高盼 [1]， 余道丞[2]
中国石化青岛液化天然气有限责任公司[1]， 山东青岛 266400
山东实华天然气有限公司[2]， 山东青岛 266001
摘要：近年来我国对天然气的研究正不断深化，福建、广东、上海、大连等液化天然气（liquefiednaturalgas，LNG）接收站项目已运营，目前回收蒸发气（boiloffgas，BOG）所采用的压缩及再冷凝两种主要方案存在耗能高、系统不稳定、外输负荷波动时工艺操作困难等缺点。本文从对现行两种处理工艺的能耗方面进行类比分析，提出新的LNG回收利用新工艺，并进行了相应的理论计算和分析。
关键词：液化天然气接收站；蒸发气回收；优化技术；分析
1处理工艺分类
1.1BOG直接压缩工艺
工艺流程如图1所示。BOG压缩机直接将LNG加气站内所有产生的BOG加压至外输管网压力，进入外输管网供用户使用。
.png)
图1BOG直接压缩工艺
A—LNG船；B—气相回流装卸臂；C—卸料臂；D—火炬；E—储罐；F—潜液泵；G—缓冲分离罐；H—低压压缩机；L—高压泵；M—汽化器
1.2BOG再冷凝工艺
主要工作流程如图2所示。BOG再冷凝工艺的主要原理是利用自身高压LNG的冷量冷凝BOG，即LNG经泵增压后，具有一定过冷的LNG与BOG接触换热，将BOG冷凝为LNG。
.png)
图2再冷凝工艺流程图
A—LNG船；B—气相回流装卸臂；C—卸料臂；D—火炬；E—储罐；F—潜液泵；G—缓冲分离罐；H—低压压缩机；K—再冷凝器；L—高压泵；M—汽化器
1.3两种工艺能耗比较
在直接压缩过程中，压缩机要求将BOG气体压缩至管网要求的压力，不需要进一步的冷凝设备，压缩机只需将BOG气体压力压缩到与其混合的LNG液体的值，其余工作由LNG高压泵完成。从泵或压缩机输送Bernoulli方程流体时获得的压力头，单位质量，可用公式（1）表示。
式中，H为泵或压缩机的扬程，m；p1、p2分别为单位质量流体始终状态的压力，Pa；ρ为流体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；g?1(dp/ρ)为单位质量流体获得的静压能，m；u1、u2分别为单位质量流体始终状态的流速，m/s；(u22?u12)/2g为单位质量流体获得的动能，m；Z1、Z2分别为单位质量流体始终状态的位置势能，m；(Z2?Z1)为单位重量流体获得的位能，m；hf1-2为单位质量流体的流动阻力损失，m。
势能和流阻损失与静动能相比可以忽略不计。气体的流动速度比液体快，即气体的动能大于液体，因此单位质量的气体需要压缩机提供更多的动能。因为同一物质气体的密度远小于液体的密度，所以在进出口压力相同的情况下，来自压缩机的单位质量气体的静压能远大于来自泵的单位质量液体的静压能。因此，在相同的运行条件下，泵的压缩液体比压缩机的压缩气体能耗小得多，因此，再冷凝过程的能耗较低。
2 LNG接收站BOG回收优化方案
2.1直接压缩工艺能耗分析
以流量为1000kg/h的天然气以气液两态分别用泵和压缩机运送，进出口温度相同，两者输送机功率见表1。
表1压缩机和泵功率对比表
.png)
（1） 序列号1～10的实验数据对比表明，在相同的进出口压力下，压缩机的功耗总是远远高于泵的功耗。（2） 在相同的进出口压差（序号1～6）下，压缩机和泵的功率与流体入口压力的关系为p1。当进出口压差一定时，泵功率与进口压力无关，保持不变，而压缩机功率随进口压力p1的增大而减小。这是因为液体密度基本上与压力无关，而气体密度随着入口压力的增加而增加（入口温度相同），气体单位重量的静压能减小，压缩机功率也减小。进气压力越小，泵与压缩机的功率差越大，泵的节能效果越显著。（3） 序列号7~10对应的压缩机功率和泵功率影响流体进出口压差p2-p1，当流体进出口压差p2-p1不变，进出口压差p2-p1不断增大时，压缩机和泵的功率随着进出口压差的增大而增大，但压缩机的功耗远高于泵的功耗。
2.2再冷凝工艺耗能影响因素
BOG冷凝系统主要设备为BOG再冷凝器和压缩机，主要工艺参数为全冷凝BOG LNG消耗量和BOG压缩机进出口压力。优化了BOG再冷凝器的工艺，并利用Aspen plus模拟BOG压缩机出口压力、BOG温度和材料比（再冷凝器BOG气体总冷凝的LNG与BOG的最小质量比），提出了利用高压LNG对加压BOG进行预冷，降低物料比，降低BOG压缩机能耗的高压工艺。
2.2.1压缩机出口压力对再气化过程的影响
将BOG操作压力从0.13 MPA压缩到0.25ー0.75MPa。本研究LNG产量218000kg/h，BOG为8400kg/h，模拟了BOG运行压力从初始压力0.13MPa到0.25ー0.75MPa的全过程。当压缩机出口压力持续增大时，凝定量BOG所需LNG量将持续减少，即材料比进一步降低，因为压缩机出口压力越高，冷凝温度越高，定量BOG需要的LNG越少，一、 E.材料比越小。在功耗方面，除了高压泵的功耗与压力负相关外，泵的功耗和油箱内的压缩功率与压缩机出口压力呈正相关，说明总功耗的增加是由于压缩机出口压力的增加而引起的压缩机功耗。因此，在降低材料比的同时，总能耗不断增加存在矛盾，在LNG完全凝结BOG的条件下，应尽量降低压缩机出口压力，降低压缩机功耗。
2.2.2温度对材料配比的影响。
BOG气体经过压缩机后，温度由很低变为很高，然后迅速下降。这表明液化天然气在冷凝器中承担两项任务。一是将从压缩机进入的BOG气体液化，二是为压缩后的BOG冷却过程提供冷却能力，这大大增加了LNG的流入量，即物料比。如果在BOG进入冷凝器之前对其进行预冷，则用于冷却BOG的LNG量将减少，材料比也将降低。利用ASPEN软件模拟了压缩机进、出口压力分别为0.13mpa和0.65mpa时，物料消耗率与BOG温度的关系。物料比随着BOG进入冷凝器的温度降低而降低，这减少了冷却BOG气体所需的LNG量。这降低了进入再冷凝器前的BOG温度，并通过降低压缩机的出口压力来降低压缩机的能耗，同时保持物料比不变。
2.3综合回收BOG工艺
当系统中没有连续冷能供应时，BOG气体由压缩机处理。BOG气体通过a-b-c-n工艺通过低压压缩机和高压压缩机压缩至管网压力，直接输出。当系统有连续冷能供应时，BOG气体通过a-b-d-k-（I/J）-l-m工艺再冷凝，汽化输送，低压压缩机压缩缓冲分离罐中的BOG气体，在预冷器中进行换热冷却，罐中的lNG在再冷凝器中混合，BOG气体液化后由高压泵L送入预冷器和蒸发器进行汽化。
2.4综合回收与节能分析
系统优先采用再冷凝路线，当系统没有连续冷却时，也可采用高压压缩机将储罐和管网中的BOG气体压缩至外部管网的压力后输送出去，回收因压力过高而排出的BOG气体。当BOG从压缩机输送到再冷凝器时，BOG的温度越低，物料比越小。也就是说，进入再冷凝器的BOG气体温度越低，液化一定量的BOG气体所需的LNG就越少，再液化工艺的使用范围就越广，节能效果就越大。预冷器J还可以解决接收站LNG产量波动引起的物料配比与BOG出口压力之间的矛盾，弥补压缩机出口压力下降造成的损失，从而，在保持物料配比不变的情况下，降低压缩机出口压力，可以降低压缩机的能耗。当系统处于再冷凝状态时，在进入再冷凝器之前，通过预冷器将其预冷至120℃。随着进入BOG的温度降低，每质量冷凝BOG所需的LNG量减少，即材料比降低。此时，要保持相同的物料配比，就可以降低压缩机出口压力，即压缩机功耗。
3结论
本研究分析了现有BOG回收的两种主要工艺，对原有工艺进行了改进，得出以下结论。（1） 冷凝法比直接压缩法更节能。（2） 增加一台高压压缩机，当LNG产量不足以供给BOG冷凝时，可将高压压缩机直接压缩至外部管网压力，再直接输送至外部管网，从而减少了因储罐和管网压力过大而无法排放造成的浪费。（3） 增加预冷器，降低进入再冷凝器的BOG温度，降低物料配比，降低LNG消耗，从而降低再冷凝器系统所需的最小LNG流量。增加再冷凝系统的可用范围。同时，解决了接收站LNG产量波动引起的料比与BOG出口压力之间的矛盾，弥补了低压压缩机出口压力降低引起的料比增加带来的损失，降低了能耗在保持物料配比不变的情况下，通过降低压缩机出口压力可以降低压缩机的压力。经计算可节约能源37.4%。
参考文献：
[1]龙晓雨,邵东方,艾大欣.液化天然气低温管道支架的设计分析[J].化工管理,2016(32):224.
[2]孟凡成.浅谈低温甲醇洗管道配置的优化设计[J].化工设计通讯,2016,42(10):7+12.