新增LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷過(guò)程中的氣體處理方法

張豪，楊偉紅，李民星，王俊鵬(中海浙江寧波液化天然氣有限公司，浙江 寧波 315800)

1 LNG接收站和LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷簡(jiǎn)介

1.1 LNG接收站

近年來(lái)，全球液化天然氣(liquef ied natural gas，LNG)因具有運(yùn)輸和儲(chǔ)運(yùn)便利、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，LNG貿(mào)易已成為全球能源市場(chǎng)的熱點(diǎn)。為保證能源供應(yīng)多元化和改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，國(guó)家越來(lái)越重視LNG的引進(jìn)，沿海地區(qū)開(kāi)始大規(guī)模興建LNG接收站[1]，如圖1所示。

LNG接收站的主要功能是通過(guò)LNG船舶將液化天然氣從國(guó)外進(jìn)口至國(guó)內(nèi)LNG接收站，通過(guò)卸料臂存儲(chǔ)在LNG儲(chǔ)罐中，通過(guò)罐內(nèi)泵增壓后一部分直接輸送至LNG槽罐車(chē)，通過(guò)槽罐車(chē)運(yùn)送至LNG加氣站、小型汽化站、工廠等用戶；另一部分通過(guò)高壓泵再次增壓進(jìn)入汽化器汽化，通過(guò)管道輸送至下游燃?xì)庥脩簟⑻烊粴獍l(fā)電廠和工廠用戶[2]。

1.2 LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷

LNG儲(chǔ)罐作為接收站的核心設(shè)備，正常工作溫度為-163 ℃。LNG儲(chǔ)罐建成后罐內(nèi)部處于常溫狀態(tài)，若直接填充LNG，一方面LNG會(huì)急劇汽化，體積會(huì)增大600倍，使罐內(nèi)壓力迅速升高，損壞罐體；另一方面LNG作為低溫介質(zhì)，瞬間與罐內(nèi)Ni9鋼接觸，使Ni9鋼溫度驟降發(fā)生應(yīng)力變形，撕裂焊縫造成罐體結(jié)構(gòu)性損傷。因此LNG儲(chǔ)罐正式投用前，需要對(duì)罐體進(jìn)行預(yù)冷，使罐內(nèi)溫度緩慢降至工作溫度，同時(shí)有效檢驗(yàn)罐內(nèi)低溫材料質(zhì)量、焊接質(zhì)量、管道冷縮量和管托支撐效果及低溫閥門(mén)密封性等，降低生產(chǎn)過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)EN 14620-5規(guī)定，儲(chǔ)罐預(yù)冷過(guò)程中溫降速率宜為3 ℃/h，最大不超過(guò)5 ℃/h，罐壁或罐底任意兩個(gè)不相鄰溫度傳感器之間溫度差不宜大于30 ℃。預(yù)冷時(shí)要逐步降低儲(chǔ)罐和相關(guān)工藝管道溫度，防止溫度驟降影響金屬材料性能產(chǎn)生較大應(yīng)力而損傷儲(chǔ)罐和管件[3]。

儲(chǔ)罐預(yù)冷一般采用LNG通過(guò)預(yù)冷管道進(jìn)入罐體，通過(guò)熱交換將罐體溫度緩慢降至工作溫度。儲(chǔ)罐預(yù)冷會(huì)產(chǎn)生大量BOG氣體，需要將產(chǎn)生的BOG氣體排出以降低儲(chǔ)罐壓力和溫度。BOG氣體易燃易爆，不能直接就地排放，常規(guī)BOG處理方式有BOG壓縮機(jī)回收和火炬放空燃燒。目前LNG 接收站儲(chǔ)罐常規(guī)預(yù)冷主要有以下兩種方式。

1.2.1 通過(guò)卸料系統(tǒng)預(yù)冷LNG儲(chǔ)罐

直接利用卸料管道內(nèi)的LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐預(yù)冷管道對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行預(yù)冷。由于卸料系統(tǒng)正常運(yùn)行壓力一般維持在0.2 MPag，儲(chǔ)罐預(yù)冷后期需將壓力控制在0.5 MPag(儲(chǔ)罐噴淋頭的工作壓力，此壓力下儲(chǔ)罐預(yù)冷效果好)。因此，利用卸料系統(tǒng)無(wú)法完全滿足儲(chǔ)罐預(yù)冷后期壓力控制要求，且該操作模式下卸船作業(yè)也會(huì)影響儲(chǔ)罐預(yù)冷進(jìn)度。所以該方式主要用于接收站投用初期接卸首船LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷操作，利用船內(nèi)泵及汽化器氣化加壓，通過(guò)卸料管道對(duì)LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行預(yù)冷。

1.2.2 通過(guò)低壓外輸系統(tǒng)預(yù)冷LNG儲(chǔ)罐

該方式適用于接收站擴(kuò)建儲(chǔ)罐預(yù)冷，通過(guò)直接利用低壓外輸管道跨接至儲(chǔ)罐預(yù)冷噴淋管道實(shí)現(xiàn)預(yù)冷[4]。低壓外輸系統(tǒng)壓力通常在1 MPag左右，預(yù)冷時(shí)需控制預(yù)冷壓力。

2 BOG氣體回收方式

新增LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷工藝與接收站首次投用LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷方式不同，考慮到接收站已處于正常生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，新增LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷產(chǎn)生的BOG回收操作更加復(fù)雜。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出LNG接收站新增儲(chǔ)罐預(yù)冷產(chǎn)生的BOG氣體回收主要有以下三種方式。(1)預(yù)冷產(chǎn)生的BOG管道與已投用儲(chǔ)罐連通，直接通過(guò)BOG壓縮機(jī)回收。(2)預(yù)冷產(chǎn)生的BOG管道與已投用儲(chǔ)罐連通，通過(guò)火炬放空燃燒。(3)預(yù)冷前期隔離在用儲(chǔ)罐BOG流程，新增LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷產(chǎn)生BOG通過(guò)火炬放空燃燒。

2.1 BOG壓縮機(jī)直接回收處理

將新增LNG儲(chǔ)罐BOG管道與已投用儲(chǔ)罐BOG管道連通，關(guān)閉火炬放空閥門(mén)，新增儲(chǔ)罐預(yù)冷產(chǎn)生的BOG氣體與已投用儲(chǔ)罐內(nèi)的BOG混合后直接通過(guò)BOG壓縮機(jī)回收。該方法適用于儲(chǔ)罐預(yù)冷后期，此時(shí)BOG溫度較低，且組分中氮?dú)廨^少，對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行狀況影響較小。

2.2 火炬放空燃燒處理

新增LNG儲(chǔ)罐BOG管道與前期投用儲(chǔ)罐BOG管道連通，關(guān)閉BOG壓縮機(jī)，新增LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷產(chǎn)生的BOG氣體與已投用儲(chǔ)罐內(nèi)的BOG混合后通過(guò)火炬放空燃燒。該方法適用于儲(chǔ)罐預(yù)冷任何一個(gè)階段，對(duì)BOG處理系統(tǒng)影響最小。

2.3 火炬燃燒與BOG壓縮機(jī)回收聯(lián)合處理

新增LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷前期，將已投用的儲(chǔ)罐壓力降低至8 kPag左右，此時(shí)將已投用的儲(chǔ)罐BOG系統(tǒng)進(jìn)行隔離，隔離過(guò)程中壓力增長(zhǎng)至火炬放空值26 kPag需8～9小時(shí)。新增儲(chǔ)罐預(yù)冷產(chǎn)生的BOG通過(guò)火炬放空燃燒，待新增儲(chǔ)罐BOG溫度達(dá)到-89 ℃(乙烷露點(diǎn)，在此溫度和壓力下易液化成液滴)時(shí)，與已投用儲(chǔ)罐BOG管道連通，將混合后的BOG氣體通過(guò)BOG壓縮機(jī)回收。

3 BOG處理方式對(duì)比分析

新增LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷產(chǎn)生的BOG氣體處理方式選擇主要考慮經(jīng)濟(jì)性和可操作性。

3.1 BOG壓縮機(jī)直接回收

BOG壓縮機(jī)直接回收工藝可以實(shí)現(xiàn)BOG零放空，經(jīng)濟(jì)效益顯著，但在實(shí)際可操作性差。BOG壓縮機(jī)回收BOG時(shí)，經(jīng)過(guò)入口緩沖罐進(jìn)行氣液分離，然后經(jīng)過(guò)入口過(guò)濾器過(guò)濾雜質(zhì)，最后進(jìn)入BOG壓縮機(jī)增壓后送至再冷凝器[5]，流程如圖2所示。

新增LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷前期產(chǎn)生的BOG氣體溫度較高，組分中包含氮?dú)?、乙烷、丙烷等重?zé)N物質(zhì)，當(dāng)與接收站其他在運(yùn)行的儲(chǔ)罐中產(chǎn)生的BOG混合后，該混合氣體通過(guò)BOG壓縮機(jī)入口過(guò)濾器時(shí)，組分中的C2H6、C3H8等重?zé)N會(huì)液化形成液相膜而使壓縮機(jī)入口過(guò)濾器堵塞，導(dǎo)致BOG壓縮機(jī)入口壓力快速下降，影響B(tài)OG壓縮機(jī)的正常運(yùn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)BOG回收。

3.2 火炬放空燃燒處理

火炬放空燃燒操作簡(jiǎn)單，但經(jīng)濟(jì)性差。按照儲(chǔ)罐預(yù)冷平均速度4 ℃/h，約耗損LNG120 t。此時(shí)，新增LNG儲(chǔ)罐與已投用儲(chǔ)罐BOG管道處于連通狀態(tài)，故已投用儲(chǔ)罐產(chǎn)生的BOG也會(huì)隨之燃燒，增加了BOG損耗量，造成資源嚴(yán)重浪費(fèi)。

3.3 火炬燃燒與BOG壓縮機(jī)回收聯(lián)合處理

采取火炬燃燒與BOG壓縮機(jī)回收聯(lián)合處理方式，步驟如下：(1)提前將組分較輕的LNG卸至已投用儲(chǔ)罐，利用該罐內(nèi)的LNG作為新增LNG儲(chǔ)罐的預(yù)冷介質(zhì)，從源頭減少LNG中重?zé)N含量，預(yù)冷前利用此罐內(nèi)LNG置換新增儲(chǔ)罐預(yù)冷管道。(2)提前將已投用儲(chǔ)罐壓力降至正常操作壓力下限8KPag左右(具體值根據(jù)各接收站儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)要求和實(shí)際操作范圍而定)，新增儲(chǔ)罐預(yù)冷前與已投用儲(chǔ)罐BOG系統(tǒng)隔離。(3)新增LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷前期，產(chǎn)生的BOG 氣體通過(guò)火炬燃燒。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，LNG儲(chǔ)罐BOG系統(tǒng)隔離時(shí)，罐壓上升速率約2 kPag/h，至已投用儲(chǔ)罐壓力達(dá)到正常操作壓力上限26 kPag (具體值根據(jù)各接收站儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)要求和實(shí)際操作范圍而定)約9 h，預(yù)冷至-89 ℃大約需要15 h。故前9 h內(nèi)，新增LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷產(chǎn)生的BOG通過(guò)火炬放空燃燒，9～15 h期間將BOG系統(tǒng)連通并投用，混合氣體通過(guò)火炬放空燃燒。(4)當(dāng)新增LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷產(chǎn)生的BOG達(dá)到-89 ℃時(shí)，關(guān)閉火炬系統(tǒng)，啟動(dòng)BOG壓縮機(jī)回收該混合氣體。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) BOG壓縮機(jī)直接回收處理、火炬放空燃燒處理、BOG壓縮機(jī)直接回收與火炬放空燃燒聯(lián)合處理是對(duì)LNG儲(chǔ)罐產(chǎn)生的BOG最常見(jiàn)的處理方法。(2)新增LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷，操作較復(fù)雜。綜合對(duì)比分析，新增LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷產(chǎn)生的氣體處理方法中，BOG壓縮機(jī)直接回收處理雖然經(jīng)濟(jì)性最強(qiáng)，但不具備可操作性，而火炬放空燃燒處理雖然操作簡(jiǎn)單，但經(jīng)濟(jì)性較差，所以采用火炬燃燒與BOG壓縮機(jī)回收聯(lián)合處理屬于最優(yōu)方法，可為L(zhǎng)NG接收站新建儲(chǔ)罐預(yù)冷時(shí)BOG處理工藝選擇提供參考。