LNG接收站BOG多阶压缩再液化工艺优化分析_李亚军

　第６４卷　第３期 化　工　学　报

Ｖ

ｏｌ．６４　Ｎｏ．３　２０１３年３月 ＣＩＥＳＣ　Ｊｏｕｒｎａｌ Ｍａｒｃｈ　２

０１３檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐

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研究论文

ＬＮＧ接收站ＢＯＧ多阶压缩再液化

工艺优化分析

李亚军，陈　蒙

（华南理工大学强化传热与过程节能教育部重点实验室，广东广州５１０６４１

）摘要：ＬＮＧ接收站蒸发气体（ＢＯＧ）处理量和液化天然气（ＬＮＧ）外输量的波动对ＢＯＧ再冷凝工艺提出低能

耗、大弹性、易操作的要求。以系统总能耗最小为目标函数，对建立的ＢＯＧ多阶压缩再液化工艺模型中压缩阶数和阶压比等参数进行了优化，并分析了该工艺模型在工况波动影响系统能耗时的各阶压比的抗干扰性及系统的操作弹性。结果表明：多阶压缩工艺系统阶数越多，系统的总压比、总能耗越小，ＢＯＧ处理能力也越大；但随着系统阶数的增加，节能效果降低。多阶再液化工艺中二阶系统比现有一阶系统的操作弹性增大１２％，且在ＬＮＧ与ＢＯＧ质量比≤１０时，二阶系统的ＢＯＧ压缩功耗可节约３３％以上。针对一般气源型接收站工况，二阶系统是节能且操作弹性大的ＢＯＧ处理工艺。关键词：ＬＮＧ接收站；蒸发气体；再液化；节能；操作弹性ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０４３８－１１５７．２０１３．０３．０２８中图分类号：ＴＱ　

０２５．５ 文献标志码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２０１３）０３－０９８６－０７

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ－ｂａｓｅｄ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＢＯＧ　ｍｕｌｔｉ－ｓｔａｇｅ　ｃｏｍｐ

ｒｅｓｓｉｏｎａｎｄ　ｒｅｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｔ　ＬＮＧ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　

ｔｅｒｍｉｎａｌＬＩ　Ｙａｊｕｎ，ＣＨＥＮ　Ｍｅｎｇ

（Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｈｅａｔ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　

ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　

ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４１，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ＢＯＧ（ｂｏｉｌ－ｏｆｆ　ｇａｓ）ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ＬＮＧ　ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ　ｌｏａｄ　ｆｌｕｃｔｕａｔｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ　

ａｎｄ　ｓｈａｒｐｌｙａｔ　ＬＮＧ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｔｅｒｍｉｎａｌ，ＢＯＧ　ｒｅｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｐｅｒａｔｅｓ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ａｎｄｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ－ｂａｓｅｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＢＯＧ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　

ｓｙｓｔｅｍ，ａ　ＢＯＧ　ｍｕｌｔｉ－ｓｔａｇｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｌｏｗｉｎｇ　ｅｎｅｒｇｙ－ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ａｓｗｅｌｌ　ａｓ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＢＯＧ　ｒｅｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｓｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｓｉｎｇｌｅ　ｓｔａｇｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ｗｅｒｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｂｙ　ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇ　

ｔｈｅ　ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆｔｏｔａｌ　ｅｎｅｒｇｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｆｏｒ　ａ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ＢＯＧ　ａｎｄ　ＬＮＧ　ｌｏａｄ，ｔｈｅ　ｍｏｒｅ　ｔｈｅ　ｓｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ－ｓｔａｇｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｌｅｓｓ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　

ｃｏｎｓｕｍｅｄ（ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｌｙ，ａｓｍａｌｌｅｒ　ｔｏｔａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　ａ　ｌａｒｇｅｒ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ＢＯＧ）；ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇｅｆｆｅｃｔ　ｂｅｃａｍｅ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｉｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ａｓ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔａｇｅｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｃｏｍｐ

ａｒｅｄ　ｗｉｔｈｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｏｎｅ－ｓｔａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｗｏ－ｓｔａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　１２％，ａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｗａｓ　ｓａｖｅｄ　ｂｙ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　３３％ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｍａｓｓ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ＬＮＧ　ａｎｄ　ＢＯＧ　ｗａｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ１０．Ｔｗｏ－ｓｔａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ　ｆｏｒ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ＢＯＧ　ａｔ　ＬＮＧ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　

ｔｅｒｍｉｎａｌ．Ｋｅｙ　

ｗｏｒｄｓ：ＬＮＧ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｔｅｒｍｉｎａｌ；ＢＯＧ；ｒｅｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ；ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ；ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ２

０１２－０５－３０收到初稿，２０１２－０７－１６收到修改稿。联系人及第一作者：李亚军（１９６９—）

，女，副教授。　

Ｒｅｃｅｉｖｅｄ　

ｄａｔｅ：２０１２－０５－３０．Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　

ａｕｔｈｏｒ：ＬＩ　Ｙａｊｕｎ，ｌｉｙａｊｕｎ＠ｓｃｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ　

引　言

随着石油资源短缺及煤炭对环境造成的巨大压力，增大天然气在一次能源中的比例便成为优化我国能源结构的首要途径［１］。与管道天然气相比，ＬＮＧ有利于远距离海洋运输。近年来，我国ＬＮＧ接收站建设发展迅猛［２］。由于ＬＮＧ在常压下温度低至－１６０．０℃，以及其特殊的运输、储存条件，尤其在ＬＮＧ船卸船时ＬＮＧ储罐体积和压力的变化、ＬＮＧ储罐和管线漏热等，将不可避免地产生大量的蒸发气体（ＢＯＧ）。为维持罐内压力稳定，保障安全，ＢＯＧ必须排出［３］。以现有３个１６万平方米储罐的某接收站为例，每天非卸料工况下产生的ＢＯＧ量达１８２ｔ；而在卸料工况下，ＢＯＧ产生量将是非卸料工况下的几倍。这些ＢＯＧ资源是相当可观的，若不合理地回收利用，会造成极大的资源浪费。对于气源型接收站，由于有持续的外输ＬＮＧ作冷源及外输管网压力高达７～９ＭＰａ，采用直接压缩回收ＢＯＧ能耗较高，故普遍采用再液化工艺以节约能耗［４－５］。ＢＯＧ再液化回收中，蓄冷式再液化工艺能够解决ＬＮＧ外输负荷昼夜波动时对ＢＯＧ再冷凝造成的困难，该工艺投资较高，工艺操作上也有一定难度［６］。带预冷器的ＢＯＧ再冷凝工艺可节约ＢＯＧ压缩功３０％以上，且可改善ＬＮＧ下游用户需求峰谷波动时的操作弹性，有较好的调峰功能，该工艺在实践应用上还有待证实［７－８］。为了降低系统能耗和完全回收ＢＯＧ，Ｌｉｕ等［９］提出了多阶压缩再液化工艺。由于下游天然气

用户的峰谷负荷波动频繁，导致不同时段和季节的ＬＮＧ外输量变化相当大，且ＬＮＧ接收站在卸船操作时将产生几倍于非卸船时的ＢＯＧ。针对ＬＮＧ外输量及ＢＯＧ产生量波动大等问题，多阶压缩再液化工艺的适应性和操作性仍需研究。

本文基于流程模拟，以系统总能耗最低为目标函数，对ＢＯＧ多阶压缩再液化工艺模型进行分析，通过优化多阶再液化工艺正常操作工况下阶数及各阶压缩机压比，研究系统对ＢＯＧ产生量及ＬＮＧ外输量波动的适应性，以达到降低工艺能耗，改善工艺操作弹性的目的。

１　ＢＯＧ多阶压缩再液化工艺

ＬＮＧ经低温运输船由产地运往接收站，接收站流程如图１所示。船上ＬＮＧ经由卸料管线卸载到接收站ＬＮＧ储罐，卸船过程中产生的ＢＯＧ分成两股，一股回流ＬＮＧ船置换卸出的ＬＮＧ的体积；另一股与储罐漏热产生的ＢＯＧ一起经缓冲罐后进入ＢＯＧ压缩机，增压后的ＢＯＧ进入再冷凝器与升压到相同压力的外输ＬＮＧ混合，ＢＯＧ被过冷的ＬＮＧ所携带的冷量冷凝后与旁路的ＬＮＧ混合进入高压泵，再经过海水汽化器气化后输送至高压管网［１０］。

对现有ＢＯＧ处理流程中ＬＮＧ和ＢＯＧ的压缩过程进行热力学分析，图２为ＢＯＧ再液化工艺中ＢＯＧ与ＬＮＧ的压力比焓（Ｐ－Ｈ）图。图中纵坐标为对数坐标，ＡＣ线为ＬＮＧ升压过程，ＢＥ线为ＢＯＧ压缩过程，经再冷凝器被Ｃ点ＬＮＧ

再液化到

图１　ＬＮＧ接收站流程

Ｆｉｇ．１　ＬＮＧ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｒｅｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ

·

７

８

９

·

　第３期 李亚军等：ＬＮＧ接收站ＢＯＧ多阶压缩再液化工艺优化分析

图２　现有工艺压力比焓图Ｆｉｇ．２　Ｐ－Ｈｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｓｙ

ｓｔｅｍ　

点Ｆ，ＦＧ线为高压泵升压过程，ＧＰ线为ＬＮＧ被气化后送入高压管网，半椭圆形线的左半部分为泡点线、右半部分为露点线。从图２可以看出，在同样压比大小时，压缩ＢＯＧ的比焓变化要比压缩ＬＮＧ大很多，且ＢＯＧ压缩机效率比ＬＮＧ泵低，从而导致ＢＯＧ压缩机能耗比ＬＮＧ泵大很多。所以在处理ＢＯＧ时，尽快将ＢＯＧ液化为ＬＮＧ后，再用ＬＮＧ泵升压，即可节省系统能耗。图３所示的ＢＯＧ多阶压缩再液化工艺是将ＢＯＧ分阶压缩并逐阶与加压的ＬＮＧ进行混合换热。该工艺中每阶都由压缩机、泵和再冷凝器组成，将ＢＯＧ和ＬＮＧ加压到相同压力后，在再冷凝器中直接混合换热将部分ＢＯＧ再液化，直至ＢＯＧ全部液化再升压至外输管网压力。

对于多阶压缩工艺，由于ＢＯＧ由气态不断地转化成液态，进入压缩机的ＢＯＧ量逐阶减少，就实现了尽快将ＢＯＧ液化为ＬＮＧ，所以压缩过程节省大量功耗，且多阶压缩过程中由于ＢＯＧ逐阶与ＬＮＧ换热，压缩机入口ＢＯＧ温度变低，也相应减少了压缩功耗，而ＬＮＧ泵和海水泵能耗变化不大，

故系统总能耗降低。

２　ＢＯＧ多阶压缩再液化工艺模型分析

２．１　多阶压缩再液化数学模型

为找到在正常操作工况下最优的多阶再液化工艺阶数ｎ及各阶压缩机压比ｒｉ，使系统总能耗最低，并分析工况波动时系统的适应性和操作弹性，建立了以系统总能耗最小为目标函数的ＢＯＧ多阶压缩再液化工艺数学模型，如式（１

）所示。Ｊ＝ｍｉｎｒｉ，ｎ

Ｅｔｏｔａｌ

（１

）式中　ｒｉ为第ｉ阶压缩机压比，ｉ＝１，２，…，ｎ；ｎ为系统压缩再液化阶数；Ｅｔｏｔａｌ为系统总能耗。

系统总能耗为所有阶压缩机能耗（

∑ｎ

ｉ＝１

Ｗ

ｃ，ｉ

）、

所有阶泵能耗（

∑ｎ

ｉ＝１

Ｗ

ｐ

，ｉ）、高压泵能耗（Ｗｐ，Ｈ）

及汽化器能耗（Ｗｅ）之和，如式（２

）所示。Ｅｔｏｔａｌ＝

∑ｎ

ｉ＝１

（

Ｗｃ，ｉ

＋Ｗｐ，ｉ）＋Ｗｐ，Ｈ＋Ｗｅ（２

）各压缩机（泵）能耗等于对应压缩机（泵）出入口物流比焓的变化大小（ｑ）乘以对应的物流流

量（Ｆ），除以压缩机（泵）效率（η），如式（３）～式（６

）所示。Ｗｃ，ｉ＝ｑｃ，ｉ（ｒ１，…，ｒｉ）Ｆｃ，ｉ（ｒ１，…，ｒｉ）／ηｃ，ｉ（３）Ｗｐ，ｉ＝ｑｐ，ｉ（ｒ１，…，ｒｉ）Ｆｐ，ｉ（ｒ１，…，ｒｉ）／ηｐ，ｉ（４）Ｗｐ，Ｈ＝ｑｐ，Ｈ（ｒ１，…，ｒｉ，ｒｐ，Ｈ）Ｆｐ，Ｈ／η

ｐ，Ｈ（５）Ｗｅ＝ｑｐ，ｅＦｐ，ｅ／η

ｐ，ｅ（６

）式中　ｑｃ，ｉ、ｑｐ，ｉ、ｑｐ，Ｈ、ｑｐ

，ｅ分别为第ｉ阶压缩机、第ｉ阶泵、高压泵、海水泵的比焓变化值；Ｆｃ，ｉ、

Ｆｐ，ｉ、Ｆｐ，Ｈ、Ｆｐ，ｅ分别为第ｉ阶压缩机、第ｉ阶泵、高压泵、海水泵的质量流量值；ηｃ，ｉ、ηｃ，ｉ、ηｐ，Ｈ、η

ｐ，ｅ分别为第ｉ阶压缩机、第ｉ阶泵、高压泵、海水泵的效率

。

图３　ＢＯＧ多阶压缩再液化流程

Ｆｉｇ．３　Ｓｋｅｔｃｈ　ｏｆ　ＢＯＧ　ｍｕｌｔｉ－ｓｔａｇｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ　ｐ

ｒｏｃｅｓｓ·

８８９·化　工　学　报 第６

４卷　

该数学模型约束条件为：

（１）系统满足将操作工况中ＢＯＧ全部液化；（２）单阶压缩机压比在１．５～３．５之间，即１．５≤ｒｉ≤

３．５，ｉ＝１，…，ｎ；（３

）系统内物料守恒、能量守恒及相平衡。当为一阶系统时，工艺还原为现有再液化系统，ＢＯＧ压缩过程升压大，因压缩机压比不宜超过３．５，实际为多级串联压缩，由于各级压缩机直接串联，各级流量不发生变化，则使各级压比相同，即为最低能耗。当为多阶系统时，各阶ＢＯＧ压缩机的流量逐阶减少，一方面，由前面分析可知，为使ＢＯＧ尽量多、尽量快地转化为ＬＮＧ，达到降低总能耗的目的，应使低阶ＢＯＧ压缩机的压比尽量大，即ｒ１＞ｒ２＞…＞ｒｎ；另一方面，由于各阶压缩机流量逐阶减少，要使压缩机能耗降低，由式（３）则应ｒ１＜ｒ２＜…＜ｒｎ，所以压比分配在中间某点有一组最优化的值，可使总能耗最低。２．２　多阶压缩再液化工艺优化

根据上述工艺模型，采用化工流程模拟软件ＰＲＯ－Ⅱ分别对一、二、三阶压缩再液化工艺系统模拟优化。模拟实际工况条件为ＢＯＧ处理量１８．７ｔ·ｈ－１，温度－１４０℃左右，压力０．１２５ＭＰａ

，ＬＮＧ外输量为１００ｔ·ｈ－１。ＢＯＧ经压缩机加压后送入再冷凝器与升压到相同压力的外输ＬＮＧ换

热，ＢＯＧ全部再液化，送入高压泵升压到９ＭＰａ

，经汽化器与海水换热气化，然后将７℃、８．７ＭＰａ

的天然气外输到燃气管网［

１１］

。一阶系统时，在ＢＯＧ完全液化和能耗最低时，ＢＯＧ的压缩实际为３级压缩机串联压缩，压比分别为２．１、２．１、２．１，总能耗为Ｅｔｏｔａｌ＝

５６４９．６ｋＷ。

二阶系统时，因ｒ１、ｒ２在１．５～３．５之间变化，故有多组压比可满足将ＢＯＧ刚好全部液化，如表１所示。对各组压比模拟，随着ｒ１的增大，

ｒ２逐渐减小而保证ＢＯＧ刚好全部液化，求出系统总能耗，并作Ｅｔｏｔａｌ－ｒ１图，如图４所示，可知二阶系统最低总能耗点Ｊ点各工艺参数为：ｒ１＝２

．６，ｒ２＝２．９３，Ｅｔｏｔａｌ＝

４７８０．１ｋＷ。三阶系统时，分别作ｒ１在１

．５～３．２之间变化的Ｅｔｏｔａｌ－ｒ２图，求出最优的一组压比值，如图５所示。当ｒ１＝１．５时，通过变化ｒ２＝１．５～３．２，可得一条ｒ１＝１．５的Ｅｔｏｔａｌ－ｒ２线，其中保证Ｂ

ＯＧ三阶后全部液化，且要控制ｒ３在１．５～３．５之间，则ｒ３自

表１　二级压缩冷凝工艺系统压比组

Ｔａｂｌｅ　１　Ｐａｉｒｓ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｔｗｏ－ｓｔａｇｅ　ｓｙ

ｓｔｅｍＴｅａｍ　ｒ１

ｒ２

１　２．２　３．４７２　２．４　３．１７３　２．５　３．０４４　２．６　２．９３５　２．７　２．８２６　２．８　２．７２７　３　２．５４８　３．２　２．３９９　３．４　２．２６１０　

３．５　

２．２

０

图４　二阶系统Ｅｔｏｔａｌ－ｒ１图

Ｆｉｇ．４　Ｅｔｏｔａｌ－ｒ１ｃ

ｈａｒｔ　ｏｆ　ｔｗｏ－ｓｔａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ

图５　三阶系统Ｅｔｏｔａｌ－ｒ２图

Ｆｉｇ．５　Ｅｔｏｔａｌ－ｒ２ｃ

ｈａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ－ｓｔａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ　

动确定。同理，再变化ｒ１取值（

１．７，１．９，２．１，…，３．１，３．２），则得到一系列的Ｅｔｏｔａｌ－ｒ２图线，随着ｒ２的变化，图中每条线都有一个最小能耗点，所有线中的最小能耗点，即为三阶系统最低总能耗点。三阶系统最低总能耗点Ｊ点各工艺参数为：ｒ１＝

１．９，ｒ２＝２．１，ｒ３＝１．７９，Ｅｔｏｔａｌ＝

４６３７．９ｋＷ。·

９８９·　第３期 李亚军等：Ｌ

ＮＧ接收站ＢＯＧ多阶压缩再液化工艺优化分析

表２　系统阶数优化结果

Ｔａｂｌｅ　２　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔａｇ

ｅＳｙｓｔｅｍ　ｓｔａｇｅ　ｒ１

ｒ２

ｒ３

Ｔｏｔａｌ　ｃｏｍｐ

ｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ（

∑ｎ

ｉ＝１

Ｗｐ，

ｉ＋Ｗｐ，Ｈ

）／ｋＷ

∑ｎ

ｉ＝１

Ｗｃ，

ｉ／ｋＷ　Ｗｅ／ｋＷ　Ｅｔｏｔａｌ／ｋＷｎ＝１　２．１×２．１×２．１

——９．３　３５２１．９　１６９１．３　４３６．４　５６４９．６ｎ＝２　２．６　２．９

—

７．５　３３１８．６　１０９７．８　３６３．７　４７８０．１ｎ＝３　

１．９　

２．１　１．８　

７．２　

３３４４．４　

９２６．５　

３６７．０　

４６３７．９

各阶系统的优化结果列于表２。由表中数据

知，总压比随着系统阶数增大而减小，因此系统总能耗也随着系统阶数增大而降低。一阶到二阶，总能耗降低８６９．５ｋＷ（１５．４％）

；二阶到三阶，总能耗降低１４２．２ｋＷ（３．０％），随着系统阶数增大，节能效果降低。由于ＬＮＧ气化进管网压力较大，所有泵功耗占总能耗的比例较大，虽然压缩机功耗只占总能耗１／４，但系统阶数增大时总能耗的降低主要来自压缩机功耗的降低。一阶到二阶系统，压缩机功耗降低５９３．５ｋＷ，降低了３５．１％；二阶到三阶系统，压缩机功耗降低１７１．３ｋＷ，降低

了１５．６％。

３　多阶压缩再液化工艺的适应性

和操

作弹性分析

对于多阶ＢＯＧ再液化工艺，系统阶数的选择

取决于多种因素的综合考虑。首先，在满足系统

ＢＯＧ处理能力下，要求系统的总能耗尽量低；其次，ＢＯＧ产生量及ＬＮＧ外输量波动频繁且幅度大，要求系统具有较好的适应性和操作弹性等。３．１　系统对工况波动的适应性

由于天然气用户的用气量波动频繁，不同时段和季节的变化量相当大，故ＬＮＧ的气化量要根据下游管网输气的峰谷负荷来确定。图６所示的是某接收站全年的日ＬＮＧ外输量。从图中可看出，接收站的日ＬＮＧ输出量峰值达１３５００ｔ，而在低谷时，日ＬＮＧ输出量只有１１８５ｔ。同时ＢＯＧ产生量也有波动，该接收站在卸船操作时的ＢＯＧ产生量，由非卸船工况下的６．９ｔ·ｈ－１增加至２０ｔ·ｈ－１以上。

ＬＮＧ外输量和ＢＯＧ产生量的波动，导致ＢＯＧ再液化系统中的ＢＯＧ与用于液化ＢＯＧ的ＬＮＧ的比例波动。如下游管网用户峰谷负荷波动，夜间时外输ＬＮＧ量减少，而ＢＯＧ量却比白天多，此时会出现外输ＬＮＧ不足以将ＢＯＧ全部液化的状况。

这种工况的波动对系统的操作和能耗会产生

图６　某接收站全年的ＬＮＧ日外输量Ｆｉｇ．６　Ｄａｉｌｙ　

ｏｕｔｐｕｔ　ｏｆ　ＬＮＧ　ａｔ　ＬＮＧ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇｔｅｒｍｉｎａｌ　ｉｎ　ａ　ｙ

ｅａｒ－ｒｏｕｎｄ

图７　系统压缩能耗随ＬＮＧ与ＢＯＧ质量比的变化Ｆｉｇ．７　Ｔｏｔａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｗｏｒｋ　ｐ

ｅｒ　ｕｎｉｔ　ＢＯＧｖｅｒｓｕｓｍａｓｓ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ＬＮＧ　ａｎｄ　

ＢＯＧ　

很大影响，这就要求系统有较好的适应性。图７为ＬＮＧ外输量与ＢＯＧ产生量质量比的变化对ＢＯＧ

多阶再液化系统的影响。

从图中可以看出，各阶系统压缩机能耗均随ＬＮＧ和ＢＯＧ质量比的增大而降低。其中二阶较一阶系统节能效果显著。但是随着ＬＮＧ与ＢＯＧ质量比的增大，高阶系统相对于其低一阶系统的节能效果降低。在质量比≤１０时，二阶系统比一阶系统压缩功可节约３３％以上，三阶较二阶系统压缩

·

０９９·化　工　学　报 第６

４卷　

功可节约１５％以上；在质量比≤１５时，二阶比一阶系统压缩功可节约３０％以上，但三阶系统出现比二阶系统功耗稍高的现象，这是由于在质量比较大时，ＢＯＧ很快被全部液化，三阶系统后面阶压缩机出现空转。在一般气源型接收站操作下，选择二阶系统较合适。

在ＢＯＧ压缩机出口压力０．９ＭＰａ和ＬＮＧ外输量１００ｔ·ｈ－１下，各阶系统ＢＯＧ处理能力（能够液化的最大ＢＯＧ量）如表３所示。可以看出，二阶系统比一阶处理能力增多２．１ｔ·ｈ－１，增加了１２％；三阶系统比二阶增多了０．８ｔ·ｈ－１，增加了４．１％。多阶系统在夜间ＬＮＧ外输量少、ＢＯＧ量大的工况下，比原工艺（一阶系统）有更好的适应性和操作弹性。

表３　各阶系统ＢＯＧ处理能力弹性分析

Ｔａｂｌｅ　３　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ＢＯＧ　ｏｆ

ｔｈｒｅｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ

Ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔａｇｅ

Ｏｕｔｐｕｔ　ｏｆ

ＬＮＧ／ｔ·ｈ－１

Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｃａｐａｃｉｔｙ

ｏｆ　ＢＯＧ／ｔ·ｈ－１

Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ

ｒａｔｅ／％

ｏｎｅ　１００　１７．２—

ｔｗｏ　１００　１９．３　１２

ｔｈｒｅｅ　１００　２０．１　４．１

３．２　压比抗干扰操作分析

多阶系统中，对一定的ＢＯＧ处理量和ＬＮＧ外输量，系统各阶压比有多组选择。因此，在工况波动时，压比将有多种操作方式。为找到最佳的操作方式，使系统能耗尽量低，有必要对系统各阶压比对系统的影响大小及规律作分析。以二阶、三阶系统为对象，变化各阶压比，分析各阶压比在保证ＢＯＧ刚好全部液化时的变化规律。结果如表４和表５所示。由表中数据看出，压比ｒｉ的变化百分比的绝对值总是比ｒｉ＋１的大，即前面阶压缩机压比减小某个百分比时，通过后面阶压缩机压比增大一个较小的百分比，即可调整系统到正常运行。因此，后面阶压比比前面阶压比对系统的影响更大，对系统的调节能力也更强。因为根据ＢＯＧ和ＬＮＧ压缩过程的热力学性质分析，后面阶的压力较高，此时泡点线斜率较小（图２），相同的压比下ＬＮＧ的过冷度更大，有更大的冷凝能力。故在系统工况扰动时，应尽量通过调节后面阶压比来维持系统正常运行。

３．３　结果综合分析

综合以上分析，ＢＯＧ多阶压缩再液化工艺系

表４　二阶系统阶压比变化规律

Ｔａｂｌｅ　４　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｔｗｏ－ｓｔａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ

Ｇｒｏｕｐ

ｎｕｍｂｅｒ

ｒ１ｒ２

Ｃｈａｎｇｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｒ１／％

（ｒ１，ｍ＋１－ｒ１，ｍ）／ｒ１，ｍ

Ｃｈａｎｇｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｒ２／％

（ｒ２，ｍ＋１－ｒ２，ｍ）／ｒ２，ｍ１　２．２　３．４７——

２　２．４　３．１７　９．０９－８．６５

３　２．５　３．０４　４．１７－４．１０

４　２．６　２．９３　４．００－３．６２

５　２．７　２．８２　３．８５－３．７５

６　２．８　２．７２　３．７０－３．５５

７　３．０　２．５４　７．１４－６．６２

８　３．２　２．３９　６．６７－５．９１

９　３．４　２．２６　６．２５－５．４４

１０　３．５　２．２０　２．９４－２．６５

Ｎｏｔｅ：“－”ｓｉｇｎ　ｍｅａｎｓ　ｄｅｃｒｅａｓｅ；“ｍ”ｉｓ　ｇｒｏｕｐ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｃｏｍ－ｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ，ｍ＝１，２，…，１０．

表５　三阶系统ｒ

１＝１．５

时阶压比变化规律Ｔａｂｌｅ　５　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ－ｓｔａｇｅ

ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ｒ１＝１．５

Ｇｒｏｕｐ

ｎｕｍｂｅｒ

ｒ１ｒ２ｒ３

Ｃｈａｎｇｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｒ２／％

（ｒ２，ｍ＋１－ｒ２，ｍ）／ｒ２，ｍ

Ｃｈａｎｇｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｒ３／％

（ｒ３，ｍ＋１－ｒ３，ｍ）／ｒ３，ｍ１　１．５　１．５　３．２７——

２　１．５　１．７　２．８５　１３．３３－１２．８４

３　１．５　１．９　２．５３　１１．７６－１１．２３

４　１．５　２．１　２．２８　１０．５３－９．８８

５　１．５　２．３　２．０８　９．５２－８．７７

６　１．５　２．５　１．９１　８．７０－８．１７

７　１．５　２．７　１．７８　８．００－６．８１

８　１．５　２．９　１．６６　７．４１－６．７４

９　１．５　３．１　１．５６　６．９０－６．０２

１０　１．５　３．２　１．５２　３．２３－２．５６

Ｎｏｔｅ：“－”ｓｉｇｎ　ｍｅａｎｓ　ｄｅｃｒｅａｓｅ；“ｍ”ｉｓ　ｇｒｏｕｐ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｃｏｍ－ｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ，ｍ＝１，２，…，１０．

统阶数越多，系统总能耗越低，但是随着系统阶数增加，节能效果降低；另外，多阶系统节能效果随着ＬＮＧ外输量与ＢＯＧ处理量质量比增大而减小，在质量比较小（＜１５）的情况下，采用多阶压缩再冷凝工艺具有显著节能效果。一定的ＬＮＧ外输量下，系统阶数增加，系统ＢＯＧ处理能力增大。本文案例质量比为５．３，由表２和表３知，三阶系统较二阶系统节省能耗和处理能力增大均已不明显（分别为３．０％和４．１％），且三阶系统流程较长，设备要多出５０％，因而三阶系统不可取。采用二阶系统相对一阶系统（现有再液化系统）可以节省能耗８６９．５ｋＷ（１５．４％），ＢＯＧ处理能力增加２．１ｔ·ｈ－１（１２％），因此一般ＬＮＧ接收站用二阶系统处理ＢＯＧ，对节能和操作弹性改善具有明显效果。

由图７可知，在ＬＮＧ和ＢＯＧ质量比≤１５时，

·

１

９

９

·

　第３期 李亚军等：ＬＮＧ接收站ＢＯＧ多阶压缩再液化工艺优化分析

二阶系统比一阶系统压缩功可节约３０％以上，且质量比越小采用二阶系统优势越大。本文正常操作工况的质量比为５．３，远远小于１５，对于实际工况的波动，二阶系统仍有较大的弹性。

二阶系统中，压比ｒ２对系统的影响比压比ｒ１大，ｒ２的抗干扰能力更大，因此在工况波动时，应尽量调节ｒ２的值以维持系统正常高效运行。同时，在工况波动时，通过两阶压缩机压比的协调［１２］，可保证两阶压缩机在较高效率下运行，故二阶系统操作性好。

４　结　论

在正常操作工况条件下，基于流程模拟，以系统总能耗最小为目标函数，对ＬＮＧ接收站ＢＯＧ多阶压缩再液化工艺模型进行优化，以工况波动对系统能耗的影响为基础，分析了工况波动下各阶系统的操作弹性和各阶压缩机压比的抗干扰操作性，得出如下结论。

（１）多阶再液化工艺系统阶数越多，系统的总压比、总能耗越小，而ＢＯＧ处理能力越大。多阶再冷凝工艺是一种操作灵活、节能且操作弹性大的ＢＯＧ再液化处理方法。

（２）多阶再液化工艺的设计需要综合考虑节能大小、操作弹性、投资成本、可操作性等因素，以选择合适的系统阶数。

（３）多阶系统中，后面阶压缩机压比抗干扰能力更大，对于在系统工况波动时，应尽量通过调节后面阶压比来维持系统正常运行。

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ｂｏｉｌ－ｏｆｆ　ｇａｓ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ　ａｔ　ａ　ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ　ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ

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６５４５　

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·化　工　学　报 第６４卷