外输工况影响下的LNG接收站工艺参数优化

石晓星

中石油京唐液化天然气有限公司, 北京 100023

0 前言

据预测,未来天然气将成为全球第二大能源。我国进口天然气量呈逐年上升趋势,其中过半为进口LNG[1-2]。沿海LNG接收站在冬季天然气保供中的战略作用尤为凸显,其能否安全稳定运行关系到下游管网的稳定。尚卯、张弛及王小尚等人[3-5]提出的利用低温LNG对进入再冷凝器前BOG降温的预冷式再冷凝工艺可以达到节约能耗的效果;仇德朋[6]在分析了流量比例设计模式的问题后提出优化措施从而提高运行稳定性。以上研究均是以单体设备为优化基础,未考虑接收站的下游运行条件。而在LNG接收站的实际运行工况中,工艺运行状态还会受到外输条件变化的影响。由于接收站调峰作用明显,外输压力、外输温度及外输量均处于不断波动状态,对站内设备运行稳定性均会造成一定的影响[7]。因此,有必要针对不同外输工况进行具体分析,优化运行工艺参数,从而达到降低能耗的作用,具有一定的经济效益。

1 LNG接收站工艺模拟

接收站具有接卸、储存和气化外输的作用[8-9]。船运LNG经卸料泵加压,通过卸料臂、卸船管线进入储罐进行储存,当有外输需要时通过低压泵加压输出,经过高压泵二次加压进入气化器气化得到天然气,计量后输出。现有LNG接收站工艺划分的关键在于BOG处理工艺的选择。根据划分依据,接收站常用工艺分为直接压缩输出工艺和再冷凝工艺。再冷凝工艺是利用一部分过冷LNG回收站内产生的BOG,而直接压缩输出工艺则直接将BOG再次增压后直接输出[10-11]。

1.1 工艺流程设计工况

模拟主要分析外输条件变化对工艺能耗的影响,通过调节运行参数用以优化工艺。因此,建立的模型主要模拟关键设备的运行状态。两种工艺低压泵加压输出的LNG分别去向再冷凝器和高压泵,其主要差别在于再冷凝器和增压压缩机的使用情况。其中,工艺参数的设置必须保证再冷凝的最低操作压力为775 kPa,以及高压泵的入口压力高于其饱和蒸汽压差。

1.2 HYSYS工艺模型

根据工艺流程，见图1～2,分别建立两种工艺模型:再冷凝工艺HYSYS模型和直接压缩输出工艺模型,模型见图3～4。可以看出,直接压缩输出工艺流程分LNG和BOG两路,分别经过不同的设备。BOG属于气体,经过压缩机、增压压缩机加压外输;LNG经过低压泵、高压泵加压,由气化器气化后外输。而再冷凝工艺则是通过再冷凝器将LNG和BOG充分混合后再进行气化得到产品。两种工艺最终进入外输管网的产品都是符合外输设计要求的气态产品[12]。

图1 再冷凝工艺流程

图2 直接压缩输出工艺流程

图3 再冷凝工艺HYSYS模型

图4 直接压缩输出工艺HYSYS模型

再冷凝工艺的处理方式较为复杂,需要再冷凝器将部分LNG和全部BOG混合冷凝,得到的LNG进入高压泵。该设计工况为最小外输,因此需要使用调节器ADJ-2调节进入再冷凝器的LNG流量,计算可以冷凝全部BOG所需的最小LNG流量,同时调节旁路流量,保证进入高压泵的液体压力大于其饱和蒸汽压[13]。直接压缩输出工艺将两种状态的物流分开处理,处理工艺较为简单,两路物流相互之间没有干扰,只需分别控制工艺参数即可。

2 外输工况对工艺的影响

2.1 工艺能耗对比

图5 工艺总能耗变化趋势对比

表1 两种工艺设备能耗及成本

设备低压泵功率/kW压缩机功率/kW增压压缩机功率/kW高压泵功率/kW耗电总计/(104 kWh·d-1)费用/(元·d-1)再冷凝工艺42.0392 265.18001 102.72027.907251 163直接压缩输出工艺42.0392 265.1802 096.580792.97412.472112 248

2.2 外输压力变化对能耗的影响

外输压力在一天内处于不断波动的状态,改变外输压力大小分析其对再冷凝工艺能耗的影响,见图6。可以看出,高压泵能耗增加明显,而气化器能耗略有下降。这是因为,外输压力对设备能耗的影响主要集中在下游距计量区较近的设备,高压泵承载了为匹配不断增加的外输压力所需提供的大部分能耗[16-17]。

图6 外输压力对设备能耗的影响

2.3 外输流量变化对能耗的影响

由于下游用户用气量具有季节性、时效性等不稳定因素,所需气化外输量峰谷差异明显,外输流量波动较大。当外输量处于高值时,宜采用再冷凝工艺以降低工艺总能耗,因此采用再冷凝工艺模型研究外输量对系统的能耗影响。外输气化量包括LNG气化和BOG液化再气化,改变外输流量大小分析其对设备能耗的影响,见图7。从图7可以看出,流量变化的影响分别反映在不同的设备上,当增加外输气体流量时,低压泵、高压泵以及气化器的能耗均有所上升。

图7 LNG流量对设备能耗的影响

3 工艺参数优化

由于外输量并没有固定值,LNG流量大小不断波动,因此可以通过调节气体这一路的工艺参数来降低能耗,包括BOG流量和压缩机出口压力。再冷凝工艺中再冷凝器的控制比较复杂,改变工艺参数的同时必须控制再冷凝的压力、液位稳定[18-19]。

图8 压缩机出口压力对系统总能耗的影响

由图7可以看出,外输流量的增加会显著增加系统能耗。采取再冷凝工艺时,如外输压力过高,则可以通过尽可能减小接收站最小外输量的方式来减小总能耗。再冷凝器的气液比是指进入再冷凝器的过冷LNG流量与需要液化的BOG流量之比,气液比的存在限制了再冷凝工艺所能实现的最小外输量[20]。由于受到再冷凝器气液比的限制,需要通过调节压缩机的出口压力来尽可能减少外输流量,见图9。从图9可以看出,BOG出口压力增加会使再冷凝器入口的BOG温度增加,液化同样流量的BOG所需要的过冷LNG量就会减少,气液比降低。也就是说,通过提高压缩机出口压力可以减少最小外输量。

图9 压缩机BOG出口压力对气液比的影响

分析BOG流量对系统能耗的影响，见图10。从图10可以看出,BOG流量增加会显著增加系统总能耗。因此,可以通过降低站内BOG的产生量或减少压缩机的处理量来降低能耗。BOG的产生通常有两种途径,一种是储罐内LNG蒸发产生,另一种是保冷管道受热产生,在保证管线保冷温度的同时降低管线的保冷量可以有效降低BOG产生量,从而达到减少BOG流量的目的。以维持储罐压力的最小压缩机处理量来选择压缩机的最低运行负荷,可以降低压缩机能耗,从而达到节能的目的[21]。

图10 BOG流量对系统能耗的影响

4 结论

2)接收站外输压力和外输量的增加会显著提高系统的总能耗。在大外输、高外输压力的工况条件下宜采用再冷凝工艺处理BOG。将压缩机出口压力范围取为730～810 kPa,此时系统总能耗处于最低范围。当采用直接压缩工艺时可以降低压缩机出口压力来降低能耗。

3)当外输压力较高,需要接收站保持最小外输的工况下,提高压缩机出口压力可以降低再冷凝器气液比,从而减小工艺所需外输量,使系统总能耗减少。

4)通过降低保冷循环量可以降低BOG产生量,根据储罐压力选择压缩机最低运行负荷,均可以减少BOG压缩机的处理量,从而减少系统总能耗。