LNG接收站再冷凝器操作稳定性影响因素分析

张德志

中海油石化工程有限公司 济南 250101

液化天然气(LNG)接收站受环境温度、压力、操作工况等条件变化产生大量的蒸发气(BOG)，蒸发气主要有直接加压外输[1]和再冷凝两种处理工艺[2][3]。直接加压外输工艺是通过压缩机将蒸发气直接加压后输送至外输天然气管网；再冷凝工艺是将接收站内产生的蒸发气经低温压缩机压缩后，在再冷凝器中与过冷态[4]的低温LNG直接接触混合后液化，液化后的天然气与低压管道中的LNG一并进入高压泵，经高压泵加压、气化器气化后输送至天然气外输管网。LNG接收站采用蒸发气再冷凝的典型工艺流程见图1。

再冷凝器作为再冷凝工艺中的核心设备之一，在整座接收站的运行中起到承上启下的作用，既可以实现蒸发气的再冷凝，又可以作为高压泵的入口缓冲罐为高压泵的平稳运行提供缓冲作用。再冷凝器操作稳定与否直接关系到整个再冷凝工艺及高压外输能否稳定运行。

图1 LNG接收站蒸发气再冷凝典型工艺流程

1 操作稳定性影响因素

再冷凝器主要的控制工艺参数为温度、压力、填料压差和液位，其中压力和液位是最主要的两个控制参数，这两个参数控制的稳定程度直接影响整个再冷凝器所在系统运行的稳定性，而且这两个工艺参数之间也会相互影响。

再冷凝器操作的稳定性受再冷凝器自身及外界的影响因素较多，影响因素总体可以分为两大类：直接影响因素和间接影响因素。

1.1 直接影响因素

直接影响因素主要是指再冷凝器本体结构及再冷凝器进、出物料的不平衡波动。

1.1.1 本体结构影响

再冷凝器的结构从功能上主要分为上、下两半部分，上部筒体直径一般小于下部直径。再冷凝器上半部分主要设置分布器、填料(如Mellapak规整填料、拉西环散装填料[5])，起到冷凝蒸发气的作用；下半部分为无内件空筒，主要起到液体缓冲的作用。再冷凝器通常有逆流操作和并流操作两种：逆流操作(指喷淋LNG与压缩BOG逆流操作)的再冷凝器在填料上部和下部分别设置液体分布器和气体分布器；并流操作(指喷淋LNG与压缩BOG并流操作)的再冷凝器仅在填料上部设置一个分布器。进入再冷凝器的LNG和蒸发气经均匀分布后在填料中接触，蒸发气冷凝成液体。

再冷凝器筒体及内件设计的合理性直接影响再冷凝器的投资费用及运行的稳定性[6]。上部筒体及内件结构尺寸的设计要考虑各种可能存在的操作工况，尤其要考虑接收站在投入运行初期及远期可能发生的蒸发气处理量变化较大的工况，筒体及内件结构设计上的不合理将直接影响再冷凝器的蒸发气冷凝效果；下部筒体尺寸如果偏小，当再冷凝器进、出料量发生瞬时较大变化时，无法起到缓冲的作用，液位过高或过低均会造成系统停车，直接影响再冷凝器所在系统的稳定运行。

1.1.2 进、出物料的不平衡波动

进、出再冷凝器物料量的瞬时变化，直接影响整个再冷凝器的物料平衡，进而影响再冷凝器的压力和液位的控制。再冷凝器正常投入运行过程中，可能发生的工况如下：

(1)蒸发气进气量变化

再冷凝器的正常进气量取决于低压BOG压缩机的运行负荷。目前国内LNG接收站绝大部分选用往复式压缩机，且压缩机一般设置25%、50%、75%、100%几个运行负荷等级。以处理能力10t/h的压缩机为例，每调整一级负荷等级，压缩机的处理量变化2.5t/h，如此大的瞬时气体负荷波动，如果LNG喷淋量不能以对应的比例进行变化，必然会对再冷凝器的操作压力产生影响[7][8]，操作压力的变化也同时影响再冷凝器液位的稳定性。因此，当接收站进行压缩机负荷调整时，应逐级调节，不应跨等级改变运行负荷。但是对于卸船工况，尤其是额定流量卸船期间，BOG产生量相对较大，需要增加压缩机的运行台数及运行负荷，此时可根据需要手动设定喷淋量，以应对再冷凝器瞬间进气量较大造成再冷凝器压力的波动。

(2)顶部喷淋LNG量变化

正常操作工况下，再冷凝器顶部喷淋LNG进料量受再冷凝器蒸发气进料量和再冷凝器顶部操作压力及出料压力的影响，LNG喷淋量和蒸发气量需设置一定的比例，即液气比[7]，液气比数值可根据蒸发气量及LNG物性进行适当调整。在液气比调整的过程中，容易造成喷淋LNG进料量的不稳定变化，再冷凝器操作压力发生较大波动，影响再冷凝器操作压力的稳定性，也会对再冷凝器液位造成一定程度的影响。

杨信一[5]根据唐山LNG接收站的运行数据，考虑BOG进气温度及再冷凝器出口压力对液气比的影响，拟合得出了液气比的经验公式，经验证，计算数据与实际运行数据偏差较小，提高了唐山LNG接收站的自动化控制水平。但经验公式的拟合与接收站的实际控制逻辑、运行情况有直接关系，对其他接收站需要根据实际情况进行调整，同时需要考虑再冷凝器操作压力对液气比的影响。

(3)高压补气量变化

再冷凝器设置高压补气管线，气源为接收站外输高压天然气。当再冷凝器操作压力下降时首先可通过降低LNG喷淋量维持操作压力，当压力无法稳定继续降低时，需要开启高压补气阀将再冷凝器的操作压力恢复至正常操作范围。当高压补气阀因故障开启或调节过程中控制不稳定，容易造成大量高压的天然气进入再冷凝器，使再冷凝器压力快速上升，影响再冷凝器操作压力的稳定性，同时因再冷凝器顶部与出料压差变大，影响再冷凝器液位的稳定性，王雪颖等[9]结合江苏LNG运行数据，提出了将再冷凝器顶部和底部压差控制在0.05MPa以下的建议。但是不同接收站再冷凝器的尺寸不同，此压差控制值应根据实际再冷凝器尺寸进行设定。同时需要对内件(液体分布器、填料)上、下部的压差进行监控，以防内件损坏，影响再冷凝器的正常运行。

(4)底部LNG进料量变化

再冷凝器除设置顶部喷淋LNG管线外，还在底部设置旁路LNG管线，部分LNG接收站再冷凝还同时设置底部筒体进料管线用于调节液位。旁路LNG管线与再冷凝器底部出料管线相连，旁路管线流量可根据再冷凝器液位及/或再冷凝器出料压力进行调节。再冷凝器各LNG管线上调节阀控制的稳定性均会直接影响再冷凝器进料量的稳定性，进而影响再冷凝器液位的稳定性。

(5)顶部排气量变化

再冷凝器顶部设置排气管线及调节阀，当再冷凝器操作压力较高时，通过控制顶部排气阀开度，将气体排放至BOG系统或火炬系统。调节阀故障开启或控制过程中如果开度过大，会使再冷凝器泄压过快，压力下降速率较快，影响再冷凝器操作压力的稳定性。

(6)安全阀故障开启

再冷凝器作为压力容器需要配置安全阀，且一般设置两套(一开一备)，安全阀若设定不当或故障工况下发生漏气，会造成再冷凝器持续泄压排气，影响操作压力的稳定性。

(7)高压泵启/停操作

LNG接收站需要根据外输天然气量的变化要求适时调整高压泵及气化器的投用数量及运行负荷，高压泵的快速启动或关停操作会造成再冷凝器出料量的较大波动，容易造成再冷凝器液位及出料压力快速波动，影响液位的稳定性。

李昭新等[8]介绍了上海LNG的设计思路，即将高压泵出口阀门设计成可调开度的球阀，启/停高压泵时，可以缓慢调整高压泵流量，实现再冷凝器出口流量的平稳变化，减小对再冷凝器液位的波动影响。胡泽安等[10]参照某LNG接收站运行数据，通过仿真模拟，研究了不同外输量下再冷凝器临界液位数据；邓励强等[11]利用中山大学-BP液化天然气仿真平台对某接收站再冷凝器系统进行动态仿真模拟，模拟泵组启/停操作对再冷凝器稳定控制的影响，根据模拟结果给出了低压泵和高压泵启/停极限间隔时间要求，为生产运行提供了指导。但是，对于不同的接收站，其总体布置不同，高、低压泵之间的相对距离不同，天然气外输需求也不尽相同，因此，应根据接收站各自的运行情况，不断进行经验摸索，找到适合的高压泵操作方法。

(8)高压泵回流

为维持高压泵的稳定运行，设置高压回流管线，回流管线一般设置两个去向：再冷凝器和LNG储罐。当高压、较高温度的LNG直接回流至再冷凝器时，LNG会发生闪蒸，产生大量的蒸发气，造成再冷凝器压力迅速升高，影响再冷凝器操作的稳定性。因此，建议尽量将高压泵回流引至储罐，因储罐及BOG系统空间较大，可以有效缓冲闪蒸气，避免对再冷凝器压力造成直接的影响。

(9)高压泵入口过滤器堵塞

接收站冬季的外输量相对较大，接卸船频率较高，当接卸密度较高的LNG时，LNG中的重烃如丁烷、戊烷容易在高压泵入口过滤器处凝结发生堵塞现象[9]，直接影响再冷凝器的出料量及高压泵入口压力的稳定性[12][13]，影响再冷凝器液位稳定性，进而影响高压外输气的流量，如果不能及时排查处理，高压泵入口压力过低可能会造成高压泵汽蚀损坏。

(10)高压泵排气

LNG接收站高压泵的排气有两个常规去处：LNG储罐和再冷凝器。高压泵排气进再冷凝器的操作模式，相当于再冷凝器与高压泵泵筒形成连通器，高压泵排气的稳定性直接影响到再冷凝器压力的波动。因此，在系统设计过程中应考虑适当的余量，避免因排气支管及总管尺寸受限产生气阻，影响气体正常排出；运行过程中应尽量控制，使高压泵入口LNG有相对稳定的压力和温度，尽量避免高压泵排气有较大的波动。

1.2 间接影响因素

间接影响因素主要包括接收站操作模式及气象条件等因素，如LNG装/卸船、槽车装车、大气压变化等。这些因素不会对再冷凝器的控制参数产生直接影响，但会间接通过影响接收站蒸发气的处理量、蒸发气温度、低压LNG管线压力等参数对再冷凝器的温度及液位控制产生间接的影响。

1.2.1 LNG卸船

LNG接收站一般建设在海边，通过LNG货船及码头卸料臂将LNG输入至站内储罐储存，根据接收站LNG处理规模的不同，码头数量及卸船周期也不同。非卸船期间，码头卸料臂及连接管线为常温状态，卸船开始阶段，需要对常温态的卸料臂及管线进行预冷，预冷期间会产生大量高温蒸发气;同样在额定流量卸船期间，储罐内也会产生大量的蒸发气，进而造成接收站BOG系统压力和温度的变化[13]。因此，需要根据储罐压力设定值要求适时调整低压BOG压缩机的运行数量及负荷，压缩机运行数量和负荷的变化会对再冷凝器操作的稳定性产生影响，具体分析见上文第1.1.2节。

陈国霞[14]结合青岛LNG接收站的运行数据，分析了卸船期间再冷凝器进气温度、进气量变化对再冷凝器运行稳定性的影响，并提出了通过调节再冷凝器BOG入口温度的方式控制再冷凝器液位稳定的措施，即采用高压泵出口LNG与压缩BOG换热的方式，通过控制高压LNG的流量控制进入再冷凝器的压缩BOG温度。

1.2.2 LNG装船

目前国内LNG接收站大多具备返装船功能，可以实现LNG小船外输，且与LNG卸船操作共用码头和卸料臂。返装船操作模式下也同样存在卸料臂预冷操作，预冷操作对LNG接收站BOG系统稳定和压力的影响同上述LNG卸船操作工况。另外，LNG装船期间，为维持船仓压力的稳定，需要将船内产生的蒸发气通过返回气管线输送至接收站内，同样对LNG接收站蒸发器的处理量产生影响，进而间接影响再冷凝器操作的稳定性。

1.2.3 槽车装车

LNG接收站除具备高压气态外输功能外，还具备槽车液态外输功能。当槽车装车量变化较大时，LNG低压泵的运行数量也需要进行调整，低压泵的启/停、槽车装车速率的变化均会对低压LNG总管操作压力的稳定性产生影响，管线压力的波动影响LNG的过冷度[15]及再冷凝器LNG进料管线调节阀控制的稳定性，进而影响再冷凝器顶部和底部LNG进料量，影响再冷凝器操作压力和液位的稳定性。王文凯[15]和刘迪等[16]均利用ASPEN HYSYS模拟软件对LNG低压泵出口压力变化时再冷凝所需喷淋量进行了模拟，模拟结果显示：随着压力的变化，所需的喷淋LNG量也会发生变化。

槽车装车可根据操作需要分为返气和不返气两种操作模式。返气操作模式与上述LNG装船模式相同，槽车罐与LNG接收站BOG系统通过返气臂相连以平衡槽车压力，车内产生的蒸发气返回至LNG接收站，蒸发气量变化对再冷凝器操作稳定性产生的间接影响同上述LNG装船操作。

1.2.4 大气压变化

大气压升高或降低均会对储罐的操作压力产生影响，影响储罐的蒸发量，间接影响蒸发气的处理量，进而间接影响再冷凝器操作的稳定性。

2 结语

本文对影响LNG接收站再冷凝器操作稳定性的因素进行了分析，将影响因素分为直接因素和间接因素两大类，针对不同的影响因素，本文给出了建议的应对措施。再冷凝器作为LNG接收站中的核心设备之一，日常操作过程中一定要结合接收站实际运行工况变化，及时调整控制措施并加强运营监督，保证再冷凝器的运行稳定性，进而有效保障LNG接收站的运行，为下游天然气用户提供可靠的能源保障。