接收站LNG储罐压力控制技术优化

发布时间:2022-12-07

1 常用的LNG储罐压力控制方法


目前LNG接收站常用的储罐压力控制方法是处理罐内BOG实现。LNG接收站BOG处理工艺见图1。



图1 LNG接收站BOG处理工艺


图中为4种LNG接收站BOG处理工艺。以下分析说明了各处理工艺的特点和接收站生产运行过程中各处理工艺合理使用的时间段。


①BOG低压处理工艺


BOG指将低压处理工艺BOG经过BOG压缩机压缩后装载,通过CNG气瓶车出口给用户。通过调节BOG控制压缩机的负荷和装载量BOG,然后调整储罐压力。这种方法通常是LNG由于接收站冷却投产过程中会产生大量的冷却投产过程,因此在接收站冷却投产过程中应用广泛BOG,这些BOG大部分通过火炬燃烧,设置节能减排CNG处理工艺可降低接收站的投产成本。为了快速恢复下次外运时的生产,在接收站零外运工况下启动LNG储罐内的低压泵对接收站进行冷却,使接收站的管道和设备处于冷态。在这种情况下,储罐静态蒸发BOG还有保冷产生的BOG不能再冷凝器冷凝的较好方法是通过BOG压缩机压缩后出口,避免火炬排放造成浪费,以保持储罐压力。


②BOG高压压缩处理工艺


BOG直接采用高压压缩处理工艺BOG高压压缩机将储罐内的高压压缩机BOG压缩至与接收站外输管网压力相同后,通过外输管网直接输送至下游用户。该工艺适用于外输管网压力小(2 ~3 MPa)的LNG接收站。站内储罐压力一般为10~20 kPa,所以采用BOG压缩机高压压缩功能耗大,目前很少使用。


③BOG再冷凝处理工艺


储罐压力的控制是通过调整接收站的正常外运条件来控制的BOG调整压缩机负荷。储罐中的BOG压缩机压缩后,进入再冷凝器顶部,从低压输送总管分流到再冷凝器顶部LNG 冷凝液化直接接触再冷凝器的填料层,冷凝液体和其他低压输送总管的另一部分LNG充分混合后,LNG高压泵加压,送至LNG气化器气化后送外输管网供下游用户使用1。这种BOG较常用、较经济的处理方法。


④火炬排空处理工艺


上述3种BOG处理工艺是接收站正常工况下的处理工艺,在一些特殊工况下,如接收站大修,或极低的外部输出,以及储罐等紧急情况LNG产生滚动,瞬间释放大量BOG,储罐压力会立即升高,接收站会设计安装火炬,以确保储罐不会因高压而损坏。当储罐压力无法通过其他方法控制时,可以使用火炬排空。排气会产生温室效应,污染环境,造成浪费,不会在正常工况下使用。


⑤BOG综合处理工艺


目前国内的LNG接收站一般为调峰接收站,下游用户用气量随季节变化波动较大。特别是夏季外输量低,气温高,BOG蒸发率也比较高。当外输低于一定程度时,冷凝器再处理BOG能力也会降低,此时可以和BOG结合低压或高压压缩处理工艺。为保证储罐的安全使用,接收站必须设计火炬,造成资源浪费,一般不建议使用。


2 LNG控制和优化储罐压力


在LNG在接收站的运行周期内,非卸货条件下的储罐压力相对稳定;卸货条件下的储罐压力波动较大,难以控制。因此,解释了卸货条件和非卸货条件下储罐压力的变化以及控制方法的优化。


①储罐压力控制优化


卸船前需要提高原卸船条件要求BOG压缩机负荷将储罐压力降低到14~15 kPa,准备卸船。这种准备主要是因为卸料臂预冷至-140 ℃,为卸载LNG做准备。经过大连LNG据接收站实践统计,有3座16座×104 m3 LNG储罐接收站在预冷3个卸料臂的过程中,储罐压力上升约2 kPa,高压升高。


a. LNG接收站卸船工艺及进料方法


LNG接收站卸船工艺见图2。



图2 LNG接收站卸船工艺流程


大型LNG储罐设计有两种进料管,即储罐顶部进料管和储罐底部进料管。两种不同的组成LNG不混合放置在储罐中,会形成两个液层(分层),导致滚动2-4。一旦发生滚动,储存在下液层的热量就会积累BOG立即释放形式,导致储罐压力急剧增加,严重时会损坏储罐5。由于船方的LNG与储罐中的LNG密度差,为了防止翻滚,卸船过程中有两种LNG根据密度选择原卸船进料方式。当船上LNG密度低于储罐LNG密度,采用下进料方式;船上LNG密度高于储罐LNG密度,上料。


b. 卸船过程中储罐压力的变化


大连LNG接收站在卸船过程中,不同储罐压力的进料方式如图3所示。



图3 不同储罐压力的进料方式不同


从图3可以看出,AB段前150 min,根据密度单独选择1#储罐底进料阀HCV102打开时,随着卸料的进行,储罐压力逐渐上升,储罐压力上升2.75 kPa。由此可见,仅根据密度选择进料方式存在压力难以控制的缺点。


根据图2,储罐底部的进料一方面会对储罐内现有的进料LNG干扰,导致储罐内LNG另一方面,由于船舶卸载LNG经过船舱LNG泵加压并通过卸料管后,LNG与储罐内现有的相比LNG高温会增加储罐内的热量输入LNG的挥发。两者的影响都会导致储罐内的影响BOG储罐压力增加。此BOG只能通过向船方返气或送往再冷凝器进行冷凝处理。


c.优化后卸船进料方式的选择


经过生产过程中的不断探索,发现在密度差允许的范围内,储罐压力可以通过顶进料和底进料量的合理分配得到有效控制。优化后卸载方法的选择见表1。ρC为船上LNG密度,单位为kg/m3,ρg为储罐内LNG密度,单位为kg/m3。


表1 优化后卸船进料方式的选择



图3中,优化的进料方式对控制储罐压力有显著作用。卸料管的压力基本保持在0.2 MPa,相对稳定,顶进料阀与底进料阀的型号相同。只要储罐顶进料阀与底进料阀的总相对开度保持在100%,卸料量基本不变。顶进料阀与底进料阀的相对开度比实际上是LNG进液分配比例。大连LNG接收站有三个储罐,LNG储罐气相空间是相互连接的,所以无论何时储罐间压力相等,都会相互影响。


图3中第150 min储罐压力持续上升至1919年.22 kPa关闭小底进料阀HCV102相对开度为75%,同时打开顶进料阀HCV101,相对开度为15%,此时储罐压力迅速下降,见图3BC段。


图中CD段为顶进料阀HCV101相对开度降至8%,底进料阀HCV102-80%后,储罐压力缓慢上升,上升率低于AB段上升率。储罐压力上升到D点时(储罐压力20.16 kPa)加大顶进料阀HCV101至相对开度为15%,底料减少至相对开度为75%后,储罐压力开始下降至18%.97 kPa, 如图3中DE段所示,持续约60次 min。然后调整顶进料阀HCV101至相对开度为10%,底进料阀HCV102至相对开度为85%,储罐压力开始回升至19.34 kPa,如图中EF如段所示,持续60次 min左右。然后恢复到顶进料阀HCV101相对开度为15%,底进料阀HCV102至相对开度为80%,储罐压力开始缓慢平稳下降至G点17.98 kPa。由GH段开始进入180 min此时罐内的平衡状态BOG返回给船方的BOG冷凝量和冷凝量BOG等量之和。


第660 min起初,船方减少了返气量,导致返气量减少HI储罐压力升高,此时由于船舱压力过高,无法接收储罐回气。在第780 min,储罐压力为20.95 kPa,调整1#储罐底进料阀HCV102至相对开度为65%,关闭小顶进料阀HCV101至相对开度为10%,打开2#储罐顶进料阀HCV201至2#储罐相对开度为15%。从图3可以看出,IJ段储罐压力降低效果显著。


d.分析储罐压力下降的原因


由图3中BC段、DE段、FG段、IJ可以看出,只要增加顶进料阀的相对开度,增加顶进料量,储罐压力就会显著降低。原因分析如下。


顶部进料LNG储罐压力的作用分为两个方面。一方面,顶进料进入罐内LNG挥发,低温BOG罐内温度较高的BOG产生热交换,减少储罐BOG由于温度的降低,部分罐内的温度甚至冷凝BOG,形成LNG液滴,减少了罐内BOG数量导致储罐压力下降。另一方面,LNG从顶部冲击会对罐内现有的产生影响LNG产生较大的扰动,导致罐内LNG表面挥发,加上LNG从储罐顶部喷洒也会有BOG两种作用都会使罐内挥发BOG储罐压力增加。实际数据曲线显示,这两种功能的结果是降低储罐压力,表明顶部进料的冷却和冷凝起着主要作用。


e. 2#罐顶进料BOG温度变化


2#罐顶进料阀HCV201相对开度为15%,2#储罐顶进料BOG温度变化见图4。



图4 2#罐顶进料BOG温度变化


从图中可以看出,2#储罐顶进料阀HCV当201的相对开度为15%时,随着顶进料的进行,罐顶BOG的温度在60 min内由-122.48 ℃降至-140.82 ℃,罐内BOG温度明显下降。


图3中2#储罐的实际工作条件显示,只要顶进料储罐压力明显降低,顶进料的明显下降。LNG对储罐内BOG冷却和冷凝效果大于其挥发性,因此储罐压力降低。


f.小结


卸船时LNG储罐压力难以控制。通过实际操作优化为顶进料和底进料,合理调整顶进料阀和底进料阀的相对开度,控制储罐压力效果显著。


②控制和优化非卸船条件下储罐压力的控制


影响非卸船条件下储罐压力的主要因素是储罐静态蒸发BOG,为了控制储罐的静态蒸发率,除了使用良好的冷却填充材料外,还可以通过提高储罐的运行压力来降低储罐的静态蒸发率。一般来说,接收站的原始控制压力保持在18 kPa。夏季大连接收站外运4000×104 m3/d储罐压力为17 kPa左右时,需要两BOG其中一台压缩机BOG压缩机负荷率为75%,另一台负荷率为100%,再冷凝器冷凝处理BOG量约为10.3 t/h。优化后,储罐压力保持在21 kPa左右时,只需一个BOG压缩机负荷率100%,然后冷凝器冷凝储罐BOG量约为6.2 t/h。理论上可以降低储罐运行压力BOG蒸发率在实际操作中也是可行的。


在非卸船条件下,可能存在零外部运输条件。在这种情况下,冷凝器不能再使用。随着外部热量的不断进入,储罐不断挥发BOG压力升高。根据优化卸船工况的经验,储罐的压力可以通过储罐顶部的喷管降低。过冷的LNG连续从顶部喷管喷洒,与储罐挥发BOG对流热交换的形成不仅可以完全减少储罐BOG该方法与再冷凝器的原理相似,可冷凝液化部分BOG,降低罐内压力。在出现LNG在滚动等紧急情况下,储罐的压力也可以通过这种方式控制。


3 结论


①卸船时LNG储罐压力难以控制。通过实际操作优化为顶进料和底进料,合理调整顶进料阀和底进料阀的相对开度,控制储罐压力效果显著。


②这种优化方法通过提高储罐的运行压力,降低储罐的静态蒸发率,节省了非卸船工况BOG压缩机的能耗。


③将在卸船条件下优化储罐压力控制的原理推广到储罐压力异常升高的条件下(零外输和滚动),对在紧急情况下保持储罐压力具有重要意义。