LNG接收站最大／最小外输量的确定方法——以浙江LNG接收站为例

贾士栋 吕俊 邓青

中海浙江宁波液化天然气有限公司

LNG接收站的主要功能是接收、储存和气化LNG，并通过管网向下游用户供气［1－2］。部分LNG接收站还设置有LNG槽车装车站，向用户直接提供LNG。LNG接收站的最大／最小外输量是其最重要的生产运行参数之一，接收站的设计正是根据这一参数来确定整个接收站工艺设备的运行能力、管道的粗细、阀门的大小等重要参数。因此，接收站的最大／最小外输量在FEED设计阶段（前端设计）就应予以确定。笔者以浙江LNG接收站（以下简称为浙江LNG接收站）为例，讨论了接收站最大／最小外输量的确定方法，希望借此对其他LNG接收站最大／最小外输量的确定有所裨益。

1 最大／最小外输量的计算

1．1 最大／最小外输量的计算原则

根据浙江省用气负荷不均匀系数（表1），可以看出浙江省天然气消费存在夏冬两季为用气高峰、春秋两季为用气低谷的现象，尤其在每年的1、2月份，由于中国传统节日的影响，此时用气负荷不均匀系数不及高峰用气月的一半。如2011年7月29日，浙江省单日最大用电负荷为5 063×104kW，而2011年2月3日的最低负荷仅为973×104kW。

表1 浙江省用气负荷不均匀系数统计表

另外，由于浙江LNG接收站主要用于天然气调峰，即主要解决工业用户尤其是燃气电厂的小时调峰任务。而浙江省电网要求燃气电厂在白天用电负荷集中时天然气机组满负荷运行，而在夜里用电负荷大幅下降时天然气机组停止运行，具体来说，燃气机组运行的主要集中时间为每日的8：00—22：00，其余时间基本为少开或者不开，即所谓的昼开夜停。

为了适应这种用气特点，浙江LNG接收站最大外输量的确定应保证白天满足浙江省天然气管网最高峰时的用气需求，而最小外输量的确定则仅保证满足LNG接收站最低运行条件即可（即保持单台设备处于热备用状态），以备短期内LNG接收站外输量从较小外输量转化到最大外输量。按这个原则来考虑LNG接收站最大／最小外输量的计算。

1．2 浙江LNG接收站工艺流程简介

浙江LNG接收站工艺流程如图1所示［3］。LNG接收站将来自LNG船的LNG（－162℃）通过码头上的卸料管线输送至LNG储罐。位于LNG储罐内的罐内低压泵再将储罐内LNG输送至再冷凝器［4］，然后通过高压泵将再冷凝器内的LNG加压输送至气化器，最后LNG在气化器内气化后输送至浙江省天然气管网，由天然气管网将天然气送至最终用户［5－6］。由于环境温度、大气压变化、罐内泵电机运转等外界能量输入原因，LNG接收站1台罐内低压泵需要始终保持运转，以维持小流量的LNG在整个接收站的工艺设备及管线内流动，从而达到保冷的效果［7］，产生的BOG（Boiled Off Gas）需要通过再冷凝器冷凝后外输或者直接通过火炬燃烧排放。

图1 浙江LNG接收站工艺流程简图

2 最大外输量的确定

根据图1及LNG接收站最大／最小外输量的计算原则，可以看出决定LNG接收站外输量的设备主要为罐内低压泵、再冷凝器、高压泵及气化器，根据这4类设备的运行能力就可以计算LNG接收站最大／最小外输量。根据浙江省天然气管网下游公司提供的数据，浙江LNG接收站在高峰月高峰日承担的天然气最大外输量为880 000m3／h，折合LNG外输量为1 420m3／h。根据设备大小匹配及略微放大的设计原则，确定气化器的气化能力为384m3／h，共4台；确定高压泵的流量为384m3／h，共5台，1台备用；确定罐内低压泵的流量为430m3／h，共6台（综合考虑槽车外运及全厂保冷循环的需求）。据此，可以得出浙江LNG接收站最大外输量为1 536m3／h，略大于天然气管网的高峰需求量。

3 最小外输量的确定

3．1 决定LNG接收站最小外输量的主要设备

根据浙江LNG接收站的工艺流程，可以看出决定LNG接收站最小外输量的设备主要为罐内低压泵、再冷凝器、高压泵及气化器，即确定LNG接收站最小外输量时需要考虑这4类设备的最低运行条件。

3．1．1 罐内低压泵

罐内低压泵位于高压泵的上游。根据设备选型原则，罐内低压泵单台流量（Q1）为430m3／h。但考虑到槽车（按仅有1台槽车在装车计算，所需LNG流量约为60m3／h，液态外输量不作为气态外输量计算）、LNG接收站卸料管线及码头的保冷循环需求量（该量约为216m3／h，不外输，冷循环后全部返回LNG储罐）及需要提供给下游高压泵的最小输量，经计算罐内低压泵的单台流量约为394m3／h，已经接近罐内低压泵的额定流量。而根据厂家提供的罐内低压泵性能曲线，该泵运行的最小流量（Q1′）要求为130m3／h。而Q1大于Q1′。因此，要维持整个LNG接收站的保冷循环及下游设备正常运作，要求罐内低压泵的最小流量为394m3／h。

3．1．2 再冷凝器

再冷凝器主要冷凝整个LNG接收站产生的BOG，并用作下游设备高压泵的入口缓冲罐［8－9］。根据计算，可知浙江LNG接收站最大BOG产生量约为27t／h，对应需要冷凝BOG的LNG量为189t／h（按照BOG∶LNG＝1∶7考虑）［10］，那么需要罐内低压泵输送的LNG量为189t／h，冷凝后总计产生LNG量（Q2）为474m3／h（其中59m3／h为BOG 冷凝后变成的LNG量）。但如果考虑将全部BOG通过火炬燃烧，那么再冷凝器不会额外增加LNG流量。

3．1．3 高压泵

3．1．3．1 没有变频器的高压泵最小流量的确定

根据设备选型原则，高压泵额定流量为384m3／h，扬程为1 806m，转速为2 975r／m。根据高压泵的性能曲线（图2），可以得知在不变频的情况下，高压泵的最小流量为118m3／h。如果再减小流量，高压泵将不能正常工作，并且此时输送的LNG不能带走由于电机产生的热负荷而将对泵产生损害。高压泵不承担全厂LNG保冷循环及供LNG槽车外运的任务。因此，高压泵需要的最小流量（Q3）为118m3／h。

图2 高压泵性能曲线图

3．1．3．2 安装变频器后高压泵最小流量的确定

从图2可以得知，在转速为2 975r／m的情况下，高压泵最小流量为118m3／h［11］。图3为安装变频器后高压泵的性能曲线。浙江省天然气管网对气化器出口压力要求维持在7MPa，从图3可以看出，如果要维持离心泵速度三角形不变，并保持气化器出口压力为7MPa（图中红色横线），需要高压泵的转速下调为2 775r／m（即图中深蓝色曲线）。如果继续下调高压泵转速至2 000r／m，此时不仅泵的效率低（20%以下），且气化器出口压力也不能达到管网要求。因此，安装变频器后，2 775r／m是高压泵转速调整的下限。那么根据离心泵流量相似公式，在转速调整量小于20%时，离心泵的速度三角形基本保持不变，因而转速和流量成正比。经计算，在转速为2 775r／m时，浙江LNG接收站高压泵的最小流量为110m3／h。

图3 安装变频器后高压泵的性能曲线图

3．1．4 气化器

浙江LNG接收站选用来自日本神户制钢的中间介质气化器（IFV）［12］。IFV是由一个兰金循环系统和天然气直接膨胀系统组成的综合系统［13－15］。该气化器位于高压泵的下游。根据厂家文件，IFV在维持热备用状态时对LNG的需求量很小，仅为6．6m3／h，这样就可以减少IFV通入大流量LNG时的热应力，从而实现IFV的快速启动。因此，IFV需要的最小LNG流量（Q4）为6．6m3／h。

3．2 最小外输量的计算工况

从上面4种设备的分析可以看出，LNG接收站最小外输量应分为2种计算工况，即允许火炬燃烧工况及不允许火炬燃烧工况。

3．2．1 火炬燃烧工况

低压泵供应394m3／h的LNG给下游的高压泵、槽车及全厂保冷循环系统，其中216m3／h的LNG为全厂保冷循环用，循环后全部返回LNG储罐，不外输；60m3／H 的LNG供应给槽车，不外输，产生的BOG气体全部通过火炬燃烧，即再冷凝器不发挥作用；剩下的118m3／h LNG供应给高压泵（不变频），而高压泵又需要供应（Q3）118m3／h的LNG给下游IFV，IFV热备启动所需的最小LNG流量（Q4）为6．6 m3／h（小于Q3）。因此，最后气化外输至浙江省输气干网的天然气量为Q3。即在允许火炬燃烧并保证全厂各有1台主工艺设备运转的前提下，决定LNG接收站最小外输量的关键设备为高压泵的最小流量。

3．2．2 不允许火炬燃烧工况

低压泵供应690m3／h的LNG给下游的再冷凝器、高压泵、槽车及全厂保冷循环系统，其中216m3／h的LNG为全厂保冷循环用，不外输；60m3／H 的LNG供应槽车，不外输，产生27t／h的BOG气体全部通过再冷凝器冷凝，冷凝后产生共计（Q2）474m3／h（其中59m3／h为BOG冷凝后变成的LNG量）的LNG输送至高压泵。该量大于高压泵最小流量Q3，也大于末端IFV热备启动所需的最小LNG流量Q4，因此，最后气化外输至浙江省输气干网的天然气量为Q2。即在不允许火炬燃烧并保证全厂各有1台主工艺设备运转的前提下，决定LNG接收站最小外输量的关键设备为冷凝BOG需要的LNG量。

4 结论

1）决定LNG接收站外输能力的设备主要为罐内低压泵、再冷凝器、高压泵及气化器，即根据这4类设备的能力大小来计算接收站最大／最小外输量。

2）根据浙江省天然气管网下游公司提供的数据、设备大小的匹配和略微放大的原则，得出浙江LNG接收站最大外输量为1 536m3／h（LNG流量），折合气体流量为950 000m3／h，略大于天然气管网的高峰流量需求。

3）在允许火炬燃烧的情况下，综合考虑罐内低压泵、再冷凝器、高压泵及气化器的设备性能及下游天然气管网对LNG接收站的供气需求，高压泵的最小流量即为浙江LNG接收站的最小外输量，即118m3／h（LNG流量），折合气体流量为75 331m3／h。

4）在不允许火炬燃烧的情况下，综合考虑罐内低压泵、再冷凝器、高压泵及气化器的设备性能及下游天然气管网对LNG接收站的供气需求，冷凝BOG需要的LNG量即为浙江LNG接收站的最小外输量，即474 m3／h（LNG流量），折合气体流量为302 601m3／h。

5）通过变频的方式可调节高压泵的最小流量至110m3／h（LNG流量），即折合气体流量为70 220m3／h。

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