LNG接收站入口BOG溫度對再冷凝器控制的影響

陳國霞

中國石化青島液化天然氣有限責任公司

面對日益嚴峻的環(huán)境壓力，人類對清潔能源的需求不斷增大。液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)因其在遠洋運輸、儲存及調峰方面的巨大優(yōu)勢，越來越受到人們的重視，LNG接收站也由此得以快速發(fā)展[1-2]。LNG接收站主要由專用碼頭、卸貨裝置(LNG卸料臂)、LNG輸送管道、LNG儲罐、LNG氣化裝置、蒸發(fā)氣(boil off gas，BOG)處理裝置、計量裝置、控制及安全保護系統(tǒng)、維修保養(yǎng)系統(tǒng)等組成[3-4]。在LNG接收站，由于存在漏熱、管道保冷循環(huán)、LNG卸船、LNG槽車裝車等操作，會產生大量的BOG[5-10]。從安全和經濟角度考慮，對LNG接收站產生的大量BOG必須進行妥善處理[11-17]。在LNG接收站對BOG的處理工藝通常有直接壓縮工藝和再冷凝工藝兩種[18-19]。目前，國內外大多數(shù)LNG接收站都采用BOG再冷凝工藝[20-22]。

再冷凝器作為BOG再冷凝工藝的關鍵設備，也成為LNG接收站控制的重點和難點，其運行狀況關系到整個接收站的生產運營成本[23-24]。青島LNG接收站再冷凝器入口LNG流量調節(jié)閥靈敏度不夠，導致再冷凝器入口LNG流量調節(jié)不能實現(xiàn)自動控制，液氣比(入口LNG與入口BOG的質量比)無法實時維持設定值，影響再冷凝器的液位穩(wěn)定。青島LNG接收站在BOG經BOG壓縮機壓縮后、進入再冷凝器之前設置了BOG冷換器，可精確控制進入再冷凝器的BOG溫度，故本研究以再冷凝器入口BOG的溫度為研究對象，探討其對再冷凝器控制的影響。

1 LNG接收站BOG處理工藝

青島LNG接收站采用再冷凝工藝處理BOG，其基本過程是：把LNG儲罐中、卸船過程中、管道保冷循環(huán)、設備及管道漏冷、動設備運轉等產生的BOG經BOG壓縮機壓縮到一定的壓力(通常為0.7 MPa)后，與由LNG低壓泵從LNG儲罐中泵出的LNG在再冷凝器中混合。由于LNG加壓后處于過冷狀態(tài)，可以使BOG再冷凝，冷凝后的LNG經LNG高壓泵加壓后，再經氣化器氣化外輸。再冷凝法可以利用LNG的冷量，減少BOG壓縮機的功耗，從而節(jié)省能耗[25]。

青島LNG接收站BOG再冷凝工藝流程如圖1所示。LNG儲罐TK-01中的LNG經罐內低壓泵P-01壓縮過冷后分成兩路，一路去再冷凝器V-01上部冷凝BOG，另一路去再冷凝器下部與冷凝液混合。LNG接收站內經多種原因產生的BOG先在分液罐V-02中緩存并分離凝液，氣相進入BOG壓縮機C-01增壓(出口BOG壓力約0.75 MPa，溫度在-12～+120 ℃)。增壓后的BOG進入BOG冷換器E-01，利用高壓匯管的LNG對BOG進行降溫，經過降溫后的BOG從頂部進入再冷凝器，在再冷凝器的填料段中與經過罐內低壓泵增壓到相同壓力的過冷LNG進行接觸換熱并冷凝，之后與再冷凝器下部的LNG混合，經高壓泵P-02增壓至外輸管網壓力后進氣化器VP-01氣化，輸送至下游管網[26]。從上述流程可以看出，BOG再冷凝工藝的核心設備是再冷凝器，而再冷凝器的主要工藝參數(shù)是液位及液氣比。

2 LNG接收站再冷凝器控制方案

青島LNG接收站再冷凝器目前采用的工藝控制流程如圖2所示。再冷凝器的作用主要是將BOG再冷凝為LNG，同時也作為高壓泵的入口緩沖罐[27]，保證高壓泵的流量和入口壓力穩(wěn)定。因而，青島LNG接收站再冷凝器的控制方案為液位控制，即維持再冷凝器的液位在合理范圍內波動，并保持高壓泵入口壓力穩(wěn)定，整體控制策略主要針對再冷凝器液位正常和異常兩種情況。

當再冷凝器的液位在正常范圍內波動時，控制系統(tǒng)并不對再冷凝器液位進行直接控制。本研究期間，青島LNG接收站再冷凝器的氣相操作壓力約為0.66 MPa，液相出口壓力約為0.70 MPa，氣相操作溫度約為-80 ℃，液相操作溫度約為-130 ℃，液位正常操作范圍約為50%～55%。進入再冷凝器的過冷LNG流量由調節(jié)閥FV0001控制。自動控制下，控制器FIC0001利用進入再冷凝器的BOG壓力、溫度、流量及再冷凝器壓力，計算出所需LNG流量，進而控制閥門FV0001的開度。但是，由于青島LNG的流量調節(jié)閥FV0001靈敏度不夠，只能采用手動控制，需要操作員根據進入再冷凝器的BOG的流量、溫度、壓力等參數(shù)對閥門FV0001的開度適當調節(jié)，保證進入再冷凝器的BOG能夠被完全冷凝。另外，通過旁路閥PV0102A/B控制再冷凝器的出口壓力，從而保證高壓泵的入口壓力和流量穩(wěn)定。

當再冷凝器液位異常(超出合理范圍)時，液位控制器LIC0004根據液位狀態(tài)自動選擇合適的控制方案來調整再冷凝器液位。通過液位變送器LT0004監(jiān)測再冷凝器液位，當液位高于設定高值時，通過液位控制器LIC0004打開液位控制閥LV0004，引入高壓氣進入再冷凝器，從而壓低再冷凝器液位。當再冷凝器液位低于設定低位時，將液位信號、高壓泵入口LNG飽和蒸氣壓差信號及旁路LNG流量信號傳遞給函數(shù)計算模塊FY0101，然后將計算所得信息傳輸給BOG壓縮機控制系統(tǒng)來調節(jié)BOG壓縮機的處理量，以達到恢復液位的目的。

為了盡量避免再冷凝器的液位出現(xiàn)異常，目前操作員只能頻繁操作入口LNG流量調節(jié)閥，導致操作員的任務量較重，調節(jié)閥的壽命也大幅縮短。盡管如此，由于入口LNG流量調節(jié)閥的精度不高，所以再冷凝器的液位仍然會有較大幅度的波動。值得注意的是，目前再冷凝器的控制策略沒有考慮入口BOG溫度的影響。雖然BOG在進入再冷凝器前先進入BOG冷換器E-01進行降溫，但是在再冷凝器的整體控制策略中并沒有考慮入口BOG溫度對再冷凝器的液位、出口LNG溫度、高壓泵入口飽和蒸氣壓差等參數(shù)的影響。因此，需要充分考察入口BOG溫度對再冷凝器的影響，為優(yōu)化控制再冷凝器液位波動提供依據和數(shù)據支撐。

3 入口BOG溫度對再冷凝器的影響分析

3.1 入口BOG溫度調節(jié)實驗

為了研究入口BOG溫度對再冷凝器控制的潛在應用價值，本研究通過實驗考察了入口BOG溫度對再冷凝器液位的影響。實驗過程中調節(jié)青島LNG接收站兩臺BOG壓縮機的負荷分別是100%+50%和100%+100%，對應BOG量約為8 890 kg/h和11 800 kg/h。再冷凝器入口BOG的溫度由冷換器自動控制，實驗中設置的主要溫度點為：-75 ℃、-80 ℃、-85 ℃、-90 ℃、-95 ℃、-100 ℃。記錄不同溫度點下再冷凝器的液位和出口LNG溫度，每個溫度點運行1 h，再冷凝器的液位取8個瞬時值，然后求平均值，實驗結果如表1和表2所列。實驗過程中再冷凝器入口LNG和BOG的液氣質量比保持在7.2左右，再冷凝器中氣相壓力約為0.66 MPa，出口壓力約為0.70 MPa，保持外輸量145 000 m3/h。

表1 入口BOG量為8890kg/h時不同溫度下的再冷凝器液位溫度/℃再冷凝器液位/%L1L2L3L4L5L6L7L8平均值/%-7551.8351.8651.9851.8051.9851.9552.1152.0551.95-8052.0852.1152.1452.2052.2352.2652.2152.1052.17-8552.4452.3652.3552.4152.3252.3852.3752.4352.38-9052.5052.5352.5952.4752.5652.6352.4352.6152.54-9552.6852.7252.7552.6952.6352.8152.7852.8452.74-10052.9653.0253.0552.9352.9953.0852.9053.1153.01

表2 入口BOG量為11800kg/h時不同溫度下的再冷凝器液位溫度/℃再冷凝器液位/%L1L2L3L4L5L6L7L8平均值/%-7550.5850.6150.5250.5550.5050.5450.4750.4650.53-8050.6750.7950.9250.7050.7650.8950.8550.8250.80-8551.1051.0751.0451.1951.0551.1351.1651.0951.10-9051.4051.5051.3751.3451.4751.4351.4451.4651.43-9551.6851.8051.8351.7451.7151.8851.8551.7951.79-10052.0152.0551.9852.0851.9552.1452.1052.1752.06

控制進入再冷凝器的LNG和BOG液氣比恒定，入口BOG溫度越低，再冷凝器液位越高，且再冷凝器液位隨入口BOG溫度幾乎呈線性變化(見圖3；R2>0.995)。在入口BOG溫度小幅度調整時(-75～-100 ℃)，再冷凝器的液位產生了比較明顯的變化(約1%～1.5%)。所以，如果降低入口BOG溫度，再冷凝器內部需要的冷量會減少，需要的LNG質量隨之減少，即可以增大再冷凝器處理BOG的能力；同理，如果提高入口BOG溫度，再冷凝器內部需要的冷量增多，需要的LNG質量隨之增多，再冷凝器處理BOG的能力下降。

除了再冷凝器的液位，本研究還記錄了再冷凝器出口LNG的溫度(見圖4)和飽和蒸氣壓差(作為保護高壓泵、防止汽蝕的參考數(shù)據)。隨著入口BOG溫度的降低，再冷凝器出口液體(即高壓泵入口LNG)溫度隨之小幅下降，高壓泵入口LNG的飽和蒸氣壓減小，高壓泵入口LNG的飽和蒸氣壓差增大(高壓泵入口LNG壓力保持恒定)，從而可有效避免高壓泵發(fā)生汽蝕。在實驗過程中，入口BOG溫度從-75 ℃降低到-100 ℃，BOG量為8 890 kg/h和11 800 kg/h時，出口LNG溫度降幅分別為1.3 ℃和2.0 ℃，飽和蒸氣壓差分別從0.22 MPa升高到0.24 MPa和0.25 MPa。

另外，當BOG量較大時，入口BOG的溫度變化對再冷凝器的液位和出口溫度的影響較大(見圖3、圖4)。所以，當LNG接收站出現(xiàn)BOG產生量較大的工況時，可以通過降低入口BOG溫度來提高BOG的處理量。例如，青島LNG接收站每年接船超過80艘次，每次卸船前，針對卸船過程中可能出現(xiàn)的BOG管網壓力上升的情況，可以提前降低入口BOG的溫度，適當提高再冷凝器液位的操作上限，以提高BOG的處理量，從而減少因BOG管網超壓而產生的BOG排火炬量，節(jié)約資源。

3.2 入口BOG溫度作為輔助控制手段

利用低壓泵輸出的過冷LNG提供的冷量，壓縮后的BOG氣體在再冷凝器內部完成降溫和相變兩個過程，入口BOG溫度的變化會影響降溫過程中需要的冷量，從而影響再冷凝器的液位。根據青島LNG接收站的實際運行情況，采用式(1)和式(2)計算降溫和相變[28]過程的冷量。

Qj=qmcp(t2-t1)

(1)

Qx=ΔH=m(-ΔvapHm)

(2)

式中：Qj、Qx分別為降溫和相變過程中的冷量，J；qm為介質質量流量，kg；cp為介質定壓比熱容，J/(K·kg)；t1、t2分別為介質降溫前后的溫度，K；ΔH為介質相變焓，J；ΔvapHm為介質摩爾蒸發(fā)焓，J/mol；m為物質的量，mol。

再冷凝器入口BOG溫度的變化會影響降溫過程中需要的冷量，從而間接影響再冷凝器的液位。根據式(1)，如果改變入口BOG溫度t1，再冷凝器內部需要的冷量相應改變，需要的LNG質量隨之改變，再冷凝器處理BOG的能力也會相應改變。如果降低入口BOG溫度，但不改變液氣比，再冷凝器液位就會因冷量剩余而升高(見圖3)，此時再冷凝器處理BOG的能力增大。另外，相變只能在再冷凝器中完成，根據式(2)，改變t1不會改變相變所需冷量。因此，以入口BOG溫度作為再冷凝器液位的輔助控制手段理論上可行。

由于BOG的產生源很多，入口BOG的量變化頻繁且變化幅度較大，操作員也需頻繁調節(jié)入口LNG流量調節(jié)閥，以盡可能維持再冷凝器的液位。但是，由于動設備啟停、LNG槽車裝車、卸船等產生BOG的擾動過程是按計劃進行的，因此可以通過“同步”調整再冷凝器入口BOG溫度來抵消其影響，使再冷凝器液位變化趨勢更明顯，從而避免入口LNG流量調節(jié)閥的“誤動作”，減少動作次數(shù)，減輕操作員的工作強度，提高閥門使用壽命，實現(xiàn)再冷凝器設備的安全平穩(wěn)運行。

另外，在控制再冷凝器的過程中還要避免高壓泵發(fā)生汽蝕。高壓泵入口LNG的飽和蒸氣壓差報警值為0.15 MPa，低于該值，高壓泵容易發(fā)生汽蝕。根據克拉貝龍方程，LNG的飽和蒸氣壓隨溫度的升高而增大[28]。高壓泵入口LNG的飽和蒸氣壓差見式(3)。

Δp=p-p0

(3)

式中：Δp為高壓泵入口LNG的飽和蒸氣壓差，MPa；p為高壓泵入口LNG壓力，MPa；p0為高壓泵入口LNG的飽和蒸氣壓，MPa。

由于高壓泵入口LNG壓力在自動控制下保持恒定，所以大幅升高入口BOG溫度仍有可能導致高壓泵入口飽和蒸氣壓差低于報警值。結合圖4和文獻資料[29]，LNG的飽和蒸氣壓隨溫度升高近似線性增大，再冷凝器入口BOG溫度在一定范圍內(約±50 ℃)調節(jié)時，不會導致高壓泵發(fā)生汽蝕。在少數(shù)需大幅提高再冷凝器入口BOG溫度的情況時，可以采取以下操作：①通過調節(jié)旁路閥PV0102A/B(見圖2)控制高壓泵入口LNG壓力，將高壓泵入口飽和蒸氣壓差控制在正常范圍內，從而避免高壓泵發(fā)生汽蝕，此時再冷凝器入口BOG溫度的可調節(jié)范圍得到進一步擴大；②優(yōu)先調節(jié)再冷凝器入口LNG流量調節(jié)閥(不會導致頻繁動作)，從而直接避免入口BOG溫度的大范圍調節(jié)。

4 結論及建議

本研究通過實驗測試了兩種負荷下入口BOG溫度梯度變化時再冷凝器系統(tǒng)的響應。在進入再冷凝器的LNG和BOG液氣質量比恒定的情況下，入口BOG溫度越低，再冷凝器液位越高，出口LNG溫度越低；BOG量越大，入口BOG溫度對再冷凝器液位和出口溫度的影響越大；高壓泵入口LNG的飽和蒸氣壓差隨入口BOG溫度的降低而升高，在入口BOG溫度較大的調節(jié)區(qū)間內不會引起高壓泵發(fā)生汽蝕。通過對操作工藝和現(xiàn)有控制方案的剖析，認為可以通過調節(jié)入口BOG溫度，改善再冷凝器液位控制的穩(wěn)定性和精度，減少入口LNG流量調節(jié)閥的動作次數(shù)。需要注意的是，為防止高壓泵發(fā)生汽蝕，對于少數(shù)需要大幅提高入口BOG溫度的情況，可以優(yōu)先調節(jié)入口LNG流量調節(jié)閥，或通過調節(jié)旁路閥將高壓泵飽和蒸氣壓差控制在正常范圍內。

在現(xiàn)有控制方案的基礎上，操作員在操作過程中，當遇到再冷凝器液位波動較大時，可以優(yōu)先調節(jié)入口BOG溫度來控制再冷凝器的液位穩(wěn)定，該操作方法對整個BOG再冷凝系統(tǒng)的影響很小，可以減少調整BOG壓縮機負荷對BOG管網的影響，降低引入高壓外輸補氣引起的能耗損失。在低外輸工況下，可以通過降低BOG入口溫度來提高再冷凝器的處理量，減少因BOG排火炬而產生的浪費，同時保護高壓泵免受汽蝕影響。對于再冷凝器的自動控制，考慮到入口BOG溫度對再冷凝器液位的影響，可以對現(xiàn)有的控制方案進行改進，比如增加根據再冷凝器液位值調節(jié)入口BOG溫度的控制回路，以維持再冷凝器的液位穩(wěn)定。