具有发热量高、环保、便于储存运输等优点的天然气是最具发展前景的能源之一，这使得LNG接收站在国内得以蓬勃发展[1-2]。在LNG接收站正常运行时，由于卸料外输、设备之间能量传递、闪蒸及系统漏热等因素，储罐、管线和设备中必然会产生大量BOG气体[3-4]。过多BOG气体的产生会影响接收站的稳定运行，尤其在储罐安全、管道风险及节能运行等方面。所以，对BOG处理系统的研究很有必要[5]。
Li[6]等列举了直接压缩工艺与二阶压缩再冷凝工艺作为参考模型进行结构分析，在此基础上针对现有再冷凝工艺做出合理的整合优化。唐凯等[7]在现有再冷凝工艺基础上，提出二阶压缩再冷凝工艺，并利用ASPEN-HYSYS软件进行了模拟，验证了方案可行性。戴萍等[8-9]提出了预冷式－二级压缩BOG再冷凝工艺，并且通过ASPEN-HYSYS软件进行了模型建立与模拟分析，模拟结果降低了工艺物料比和压缩机进出口压力，降低了压缩机能耗。上述工艺各有优点，但一些流程也存在部分考虑不充分的地方，还具有优化空间。
对比分析了接收站现有再冷凝工艺和二阶压缩再冷凝工艺的差异，并在此基础上提出二次预冷优化方案。该方案通过降低物料比和压缩机出口比焓，最终达到降低总能耗的目的。
系统产生的BOG一部分经缓冲罐后，由低压压缩机加压输送至再冷凝器，与低压泵输送的LNG进行热交换，部分BOG被液化并通过高压泵输送至气化单元，最终经外输管网送至下游用户[10]。另一部分BOG通过返回管线回到LNG船，维持码头循环工艺正常运行[11]。当BOG超过接收站回收能力时，过剩部分输送至火炬系统燃烧放空。现有再冷凝工艺流程如图1所示。
二阶压缩再冷凝工艺流程如图2所示。由图2可知，在现有再冷凝工艺基础上，用第二次再冷凝工艺取代直接压缩工艺，将系统内产生的BOG先经过缓冲罐后经由一阶压缩机加压。将储罐中的LNG经由一阶泵加压至与一阶压缩机出口的BOG相同压力，一起输送至一阶再冷凝器进行换热液化。经过一阶再冷凝器后，未被液化的BOG需通过二阶压缩机进行二次加压，保持与经二阶泵加压的LNG压力相同，直至将BOG全部液化，无需额外配置高压压缩机进行外输。计算两种工艺泵增压过程的比焓差与压缩机增压过程的比焓差，发现两种工艺泵在增压过程中的比焓差相差不大，但是二阶压缩再冷凝工艺压缩机增压过程中的比焓差要比现有再冷凝工艺压缩机增压过程的比焓差小许多。因此，在输送单位质量的流体时，二阶压缩再冷凝工艺的能耗更低，以此达到优化效果[7]。
通过上述可知，工艺泵增压过程的能耗基本不变，所以压缩机能耗决定了整个系统能耗的高低，降低压缩机能耗就可以达到节省系统能耗的目的。压缩机能耗由压比和流量决定，二阶压缩二次预冷BOG再冷凝工艺优化是通过减小物料比，降低压缩机出口比焓的原理，最终达到降低总能耗的目的。根据资料显示，在多阶压缩工艺中，压缩阶数越多系统内的能耗越低，节能效果也随着压缩阶数的增加而降低，压缩阶数越多设备的成本投资越大，根据多级压缩再液化研究，LNG接收站物料比≤15时，二阶压缩节能效果最显著[12-14]。
二阶压缩二次预冷再冷凝工艺流程如图3所示。结构与二阶压缩再冷凝工艺大致相同，但系统内增加了两台预冷换热器，位置分别位于一阶压缩机与二阶压缩机的出口处。预冷原理是利用LNG接收站储存的LNG进行BOG的预冷降温处理。通过两次预冷后再进行LNG与BOG的换热液化，可以降低物料比。虽然二阶压缩机出口压力较高，导致了预冷作用较低，但当系统中产生大量BOG时，可以缓解一阶压缩预冷过程中处理压力，从而确保整个工艺系统的稳定运行。在进行优化工艺时，还需要考虑工程实施和设备成本等因素，并与传统再冷凝工艺对比。增设泵后评估管内设计压力类别是否需要提高，由于增设了一个再冷凝器和两台换热器提高了工程造价，需对工程进行全方面的技术论证和经济分析，同时结合实验数据进行综合评估。
利用ASPEN-HYSYS软件分别建立二阶压缩再冷凝工艺模型和二阶压缩二次预冷再冷凝工艺模型，并进行对比分析，通过模拟所得数据计算两种工艺的能耗，进而计算节能率。
二阶压缩再冷凝工艺流程模型如图4所示，BOG-1经过一阶压缩机加压后得到BOG-2，LNG-1经由一阶泵加压得到LNG-2，将BOG-2与LNG-2输送进再冷凝器1中进行一次换热液化。由于BOG与LNG的流量及再冷凝器的容积限制，故一次再冷凝操作并不能将全部BOG液化。BOG-3为一次再冷凝未被液化的BOG，经过二阶压缩机加压后再一次与经二阶泵加压的LNG进行二次再冷凝。通过调整物料比可以实现BOG气体的全部液化，全部液化后经由高压泵与气化器（ORV）进行加压气化输送至下游管网进行调配输送，省去BOG气体直接压缩输出的工艺流程。
二阶压缩二次预冷再冷凝工艺流程模型如图5所示，其模拟流程与二阶压缩再冷凝工艺模拟流程大体连接方式相同，但在原有流程中增设了两次预冷工艺，两次预冷工艺分别在一阶压缩机与二阶压缩机的出口处进行。系统内的BOG汇集至BOG总管，随后经由一阶压缩机加压进入再冷凝器，在一阶压缩机与再冷凝器之间添置一个预冷换热器。储罐中的LNG经由一阶泵输出，泵出的LNG在原工艺中全部输送至再冷凝器，但在新工艺中分流出一部分LNG进入预冷换热器对经一阶压缩机加压的BOG进行预冷降温处理。随后经过降温处理的BOG与分流的另一部分LNG进入再冷凝器进行第一次换热液化处理，经充分换热液化后进入下一阶段。一级再冷凝器出口的LNG继而进入二阶泵，未被液化的BOG进入二阶压缩机，同样在二阶压缩机出口处设置一个预冷换热器，利用经二阶泵泵出的LNG对BOG进行第二次预冷降温处理，保证冷量合理利用。完成后二者进入再冷凝器进行换热液化。因为再冷凝器的操作压力有限，所以两次LNG与BOG的加压过程要保持压力相同，同时二阶泵也平衡了LNG-4、LNG-5与LNG-6的压力，防止系统管道内因压力不均出现的运行波动，减轻系统负担，有利于维持系统稳定。经过第二次再冷凝后，BOG经换热直至全部液化，至此优化工艺全部完成。全部LNG经过高压泵输送至下游经ORV进行气化处理，再经输气管网进行调配输送至用户。
一般预冷工艺会将高压泵出口的LNG分成两部分，一部分用于预冷工艺对BOG进行预冷降温处理，再进行气化外输，另一部分直接经气化器输送至输气管网调配外输。本研究主要模拟卸船时系统内产生大量BOG的工况计算，见图5（a）。而在接收站无卸船工况时，系统内BOG产生量相对较少，此时可以采用另一种工艺，如图5（b）所示。将一阶泵加压输送的LNG分出部分进行换热，保证冷量流失最小的情况下充分利用冷能。在二阶压缩机出口处安置换热器，与其进行换热的仍是经一阶泵加压输送的LNG，这样可以保证冷量最大化利用。二阶压缩机出口压力较大，导致原预冷器的预冷效果有限，通过新工艺调整冷量来源后，可以提升预冷换热器的效能。同时，当系统中产生大量BOG时，能有效缓解一阶压缩预冷负荷，保证整个工艺系统的稳定运行。
影响BOG再冷凝工艺的关键因素包括LNG低压泵出口压力、BOG压缩机出口压力和BOG的温度[15]。重点研究了预冷工艺优化及BOG压缩机出口压力降低对再冷凝工艺的影响，后续分析将围绕这两个影响因素展开。
压缩机能耗是系统总能耗的核心，其数值主要由压缩机进出口压力差决定。根据LNG接收站实际运行数据，压缩机进口压力通常保持恒定，而BOG压缩机出口压力的改变，会直接影响物料平衡和系统总能耗。这两个因素是再冷凝工艺的设计与优化的关键控制参数。
分析BOG压缩机出口压力对整个系统能耗的影响需要进行流程模拟进而分析数据。采取某实际LNG接收站运行数据，设定工况LNG输出流量为186 t/h，正常工况下系统内产生BOG流量为6.7 t/h，将初始压力为0.123 MPa的BOG通过BOG压缩机不断加压至0.4~1.0 MPa。利用ASPEN-HYSYS软件进行流程模拟，并将得到的数据结果进行分析归纳，结果如图6所示。
根据图6数据分析得出以下结论。
1） 系统内的总能耗主要受压缩机的功耗影响，且随着压缩机出口压力增大，系统内总能耗升高。
2） 压缩机出口压力增大，LNG低压泵出口压力也增大，以此保证二者进入再冷凝器时的压力相同。LNG高压泵出口压力减小，降低了高压泵的能耗。
根据结论分析可知，BOG压缩机出口压力对系统内总能耗影响较大，通过降低BOG压缩机出口压力实现系统节能。在保证BOG气体完全液化的前提下，将BOG压缩机出口压力调整至允许范围内的最低值，以此来降低系统内的总能耗，达到节能目的。
图7所示为BOG压缩机出口压力与再冷凝所需LNG流量关系。由图7可知，物料比随BOG压缩机出口压力的增大而降低，再冷凝所需的LNG流量增多，在实际的工艺流程中会导致能耗的增加。通过分析LNG和BOG的特点可知，用于冷凝BOG的LNG流量会随着BOG的温度变化而变化，当BOG压缩机出口压力较低时，BOG温度较低，相变难度提高，液化BOG的冷量需求增加，所以需要更多的LNG。反之，保持压缩机进口压力不变，增大BOG压缩机出口压力，随着BOG压缩机出口压力增大，BOG的温度将会升高，换热速度会加快，液化相对容易，等量的LNG可以液化更多BOG，进而增大了液化能力。
综上所述，采取降低BOG压缩机出口压力的方式来降低系统内的总功耗虽然可取，但同时也会增加再冷凝所需的LNG量，此操作会增大物料比。当LNG接收站输出量处于低谷期时，降低BOG压缩机出口压力对LNG接收站影响不大。当LNG接收站输出量处于高峰期时，降低BOG压缩机出口压力会导致消耗较多LNG，给输出工作带来困难，影响系统稳定。
由上述可知，物料比的主要影响因素是再冷凝器入口处的BOG温度。根据已有的模拟流程不难发现，BOG在经过BOG压缩机加压之后温度会有所升高，温度升高幅度与压缩机出口压力大小有关，BOG经加压后进入再冷凝器与LNG换热液化后温度会有所降低。在此过程中，无论是BOG从气相液化为液相所需冷量还是BOG压缩后的降温过程所需冷量都是由进入再冷凝器的LNG提供。此时需要的LNG量较多，物料比比值较大。杨志国[16]提出了预冷方案对BOG再冷凝工艺进行优化。优化核心就是利用LNG接收站储存的LNG经高压后，对加压后的BOG进行预冷降温处理。通过对比优化前后的再冷凝工艺数据，发现可节省BOG压缩机32.5%的能耗，且优化后的流程对输气峰谷带来的波动进行了有利调整。最重要的是进行预冷优化有效调节了因BOG压缩机出口压力增大所带来的增加物料比的影响，使得整个系统的能耗得到有效降低。
利用ASPEN-HYSYS软件进行实况模拟，将预冷工艺加入二阶压缩再冷凝工艺中，保证两次模拟的BOG压缩机进出口压力、泵的进出口压力和输出量等其他因素不变，只利用预冷法改变加压后的BOG温度，记录不同温度下物料比的变化情况，结果如图8所示。由图8可知，随着进入再冷凝器的BOG气体温度的降低，物料比也随之减小。这是因为当利用经低压泵加压的LNG对BOG进行预冷降温处理之后，BOG的温度会大幅度降低，送入再冷凝器后所需要的冷量也随之降低，等量的LNG可以使更多的BOG液化。因为在再冷凝器中原本有两个换热过程，一个是使BOG降温的过程，另一个是使BOG产生相变的过程。在经过预冷处理后，通过调整预冷温度可以使得未进入再冷凝器的BOG处于露点温度，这样可以减少换热液化的流程和减少LNG冷量的供给，LNG没有其他冷量损失，此时物料比达到最小。同时也能够缩短BOG液化的时间，对下游输气负荷波动的调整产生有利影响。在压力一定时，可以极大减少用于再冷凝的LNG量，减小系统负担[17]。由此可知，在降低BOG压缩机出口压力时所带来的物料比增加的情况，可以由预冷工艺进行抵消补偿。由此可以得出优化核心，利用预冷工艺尽可能降低进入再冷凝器的BOG温度，不断调整BOG压缩机出口压力，进而找到最佳压比，降低系统总能耗。
以国内某LNG接收站BOG再冷凝工艺实际工况为计算实例进行分析，利用ASPEN-HYSYS软件建立再冷凝工艺流程模型，采用单因素分析法，对LNG接收站再冷凝工艺进行建模分析。根据LNG接收站站场的统计，该接收站设有3座容积为16×104 m3的LNG储罐，在卸船工况下，当LNG的输出量为200 t/h时，可满足下游输气管网支配，接收站系统内BOG产量为32 t/h。压缩机出口压力为0.7 MPa，下游输气管网外输压力≥9.6 MPa。LNG储罐内的平均温度为−161.5 ℃，压力为0.123 MPa，BOG总管（包含LNG储罐蒸发的BOG与卸船产生的BOG等）的平均温度为−135 ℃，压力为0.123 MPa，外输天然气（NG）温度≥0 ℃。该接收站BOG和LNG物料组成如表1所列。
再冷凝工艺的耗能设备包括泵和压缩机。泵的功耗由式（1）计算[18]。
式中：Lpump为泵功率，W；Δp为泵的进出口压差，Pa；QLNG为LNG体积流量，m3/h；S为安全系数；ηpump为泵效率；ηmotor为电动机效率。
压缩机的功耗由式（2）计算[18]。
式中：Lcomp为压缩机功率，W；k为比热容比；QBOG为BOG流量，m3/h；pI为压缩机入口压力，Pa；pO为压缩机出口压力，Pa；ηm为机械效率 。
根据研究表明[4]，在LNG接收站实际运行时，系统中单阶压缩机的压比应在1.5~3.5之间。设二阶压缩二次预冷再冷凝工艺中两个压缩机的压缩比分别为r1和r2。如表2所列有多种压缩比组合，这些压缩比的意义是当再冷凝器中的BOG刚好被全部液化时一阶压缩机与二阶压缩机的压缩比。从表2可看出，在保证BOG被全部液化的前提下，二阶压缩比随着一阶压缩比的增大而逐渐减小。
从节省能耗角度分析，应尽可能提高一阶压缩比来使BOG液化速度加快，但由于二阶压缩机所加压的BOG流量要小于一阶压缩机加压的BOG流量，所以应降低一阶压缩机压缩比。通过计算各组压缩比下的二阶压缩二次预冷再冷凝工艺的能耗分析得到一阶压缩机比与系统能耗的关系图，如图9所示。从图9可看出，工艺能耗随着一阶压缩比的增大先降低后增加，一阶压缩机最佳压缩比在图像最低点P处，为2.6，对应二阶压缩比为2.82。
二阶压缩再冷凝工艺与现有再冷凝工艺相比的优点是在BOG处于较低操作压力下进行液化，降低了增压过程中的比焓差。现有再冷凝工艺的大部分能耗都来自于直接输出工艺的高压压缩机，二阶压缩再冷凝工艺通过两次LNG与BOG的换热液化处理，可以将系统内的BOG全部液化。如此可以省去直接输出工艺，解决了因高压压缩机带来的高能耗问题。虽然改进后的工艺中泵的负荷有所增加，但压缩机能耗却大大减小。二阶压缩二次预冷再冷凝工艺是在二阶压缩再冷凝工艺基础上做了预冷优化，对LNG的冷量进行了充分利用。改进后的工艺在二阶压缩再冷凝工艺基础上增设了两个预冷换热器，使得BOG在经过两次压缩机加压后都会进行一次降温处理，使得BOG温度降低，即降低了比焓值，以此降低能耗。将原工艺与优化后工艺的能耗对比可以发现，两种工艺的泵能耗变化幅度不明显，但同样压缩机能耗有明显减小。分别将现有再冷凝工艺、二阶压缩再冷凝工艺与二阶压缩二次预冷再冷凝工艺的模拟数据进行记录整合分析。得到数据对比如表3所列。从表3可看出，优化后的再冷凝工艺相对二阶压缩再冷凝工艺，能耗降低了606.2 kW，节能率为14.14%。
本研究模拟了LNG接收站再冷凝工艺流程，并对再冷凝工艺的影响因素进行了对比分析，建立了二阶压缩二次预冷再冷凝工艺模型，经过研究分析得到了以下结论。
1） 与二阶压缩再冷凝工艺相比，二阶压缩二次预冷BOG工艺增设预冷装置，对LNG的冷量进行了合理利用，降低了BOG压缩机出口的比焓。该方式使得再冷凝器操作压力上升时系统能耗增加较小，因此，新工艺能耗更低。
2） 新工艺降低了经压缩机加压后的BOG温度，降低工艺物料比，提高系统稳定性。同时设置了两个预冷换热器，虽然二阶压缩机出口处的预冷换热器由于二阶压缩机出口压力较大导致了预冷作用较低，但在系统中产生大量BOG时可以起到缓解一阶压缩预冷流程负荷较大的作用，可以保证整个工艺系统的稳定运行。
3） 在国内某接收站卸船工况下，接收站产生大量BOG，采用优化后的二阶压缩二次预冷再冷凝工艺，能耗降低了606.2 kW，节能率为14.14%。
2025, Vol. 54 Issue (3): 49-56 2025, Vol. 54 Issue (3): 49-56