LNG接收站蒸发气处理工艺研究

黄毅雄

摘      要： 蒸发气处理系统是LNG接收站的核心工艺，是接收站安全运行的基础。介绍了LNG接收站常用的两种蒸发气处理工艺：直接压缩工艺和再冷凝液化工艺，对两种工艺的优缺点进行了对比分析。利用软件建立了采用不同蒸发气处理工艺的LNG接收站模型，对比了直接压缩工艺和再冷凝液化工艺的单位LNG能耗量，同时研究了不同外输压力、不同外输量下单位LNG的能耗量。

关  键  词：LNG接收站； 蒸发气处理工艺； 直接压缩工艺； 再冷凝液化工艺

中图分类号：TQ026     文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（2023）11-1620-04

2022年我国进口LNG量6 344.2万t，约占进口天然气总量的58%，进口LNG现已成为我国引进油气的重要战略通道之一，也成为保障我国能源安全的重要举措。据统计，截止2012年底，国内已投产的LNG接收站达到26座，年接收能力总计近

13 107万t。未来，国内LNG需求量仍将不断增长，中石化、中海油和中石油等企业均在积极推进现有LNG接收站的扩建及新项目的布局。目前，国内LNG接收站主要有3种类型^[1]：气源型接收站、调峰型接收站和卫星型接收站，接收站主要包括卸船系统、储存系统、LNG气化外输系统和蒸发气处理系统等，蒸发气处理直接影响LNG接收站的安全性和经济性，是LNG接收站的关键工艺。

1  蒸发气形成的原因

LNG接收站在卸船、外输、零外输、装车等运行工况下，不可避免地会产生大量蒸发气。蒸发气的产生是多种原因共同作用的结果^[2-4]，主要原因包括以下几点：

1.1  热泄漏

LNG在常压状态下的临界温度为-162 ℃，与环境温度差距较大，在内外巨大温差的作用下，LNG储罐、工艺管道等虽设置保温措施，但仍不能做到绝对的热绝缘，吸收的热量使部分LNG气化。

1.2  工艺设备输出机械能

LNG接收站内低压输送泵和高压输出泵等动力设备运行过程中，会有部分机械能转换为热能，该部分热能传递给LNG后，导致部分LNG气化。

1.3  体积置换

LNG接收站内的体积置换主要包括卸船时LNG储罐内气相空间的置换、外输时LNG储罐内液相空间的负置换等。

卸船时，LNG储罐的气相空间不断减小，导致蒸发气的挥发，同时一部分蒸发气经气相平衡管线返回船舱内，实现压力平衡。外输时，导致LNG储罐内的液面下降，需要蒸发气补充LNG外输留下的空间。

1.4  卸料闪蒸

卸船时，LNG储罐的罐壁随着液位的升高不断被冷却、不同密度的LNG混合以及相平衡状态不同的LNG进入储罐均会引起LNG的闪蒸，产生大量蒸发气。

1.5  大气压力的变化

如果LNG储罐内的操作压力接近最大操作压力时，外界大气压的突然下降会打破LNG储罐内的压力平衡，导致储罐内LNG的过热蒸发。

2  蒸发气的处理工艺

LNG接收站产生的大量蒸发气处理不当会引起储罐等设备的超压而发生安全事故，直接外排燃烧会引起经济损失和环境污染。为了维持LNG接收站安全平稳运行，需要经济而有效地回收LNG接收站产生的蒸发气。

目前，LNG接收站内常用的蒸发气处理工艺有2种：直接压缩工艺和再冷凝液化工艺^[5-7]。

2.1  直接压缩工艺

蒸发气直接压缩工艺是指LNG接收站内产生的蒸发气经压缩机增压后直接外输至下游，可分为低压压缩工艺和高压压缩工艺。直接压缩工艺的主要设备为BOG压缩机。

低压压缩工艺是指蒸发气经BOG压缩机压缩后进入燃料气系统，供附近工业用户使用或发电。韩国KOGAS的Pyeongtaek接收站在初始运行时，采用低压压缩工艺回收蒸发气，将蒸发气压缩至

1 MPa后外输至邻近的热电站作為燃料。

高压压缩工艺是指蒸发气经BOG压缩机压缩至天然气外输管道的运行压力，与气化后的LNG一起进入天然气外输管网供下游使用。

2.2  再冷凝液化工艺

再冷凝液化工艺是LNG接收站内产生的蒸发气与LNG低压输送泵后的过冷LNG混合后进入高压输送泵，经气化器气化后外输至天然气管道^[8]。

再冷凝液化工艺的主要设备为BOG再冷凝器、BOG压缩机和BOG压缩机调温器（防止BOG压缩机进出口温度过高）等。再冷凝器是再冷凝液化工艺的核心设备，其压力和液位控制直接影响该工艺能否平稳运行^[9-10]。目前，典型LNG接收站再冷凝器的运行压力基本控制在0.6～1.0 MPa，主要通过控制过冷LNG的流量来实现压力控制。

再冷凝液化的基本原理是利用LNG加压后的冷量将接收站内产生的蒸发气冷凝为液态^[11-12]。LNG储罐的储存压力略高于或者等于饱和蒸气压（A点，图1），经LNG低压输送泵（罐内潜液泵）增压后，LNG处于过冷状态（D点，图1），可以在保持液态的同时吸收一定的热量。正是利用这个过冷状态吸收蒸发气冷凝至液体所需的热量（E点，图1），蒸发气和过冷LNG分别从再冷凝器的顶部进入，在填料层中充分接触，实现气体和液体的传热与传质，进而实现蒸发气相态的转变。

3  蒸发气处理工艺的能耗分析

以某接收站为例，利用软件分别建立了采用直接压缩工艺和再冷凝液化工艺的LNG接收站稳态模型^[13-17]，研究不同蒸发气处理工艺对气化单位LNG所需能耗的影响。

本研究采用单因素分析法，每次只改变一个控制变量，其他参数为定值，进而分析控制变量对单位LNG能耗的影响。LNG接收站的动力能耗主要为LNG低压输送泵、LNG高压输出泵和BOG压缩机。以气化单位LNG的能耗值为目标函数，选取外输压力和外输气量作为控制变量。

3.1  外输压力对单位LNG能耗值的影响

图2为两种蒸发气处理工艺下单位LNG能耗值与外输压力的关系曲线。从图中可以看出，随外输管网压力的升高，再冷凝液化工艺的单位LNG能耗值呈线性增加，直接压缩工艺的单位LNG能耗值呈对数曲线增加。当外输管网压力在0.8～10 MPa之间变化时，再冷凝液化工艺的单位LNG能耗值均小于直接压缩工艺的单位LNG能耗值，再冷凝液化工艺比直接压缩工艺单位LNG能耗的节省量由11.88%增至34.16%。

3.2  外输量对单位LNG能耗值的影响

图3为两种蒸发气处理工艺下单位LNG能耗值与外输量的关系曲线。从图中可以看出，随着外输量的增加，再冷凝液化工艺和直接压缩工艺的单位LNG能耗值呈指数趋势减小，说明外输气量越大，单位LNG能耗值越小。在满足最小外输量的前提下，再冷凝液化工艺的单位LNG能耗值均小于直接压缩工艺的单位LNG能耗值。

通过不同外输压力和外输量下的单位LNG能耗分析，再冷凝液化工艺比直接压缩工艺更节能。但当外输量较低或者零外输工况时，会导致蒸发气无法全部液化而排放至火炬燃烧，导致能量浪费。因此，采用再冷凝液化工艺时，LNG外输量必须大于最小外输量，保证接收站产生的全部蒸发气被冷凝为液态。

4  蒸发气处理工艺的选择

两种蒸发气处理工艺优缺点对比表见表1。

气源型接收站产生的蒸发气量非常大，尤其是在卸船工况时。一般气源型接收站的外输压力为5～9 MPa，在此区间内，模拟结果表明采用再冷凝液化工艺外输1吨LNG可以节约8.5 kW·h的能耗。从能耗角度分析，气源型接收站采用再冷凝液化工艺更经济合理。

调峰型接收站的外输压力一般为2～3 MPa，卫星型接收站的外输压力一般为0.1～0.8 MPa，两种蒸发气处理工艺在相对应的外输压力范围内能耗相差较小。同时，调峰型接收站和卫星型接收站距离下游用户距离较近，一般为了适应用户用气量的波动建设，无法为蒸发气的再冷凝提供稳定的外输LNG，因此采用流程简单的直接压缩工艺更为合理。

5  结论

本文对两种蒸发气处理工艺进行了模拟分析，通过研究得出以下结论：

1）外输压力越大，单位LNG能耗值越大；外输气量越大，单位LNG能耗值越小。

2）单位LNG再冷凝液化工艺的单位LNG能耗值比直接压缩工艺约低8.5 kW·h。

3）直接压缩工艺适用于外输压力低、外输量波动大的调峰型接收站和卫星型接收站。再冷凝液化工艺适用于外输压力高、外输量大的气源型接收站。

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Study on Evaporation Gas Treatment

Technology of LNG Receiving Station

HUANG Yi-xiong

（Hebei Petroleum University of Technology， Chengde Hebei 067000， China）

Abstract：  Evaporative gas treatment system is the core technology of LNG receiving station and the foundation of safe operation of the receiving station. In this paper， two kinds of evaporative gas treatment processes， direct compression process and recondensing liquefaction process， were introduced， and their advantages and disadvantages were compared. In this paper， a model of LNG receiving station with different evaporation gas treatment processes was established by software， and the energy consumption per unit of LNG of direct compression process and recondensing liquefaction process was compared. At the same time， the energy consumption per unit of LNG under different external transport pressure and different external transport volume was studied.

Key words： LNG receiving station; Evaporative gas treatment process; Direct compression process; Recondensing liquefaction process