比的正常范圍在8～10之間。最小外輸工況時，可根據(jù)壓縮機(jī)處理的BOG量，調(diào)整對應(yīng)的LNG量。如果運(yùn)行期間壓縮機(jī)的負(fù)荷發(fā)生變化，應(yīng)及時手動調(diào)節(jié)冷凝LNG的控制閥FV-03001，以盡量減少調(diào)節(jié)閥的滯后影響，確保再冷凝器的壓力、液位穩(wěn)定。

4.3 合理調(diào)節(jié)裝車量

槽車裝車加速或降速時，會導(dǎo)致低壓輸出總管的波動較大，影響再冷凝器底部的壓力及進(jìn)入再冷凝器的LNG量，尤其在最小外輸工況時，槽車加速或降速，會導(dǎo)致再冷凝器的液位、壓力的波動較大。因此裝車過程中應(yīng)避免全部車輛同時加速或降速，可根據(jù)裝車撬數(shù)，對半加速降速，即一半的裝車加速時，另外一半裝車降速。

5 結(jié)論

低外輸工況下，再冷凝器的平穩(wěn)控制是LNG接收站安全平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。本文針對LNG接收站在低外輸工況下BOG再冷凝工藝的控制難點(diǎn)，在不改變現(xiàn)有工藝及設(shè)備的前提下，提出了相應(yīng)的解決措施，這些解決措施有利于確保再冷凝器的液位、壓力穩(wěn)定，同時可有效控制再冷凝器的出口溫度，避免高壓泵發(fā)生汽蝕。