LNG接收站BOG处理工艺优化——以青岛LNG接收站为例

王小尚 刘景俊 李玉星 多志丽 王武昌

1.中国石化青岛液化天然气有限责任公司 2.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院

LNG接收站目前主要有3种类型：①大型LNG接收站，如已运行的广东大鹏LNG、福建LNG、上海LNG等接收站及在建的青岛LNG、广西LNG等接收站；②小型LNG接收站；③卫星型LNG接收站。

LNG系统的漏热、动设备能量输入、卸料和外输体积置换、压力差、闪蒸等因素必定导致LNG接收站的储槽、操作设备、管线内产生大量BOG（Boil Off Gas，蒸发气）[1－2]。2009年杨志国等[3]分析了再冷凝器运行参数对BOG再冷凝工艺的影响，提出通过调整压缩机的压比、物料比来实现BOG再冷凝工艺的优化运行。2012年李亚军等[4]通过调节BOG再冷凝工艺中压缩机的阶数来达到系统节能降耗的目的。

笔者主要从工艺和能耗两方面对比了目前主要采用的2种BOG处理工艺，以方便不同类型的LNG接收站选用合适的BOG处理工艺，同时针对在建的青岛LNG接收站进行了BOG再冷凝工艺改进。

1 不同的BOG处理工艺对比

目前，LNG接收站BOG处理工艺主要有以下4种：①BOG直接压缩工艺；②BOG再冷凝液化工艺；③BOG间接热交换再液化工艺；④蓄冷式再液化工艺[5]。前两种BOG处理工艺为目前主要采用方式，其流程分别见图1、2，2种工艺的对比见表1。BOG直接压缩工艺中，BOG加压后直接进入外输管网；BOG再冷凝液化工艺中，BOG加压后进入再冷凝器，与进入再冷凝器的过冷LNG混合，形成液态，然后与剩余LNG一起通过高压泵加压，进入气化器气化，再外输。

图1 采用BOG直接压缩工艺的LNG接收站流程模拟图

图2 采用BOG再冷凝液化工艺的LNG接收站流程模拟图

表1 BOG再冷凝液化工艺和BOG直接压缩工艺对比表

2 不同BOG处理工艺的能耗对比

用HYSYS软件对气源型LNG接收站和调峰型LNG接收站分别采用再冷凝液化和直接压缩的BOG处理工艺进行了模拟计算（气源型LNG接收站按青岛LNG接收站设计参数进行模拟），模拟图分别见图1、2，能耗对比结果见表2。可以看出，无论是对调峰型LNG接收站还是气源型LNG接收站，BOG再冷凝液化工艺都比BOG直接压缩工艺更为节能。

对比2种工艺的能耗，以气源型LNG接收站为例进行分析，绘制出2种工艺的压比焓图（图3）。

图3中，红色线ABCDEF表示BOG直接压缩工艺的压比焓线，蓝色线abcdefgh表示BOG再冷凝液化工艺的压比焓线。LNG和BOG在等熵条件下通过泵或压缩机进行提压。从图3可以看出，对于泵的比焓差（qCD、qcd＋qeg）、气化器的比焓差（qDE、qgh），2种工艺相差不大，而对于压缩机的比焓差，BOG直接压缩工艺的qAB远大于BOG再冷凝液化工艺的qab。另外，在实际生产中，压缩机的效率小于泵的效率，2种BOG处理工艺进行能耗比较时，压缩机对能耗的影响更大。因此，输送单位质量流体时，BOG再冷凝工艺比BOG直接压缩工艺的能耗低。影响再冷凝器节能效果的因素有很多，现采用单一变量法来分析几种变量对节能效果产生的影响。以下模拟以气源型LNG接收站的参数为基础。

2.1 外输量对节能效果的影响

外输量对BOG处理工艺能耗的影响见图4。从图4可以看出，外输量的改变对节能效果影响不大。但当外输量较大时，BOG的量也相应增加，BOG再冷凝液化工艺的总节能量则相当可观。

2.2 外输压力对节能效果的影响

外输压力对BOG处理工艺的能耗影响见图5。从图5可以看出，随着外输压力的增加，BOG再冷凝液化工艺的节能量随之增加。这是由于当外输压力增加时，BOG直接压缩工艺中压缩机的比焓差增加量远远大于BOG再冷凝液化工艺中高压泵的比焓差增加量，即BOG直接压缩工艺的能耗增加量大于BOG再冷凝液化工艺的能耗增加量[6－7]。

表2 BOG再冷凝液化工艺和BOG直接压缩工艺能耗对比表

图3 BOG再冷凝液化工艺和BOG直接压缩工艺的压比焓对比图

2.3 再冷凝器压力对节能效果的影响

物料比为进入再冷凝器的LNG与BOG质量比，以下所指物料比为最小物料比，即LNG流量为将BOG全部冷凝为液体所需的最小流量。

再冷凝器压力对BOG再冷凝液化工艺能耗、节能的影响见图6。从图6可以看出，随着再冷凝器压力的升高，即低压泵和压缩机压力的升高，BOG再冷凝液化工艺所消耗的能量相应增加，则BOG再冷凝液化工艺的节能量减小。

图4 外输量对BOG处理工艺能耗的影响图

但当再冷凝器压力降低时，再冷凝器入口BOG温度升高，需要冷凝BOG的LNG用量增加，则物料比增加，当LNG接收站处于外输量最小工况时，操作困难。因此，在实际生产中，再冷凝器的压力一般控制在0.7～0.9MPa[8]。

图5 外输压力对BOG处理工艺的能耗影响图

图6 再冷凝器压力对BOG再冷凝液化工艺能耗、节能的影响图

3 青岛LNG接收站BOG再冷凝液化工艺改进措施

3.1 BOG进入再冷凝器前预冷

根据2.3的分析得知，降低压缩机出口压力会增加节能量，但会造成物料比增加，从而导致装置操作困难。为了在降低压缩机出口压力的同时保证物料比恒定，从而达到节能的效果，本文参考文献[9－10]提出了如图7所示的优化后BOG再冷凝液化工艺流程，添加了BOG冷换器设备，BOG在进入再冷凝器之前先与高压泵出口的一部分LNG换热，进行预冷，降低BOG温度。由于BOG及LNG均属于清洁的高压物料，因此，冷换器选用传热效率高、结构简单、价格便宜、承压能力强的“U”形管式换热器[11]。冷换器入口的LNG流量设定为5 000kg／h。优化后再冷凝器压力与压缩机能耗及物料比的关系见表3。

图7 优化后的BOG再冷凝液化工艺流程图

表3 优化后再冷凝器压力与压缩机能耗及物料比的关系表

从图6－b及表3可以看出，工艺优化前再冷凝器压力为0.88MPa时的物料比与工艺优化后再冷凝器压力为0.65MPa时的物料比接近，而压缩机能耗则由302.4kW 降为246.9kW，降低18.2%，节能效果明显。

3.2 混合使用2种BOG处理工艺

从能耗对比分析及实际应用情况来看，气源型LNG接收站一般都采用BOG再冷凝液化工艺。根据本文参考文献[1，12－13]计算得到青岛LNG接收站在不同工况下的BOG处理量：①卸船最小外输量时，BOG处理量为20.6t／h；②卸船最大外输量时，BOG处理量为19.9t／h；③非卸船最小外输量时，BOG处理量为7.3t／h；④非卸船最小外输量时，BOG处理量为4.3t／h。理论模拟计算得知卸船工况下的BOG处理量为非卸船工况下BOG处理量的4.5倍，同时，根据下游用户用气量的不同，LNG接收站外输量也有较大波动，这些都造成BOG再冷凝液化工艺操作困难，尤其是当BOG处理量较大，而下游用户用气量较低时，会造成BOG无法完全液化就不得不进入火炬系统，导致能源浪费。因此，针对青岛LNG接收站提出BOG再冷凝液化及BOG直接压缩2种工艺混合使用的方案（图8），使进再冷凝器的LNG流量保持恒定，没被冷凝的BOG经过高压压缩机提压到外输压力，与完成气化的LNG混合后外输。

图8 BOG混合处理工艺流程模拟图

模拟混合工艺卸船工况下的流程参数见表4，在卸船工况下再冷凝器入口的LNG流量为62.00t／h，在再冷凝器安全运行的同时，尽可能降低高压压缩机的入口流量，从而节约总能耗。低压压缩机设计负荷为6.7t／h，为统一设备运行参数，并节约投资成本，再冷凝器入口LNG流量的设定以满足高压压缩机入口BOG流量小于6.7t／h为限。

表4 混合工艺卸船工况下的工艺参数模拟表

BOG混合处理工艺与BOG再冷凝液化工艺能耗对比情况见表5。BOG混合处理工艺的压比焓线见图3中的黑色线，从图3可以看出，由于高压压缩机的存在，BOG混合处理工艺的能耗大于BOG再冷凝液化工艺的能耗。从表5可以看出，正常工况下，采用BOG混合处理工艺的总能耗比单用BOG再冷凝液化工艺的总能耗要高6.8%，但在最小外输量的工况下，采用BOG混合处理工艺可避免BOG进入火炬系统而造成能源浪费，同时减小再冷凝器入口流量的波动，装置运行更稳定、更安全。综合考虑，青岛LNG接收站BOG处理工艺采用BOG再冷凝液化工艺及BOG直接压缩混合处理工艺可行。

表5 BOG混合处理工艺与BOG再冷凝液化工艺能耗对比表

4 结论

1）BOG再冷凝液化工艺的能耗均小于BOG直接压缩工艺的能耗。针对2种BOG处理工艺，外输量的改变几乎不影响再冷凝器的节能效果，但当BOG量较大时，BOG再冷凝液化工艺的节能效果更显著。

2）随着外输压力的增加，再冷凝器的节能量也增加。

3）随着再冷凝器压力的增加，再冷凝器的节能量减少，但为了便于操作，再冷凝器压力一般设为0.7～0.9MPa。

4）BOG进入再冷凝器前进行预冷，可在处理相同BOG量时降低再冷凝器的压力，从而节约压缩机的能耗，节约率达18.2%。

5）青岛LNG接收站采用BOG再冷凝液化工艺及BOG直接压缩混合处理工艺，可避免最小外输量工况下BOG进入火炬，减少能源浪费，使装置运行更安全、稳定。

[1]陈行水.LNG接收站再冷凝工艺模型与动态优化[D].广州：华南理工大学，2012.CHEN Xingshui.Modeling and dynamic optimization of recondensation process at LNG receiving terminals[D].Guangzhou：South China University of Technology，2012.

[2]郭海燕，张炜森.珠海LNG装置技术分析与运行情况[J].石油与天然气化工，2012，41（1）：43－47，120.GUO Haiyan，ZHANG Weisen.Technical analysis and operation status of LNG plant in Zhuhai[J].Chemical Engineering of Oil ＆ Gas，2012，41（1）：43－47，120.

[3]杨志国，李亚军.液化天然气接收站再冷凝工艺优化研究[J].现代化工，2009，29（11）：74－77.YANG Zhiguo，LI Yajun.Influence of operational parameters on boil off gas recondensation process[J].Modern Chemical Industry，2009，29（11）：74－77.

[4]李亚军，陈蒙.LNG接收站BOG多阶压缩再液化工艺优化分析[J].化工学报，2013，64（3）：986－992.LI Yajun，CHEN Meng.Simulation－based optimization and analysis of BOG multi－stage compression and recondensation process at LNG receiving terminal[J].CIESC Journal，2013，64（3）：986－992.

[5]金光，李亚军.LNG接收站蒸发气体处理工艺[J].低温工程，2011，179（1）：51－56.JIN Guang，LI Yajun.Boil－off gas treatment in LNG receiving terminal[J].Cryogenics，2011，179（1）：51－56.

[6]张奕，艾绍平.液化天然气气化站中BOG压缩机运行的动态模拟与优化[J].石油与天然气化工，2012，41（1）：53－57，121.ZHANG Yi，AI Shaoping.Dynamic simulation and operation optimization of BOG compressors in LNG gasification plant[J].Chemical Engineering of Oil ＆ Gas，2012，41（1）：53－57，121.

[7]陈帅，田士章，胡文江，等.LNG储罐冷却过程中BOG回收量探讨[J].石油与天然气化工，2013，42（4）：373－377.CHEN Shuai，TIAN Shizhang，HU Wenjiang，et al.BOG recovery of LNG storage tank cooling process[J].Chemical Engineering of Oil ＆ Gas，2013，42（4）：373－377.

[8]刘浩，金国强.LNG接收站BOG气体处理工艺[J].化工设计，2006，16（1）：13－16.LIU Hao，JIN Guoqiang.Process comparison and energy saving analysis of BOG gas treatment of LNG receiving terminal[J].Chemical Engineering Design，2006，16（1）：13－16.

[9]PARK C，SONG K，LEE S，et al.Retrofit design of a boiloff gas handling process in liquefied natural gas receiving terminals[J].Energy，2012，44（1）：69－78.

[10]向丽君，全日，邱奎，等.LNG接收站BOG气体回收工艺改进与能耗分析[J].天然气化工，2012，37（3）：48－50.XIANG Lijun，QUAN Ri，QIU Kui，et al.LNG terminal BOG recovery process improvement and energy saving analysis[J].Natural Gas Chemical Industry，2012，37（3）：48－50.

[11]林玉娟，杨达，冯永利.应用SolidWorks进行U型管式换热器管板的应力分析[J].科学技术与工程，2010，10（3）：776－779.LIN Yujuan，YANG Da，FENG Yongli.Stress analysis of U－tube heat exchanger｀s tubesheet with SolidWorks[J].Science Technology and Engineering，2010，10（3）：776－779.

[12]付子航.LNG接收站蒸发气处理系统静态设计计算模型[J].天然气工业，2011，31（1）：83－85.FU Zihang.A static design calculation model of boil off gas（BOG）handling system of an LNG receiving terminal[J].Natural Gas Industry，2011，31（1）：83－85.

[13]孙宪航，陈保东，张莉莉，等.液化天然气BOG的计算方法与处理工艺[J].油气储运，2012，31（12）：931－933.SUN Xianhang，CHEN Baodong，ZHANG Lili，et al.BOG calculation method and processing technique of liquefied natural gas[J].Oil ＆ Gas Storage and Transportation，2012，31（12）：931－933.