液化天然氣接收站蒸發(fā)氣體再冷凝工藝控制系統(tǒng)優(yōu)化

李亞軍 陳行水

(華南理工大學(xué)強(qiáng)化傳熱與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510641)

1 引言

天然氣因清潔無污染以及能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)，已成為越來越重要的世界性能源。LNG利用方式是解決遠(yuǎn)海，荒漠地區(qū)氣田開發(fā)，回收邊遠(yuǎn)氣田天然氣的最有效辦法。由于LNG在常壓下儲存溫度約－160℃，不可避免的環(huán)境漏熱使得接收站的LNG儲槽、操作設(shè)備、管線內(nèi)產(chǎn)生大量BOG。BOG若處理不當(dāng)，將導(dǎo)致LNG儲槽超壓而發(fā)生危險，若外排燃燒將造成資源浪費(fèi)。目前在LNG接收站BOG的處理工藝大略可分為直接加壓至高壓輸氣管網(wǎng)和BOG再液化兩種［1］。由于氣體比液體階段加壓需要更多能量，依研究報(bào)告指出，BOG再液化系統(tǒng)比氣體直接加壓至輸氣管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)省30%—60%的成本費(fèi)用［2－3］，故世界上大部分氣源型LNG接收站普遍采用再冷凝器液化工藝回收BOG，即將壓縮后的BOG和LNG送入再冷凝器進(jìn)行直接換熱，利用LNG的冷能將BOG再液化回收［4］。

LNG接收站BOG壓縮機(jī)和再冷凝器是BOG再液化系統(tǒng)的主要設(shè)備，再冷凝器主要有兩個功能:(1)提供足夠的BOG與LNG接觸空間，利用LNG冷能將BOG再液化，節(jié)省加壓能耗;(2)作為LNG高壓輸送泵的吸入端緩沖容器。所以BOG再液化系統(tǒng)操作穩(wěn)定的關(guān)鍵是要控制再冷凝器的液位和壓力穩(wěn)定。本文針對目前存在部分BOG再液化工藝再冷凝器液位不穩(wěn)、系統(tǒng)功耗大及天然氣輸氣管網(wǎng)負(fù)荷波動過大時操作困難等方面問題，以已運(yùn)行的LNG接收站作為研究對像，在分析其現(xiàn)有BOG再液化工藝操作的基礎(chǔ)上，對其再液化運(yùn)行控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以降低BOG再液化過程的能耗，改善工藝操作彈性，提高能源利用率。

2 LNG接收站現(xiàn)有BOG再液化系統(tǒng)

2.1 LNG接收站概述

某一LNG接收站工藝流程如圖1所示，船上LNG經(jīng)由卸料臂卸載到接收站LNG儲槽(操作壓力約0.15 MPa)，儲槽液體日蒸發(fā)率約0.05%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))［5］。儲槽中的LNG經(jīng)低壓泵(揚(yáng)程304 m)加壓過冷后分成兩股，一股(S1)進(jìn)入再冷凝器頂部冷凝BOG，一股(S2)經(jīng)由再冷凝器旁路與再冷凝器冷凝液混合后進(jìn)入高壓泵(揚(yáng)程2 070 m)。儲槽及超低溫設(shè)備管線保冷循環(huán)與卸貨過程中所產(chǎn)生的BOG(S3)流經(jīng)BOG壓縮機(jī)緩沖槽后進(jìn)入BOG壓縮機(jī)(設(shè)計(jì)出口壓力1.14 MPa)增壓，加壓后的BOG與來自低壓泵的LNG于再冷凝器內(nèi)直接接觸混合，進(jìn)入再冷凝器的BOG全部被液化成冷凝液，冷凝液經(jīng)再冷凝器底部出口與再冷凝器旁路LNG混合后進(jìn)入高壓泵，LNG被加壓至9.9—10.4 MPa后進(jìn)入汽化器汽化，然后輸送至8.4 MPa的管網(wǎng)，天然氣組成如表1所示。

圖1 LNG接收站工藝流程Fig.1 LNG receiving and regasification system

表1 液化天然氣組成Table 1 Components of LNG mol%

2.2 現(xiàn)有BOG再冷凝器控制系統(tǒng)

BOG再冷凝器是BOG再液化系統(tǒng)的主要核心設(shè)備，如上述，再冷凝器的主要功能是用來液化BOG及作為高壓泵的緩沖槽。接收站優(yōu)化前再冷凝器的操作控制系統(tǒng)如圖2所示。

2.2.1 流量與壓力控制

BOG從再冷凝器的頂部與從接近再冷凝器頂部用來冷凝BOG的LNG同時進(jìn)入再冷凝器內(nèi)環(huán)狀空間進(jìn)行直接接觸冷凝液化，進(jìn)入再冷凝器的LNG流量則根據(jù)BOG流量和再冷凝器的出口壓力(高壓泵的吸入端壓力)調(diào)節(jié)控制，即進(jìn)入再冷凝器的LNG量經(jīng)由DCS中比率計(jì)算模塊FX－1公式計(jì)算得出:

圖2 優(yōu)化前再冷凝器控制系統(tǒng)Fig.2 Previous control system of BOG recondenser

其中:QLNG為液化BOG的LNG流量，m3/h;QBOG為BOG流量，m3/h;pHPs為高壓泵吸入端壓力，MPa;Cf為常數(shù)。該值再轉(zhuǎn)換為再冷凝器LNG流量控制器FIC－1的設(shè)定值。實(shí)際操作過程中進(jìn)入再冷凝器的BOG量以維持定量為原則，用于液化BOG的LNG流量則按一定比例與BOG混合，以控制再冷凝器的液位和保持高壓泵的吸入端壓力恒定為原則。在正常操控情況下，再冷凝器的操作壓力由再冷凝器出口管線(高壓泵吸入端)的壓力控制器PIC－1設(shè)定值決定，經(jīng)由控制再冷凝器底部壓力及再冷凝器旁通管在線具有在線穩(wěn)壓功能的壓力控制閥PCV－1及PCV－2來調(diào)節(jié)進(jìn)入高壓泵入口LNG流量，確保高壓泵的吸入端壓力恒定，以避免高壓泵的氣蝕現(xiàn)象發(fā)生。同時通過BOG壓縮機(jī)的容量控制、再冷凝器的LCV補(bǔ)氣閥與PCV－3排氣閥來輔助調(diào)整再冷凝器壓力及液位。

2.2.2 液位控制

再冷凝器的正常操作液位控制在60%。當(dāng)液位高度上升至90%時，液位控制器LIC－2將輸出信號開啟LCV補(bǔ)氣閥引入計(jì)量站高壓NG進(jìn)入再冷凝器壓低再冷凝器液位(如圖3)，以防止再冷凝器液位過高時超低溫LNG溢出流進(jìn)NG系統(tǒng)。如果再冷凝器液位仍繼續(xù)上升并超過設(shè)定的最高限液位，液位控制器LT－2將發(fā)出連鎖作動信號(HH－SD)關(guān)閉液化 BOG的LNG進(jìn)口主閥XV－1及停止BOG壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)再冷凝器液位降低時，液位控制器LIC－1將超馳(override)控制BOG壓縮機(jī)降低負(fù)載，以減少進(jìn)入再冷凝器的BOG流量。如果再冷凝器液位仍繼續(xù)下降并低于設(shè)定的最低限液位，液位控制器LT－2將發(fā)出連鎖作動信號(LL－SD)關(guān)閉XV－2補(bǔ)氣入口主閥及停止BOG壓縮機(jī)、高壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 現(xiàn)有BOG再液化控制系統(tǒng)存在的問題

圖3 再冷凝器液位過高操作模式(DCS圖)Fig.3 BOG recondenser high-level operation mode

由于下游用戶用氣量頻繁波動，不同時段和季節(jié)的變化量相當(dāng)大，在現(xiàn)有的操作模式下，天然氣外輸負(fù)荷的波動會引起再冷凝器液位不穩(wěn)。當(dāng)下游用戶用氣量減少時，高壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)臺數(shù)也隨之減少，在停泵瞬間造成高壓泵吸入端壓力上升，此時在控制邏輯上是PIC－1輸出控制信號將再冷凝器LNG旁路的壓力控制閥PCV－1及PCV－2及用來液化BOG的 LNG流量控制閥FCV開度關(guān)小以降低LNG流量。因DCS比率計(jì)算模塊中用來液化BOG的LNG流量與高壓泵吸入端壓力成反比，因此，當(dāng)高壓泵吸入端壓力上升時系統(tǒng)會關(guān)小FCV開度以降低進(jìn)入再冷凝器的LNG流量，但是從壓力上升信號產(chǎn)生至 PCV－1、PCV－2及FCV開度關(guān)小需要一定的反應(yīng)時間，就在這段滯后時間內(nèi)將造成高壓泵旁路管線多余的LNG逆流進(jìn)入再冷凝器，導(dǎo)致液位過高。

當(dāng)再冷凝器液位過高時，現(xiàn)有控制邏輯是以補(bǔ)入高壓NG的方法來壓低再冷凝器液位，該控制方法是一種十分耗能的操作，因補(bǔ)充的氣源是LNG經(jīng)高壓泵加壓及海水汽化后，再經(jīng)限流閥減壓的高壓天然氣，而補(bǔ)充的高壓NG又需消耗LNG再次液化。同時由于輸氣負(fù)荷波動，高壓泵停泵操作情形重復(fù)發(fā)生，實(shí)際操作上須經(jīng)?？垦a(bǔ)氣來壓低液位，這樣在重復(fù)循環(huán)中這種補(bǔ)氣因液化再汽化再液化，徒增高壓泵和海水泵的功耗，從而造成能源的浪費(fèi)。

雖然再冷凝器液位過高時，想通過引入壓力較高的NG進(jìn)入再冷凝器來達(dá)到壓低液位的目的，但由于再冷凝器在相同液化條件下，NG很明顯的要比BOG容易被液化。根據(jù)表1中LNG成分，補(bǔ)氣的NG甲烷成分約88%，而BOG的甲烷成分在99%以上，因此，即使由補(bǔ)氣閥補(bǔ)入大量較高壓NG，仍然無法達(dá)到以壓力壓低再冷凝器液位的目的，因?yàn)檠a(bǔ)入的NG勢必優(yōu)先被液化，而剩余的LNG才會將來自BOG壓縮機(jī)的BOG液化。由于補(bǔ)入的NG消耗了部分進(jìn)入再冷凝器的LNG，因而無法被液化的BOG使再冷凝器壓力上升，致BOG壓縮機(jī)出口旁通管線壓力調(diào)節(jié)閥打開釋出部分BOG回流至壓縮機(jī)入口，降低再冷凝器BOG供給量以維持再冷凝器壓力。在現(xiàn)有控制邏輯下，根據(jù)DCS中比率計(jì)算模塊(FX－1)公式，進(jìn)入再冷凝器的BOG與液化BOG的LNG量維持一定比例，因進(jìn)入再冷凝器的BOG減少了，液化BOG的LNG量也跟著減少，再冷凝器的液位就很緩慢地下降(依經(jīng)驗(yàn)約需半天至1天時間)。上述邏輯導(dǎo)致旁通管線釋放出的BOG再經(jīng)壓縮后又回流至壓縮機(jī)入口循環(huán)發(fā)生，除造成BOG壓縮機(jī)做虛功耗能外，甚至還會使LNG儲槽的壓力升高。

因此，如何維持再冷凝器液位在LNG外輸負(fù)荷波動大時仍能穩(wěn)定操作，以避免再冷凝器因經(jīng)常補(bǔ)氣所造成的能源浪費(fèi)，即是BOG再液化控制系統(tǒng)優(yōu)化的重點(diǎn)。

3 LNG接收站BOG再液化控制系統(tǒng)的優(yōu)化

根據(jù)上述現(xiàn)有BOG再液化控制系統(tǒng)的分析，造成再冷凝器高液位重復(fù)發(fā)生的主要原因是控制再冷凝器壓力的信號源取自高壓泵吸入端的壓力點(diǎn)所致，實(shí)際上再冷凝器的液位與壓力控制的信號源應(yīng)由再冷凝器本身的液位與壓力控制點(diǎn)控制較符合邏輯。本文提出了再液化控制系統(tǒng)的優(yōu)化策略，本方法基于不改變現(xiàn)有再冷凝器結(jié)構(gòu)和不增加設(shè)備的原則，僅對再冷凝器的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，即再冷凝器的液位與壓力控制信號源直接由再冷凝器本身的控制點(diǎn)控制。優(yōu)化后的再冷凝器操作控制邏輯如圖4(加粗的點(diǎn)劃線部分為改動的控制信號)。

圖4 優(yōu)化后再冷凝器控制系統(tǒng)Fig.4 Optimized control system of BOG recondenser

3.1 流量控制

因LNG儲槽造價高昂，一般LNG接收站對于LNG儲槽壓力管理均采取穩(wěn)壓操作，在保持LNG儲槽壓力穩(wěn)定的狀況下，BOG壓縮機(jī)采取自動(或手動)容量調(diào)整操作，而不是改變LNG儲槽壓力來維持BOG流量為定量。本文提出的優(yōu)化是在原BOG再液化控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，取消PIC－1對PCV－1及PCV－2的控制，取消LNG和BOG按一定比例混合的比率計(jì)算模塊公式(FX－1)及LIC－2的補(bǔ)氣控制。優(yōu)化后的BOG壓縮機(jī)出口流量與壓力不做任何控制，由優(yōu)化后的再冷凝器壓力控制器PIC－3設(shè)定值決定BOG壓縮機(jī)出口壓力，BOG壓縮機(jī)負(fù)載根據(jù)LNG儲槽穩(wěn)壓需要調(diào)整，即進(jìn)入再冷凝器的BOG量隨BOG壓縮機(jī)的負(fù)載而變，用來液化BOG的LNG量也隨BOG量的改變而變，從而實(shí)現(xiàn)主要控制邏輯由再冷凝器液位控制向壓力控制轉(zhuǎn)變。同時再冷凝器壓力的維持由用來液化BOG的LNG流量控制閥PCV－1(由現(xiàn)有再冷凝器控制系統(tǒng)的FCV閥修改，僅更改名稱，閥體不變)負(fù)責(zé)完成。

3.2 壓力控制

當(dāng)再冷凝器壓力過高時，壓力控制器PIC－3發(fā)出信號加大PCV－1開度，增加進(jìn)入再冷凝器的LNG流量以降低再冷凝器壓力。若壓力繼續(xù)上升時，壓力控制器PIC－2會發(fā)出信號打開PCV－3排氣閥釋壓，安全閥跳脫是再冷凝器壓力過高的最后一道安全防護(hù)措施。反之，當(dāng)再冷凝器壓力過低時，壓力控制器PIC－3發(fā)出信號關(guān)小PCV－1開度，減少進(jìn)入再冷凝器的LNG流量以提升再冷凝器壓力。當(dāng)壓力繼續(xù)下降，壓力控制器PIC－4會打開補(bǔ)氣閥PCV－2補(bǔ)氣，以增加再冷凝器的壓力。安全閥、PCV－3排氣閥及補(bǔ)氣閥PCV－2(由現(xiàn)有再冷凝器控制系統(tǒng)的的LCV修改，僅更改名稱，閥體不變)是再冷凝器壓力安全措施。

3.3 液位控制

高壓泵的吸入流量主要由再冷凝器供應(yīng)，不足部分由再冷凝器液位控制器LIC－1根據(jù)需求連鎖調(diào)整高壓泵LNG旁路的液位控制閥LCV－1和 LCV－2(由現(xiàn)有再冷凝器控制系統(tǒng)的PCV－1及PCV－2修改，僅更改名稱，閥體不需更換)開度。被液化的BOG量與用來液化BOG的LNG量相加，若較需求的LNG輸出量小時，再冷凝器液位下降，液位控制器LIC－1將開大再冷凝器兩個旁路液位控制閥LCV－1和LCV－2的開度。反之，LIC－1 將關(guān)小 LCV－1、LCV－2 的開度。若LCV－1和LCV－2都已經(jīng)關(guān)閉，但再冷凝器液位仍繼續(xù)上升，并高于設(shè)定液位時，液位控制器LIC－1將會自動提高PIC－3的壓力設(shè)定值，降低LNG/BOG進(jìn)料量比例，使再冷凝器的進(jìn)料與輸出趨于平衡。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有的BOG再液化系統(tǒng)功耗大，管網(wǎng)輸氣負(fù)荷波動過大時操作困難等方面的不足，本研究在不改變現(xiàn)有再冷凝器結(jié)構(gòu)和不增加設(shè)備原則下，對再冷凝器的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的控制系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)僅做軟件程序的修改即能達(dá)成優(yōu)化目的，節(jié)省優(yōu)化成本;

(2)可解決DCS主控計(jì)算機(jī)內(nèi)計(jì)算程序或函數(shù)方程(FX－1)無法及時隨接收站接收不同LNG成分而自動更新的僵化問題;

(3)節(jié)約能耗，優(yōu)化的控制系統(tǒng)能夠避免液位變動造成的補(bǔ)氣和未完全液化的BOG再壓縮返回再冷凝器所增加的BOG壓縮機(jī)虛功，壓縮機(jī)功耗降低24%，節(jié)省能耗84 kW。

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