浮式液化天然气装置BOG处理方式研究-辽宁化工2022年01期

摘      要：蒸发气（Boil Off Gas， 缩写为BOG）的处理回收方式不仅会影响浮式液化天然气（FLNG）装置上的设备配置及装置投资，同时会直接影响到整个装置生产运营的安全性、经济性和环境保护。为了能够选择经济合理的BOG处理回收方式，以惠生海洋工程正在执行的3.0 MTPA FLNG标准化项目为例，介绍了浮式液化天然气装置上两种主要的BOG处理回收方式即作为燃气轮机的燃料气和返回制冷剂换热器进行再液化。通过Aspen HYSYS模拟软件，分析了在不同工况下BOG的产生量及不同的处理回收方式对装置能耗的影响。并建议了针对不同的原料气组分以及装置内主要转动设备的驱动方式，选择针对性的BOG处理方式，避免BOG直接燃烧造成环境污染和经济损失，降低装置投资，为浮式液化天然气装置的国产化以及BOG处理系统设计提供参考。

关  键  词：FLNG;BOG;浮式液化天然气;BOG再液化;BOG回收;BOG脱氮

中图分类号：TE646      文献标识码： A      文章编号： 1004-0935（2022）01-0129-04

蒸发天然气（BOG）是液化天然气（LNG）在工艺装置的生产运行中，低温LNG从环境中吸收热量气化所致。BOG气体如果是直接排放或者燃烧，不仅是对能源的浪费，而且也对环境造成了污染^[1]。同时，BOG的处理方式还会影响整个液化装置的压缩机、制冷剂换热器等关键设备的配置。因此，需要采取合理的工艺对BOG气体进行回收再利用^[2-3]。浮式天然气液化装置（FLNG）的BOG处理方式不同于陆地上qPwl/Zc/2BAppPUd4sm6McDl0ksHT3OfVQxKpSNAUTE=的LNG生产及接收装置，可以采用直接加压至高压外输管网对BOG 进行回收利用，只能将BOG返回浮式装置内部进行回收处理。本文以惠生正在执行的3.0 MTPA FLNG标准化项目为例，对浮式天然气液化装置的BOG回收处理方式进行探讨。

1  BOG产生的原因分析

由于LNG是一种低温液体，在储存和输送的过程中，将会因热传导产生BOG。BOG主要由储存容器内液体自然蒸发和在其储存和输送的过程中，因热传导而产生^[4-5]。在LNG装船期间，由于不断与LNG装船设备发生热量交换，以及装船期间LNG在运输船储罐内体积置换，也会形成BOG^[6]。

通过Aspen HYSYS以惠生正在执行的3.0 MTPA FLNG项目为例。根据BOG产生的来源对BOG产生量进行了模拟计算，结果见表1。LNG减压产生的BOG为从制冷剂换热器出来的高压LNG经过减压后所产生的BOG。储罐蒸发产生的BOG为储罐中的LNG从外界吸热而不断蒸发产生的BOG，LNG装船产生的BOG为浮式液化天然气装置从自身LNG储罐向LNG运输船进行LNG装船时产生的BOG量。此外，在模拟中还增加余量以包括冷却LNG装卸臂，冷却LNG输送管线，LNG输送泵运转等产生的BOG量。

2  BOG的回收处理方法

BOG处理系统的主要作用是在正常操作工况下保证LNG储罐压力能够维持在正常操作压力范围内，同时能够处理LNG装船工况下产生的大量BOG和低负荷工况下燃料气消耗剩余的BOG^[7]。目前浮式液化天然气装置（FLNG）BOG的处理方法主要有两种：一是以燃气轮机作为动力装置的主发电机和制冷剂压缩机，将BOG作为燃气轮机的燃料;二是将BOG通过制冷剂换热器，将多余的BOG重新冷凝液化后送入LNG储罐^[8]。

2.1  BOG作为燃料气

浮式液化天然气装置的主发电机和制冷剂压缩机以燃气轮机作为驱动装置并以天然气或者柴油作为燃料。将BOG作为燃气轮机的燃料是一种既经济又高效的解决方案^[9-10]。

如图1所示，BOG回收作为燃料气工艺流程主要包括BOG压缩机和再生气压缩机等主要设备。在正常操作工况下，BOG经过BOG压缩机加压首先作为原料气分子筛脱水床的再生气，从分子筛床出来的再生气再经过再生气压缩机进一步加压后作为燃气轮机的燃料气。正常工况下，燃气轮机需要的燃料气量多于装置产生的BOG量，由一股来自原料气管线的天然气提供额外的燃料气。在LNG装船工况下，BOG产生量增加，部分BOG作为燃气轮机燃料，剩余BOG经过再次加压返回液化装置上游进行回收。在低负荷操作工况下，燃气轮机所需燃料气量少于分子筛再生气量，多余再生气由再生气压缩机加压后返回至液化装置上游。

2.2  BOG部分再液化

BOG部分再液化处理方式主要是通过将BOG再液化来控制LNG储罐的压力，避免其压力过高并回收过量的BOG。当浮式液化天然气装置在LNG装船工况下，产生的BOG量增加，除了给燃气轮机消耗以外，将剩余的BOG重新冷凝液化。在装置低负荷运行工况下，燃气轮机燃料气量消耗降低，BOG量相对于燃料气量过剩，过剩的BOG也将重新冷凝液化。

如图2所示，BOG部分回收再液化系统主要包括BOG压缩机和制冷剂换热器等主要设备。来自BOG总管的BOG经过BOG压缩机加压后，部分作为燃气轮机燃料，剩余部分进入制冷剂换热器重新冷凝液化。

2.3  BOG全部再液化

在一些近岸浮式液化天然气装置中，由于可获得持续且稳定的电力来源，例如水力发电等可再生的清洁能源，具有环境友好、成本较低等优点，变频电动机会被采用作为制冷剂压缩机、BOG压缩机等大型设备的驱动设备。当采用电动机作为压缩机的驱动设备时，装置不会再消耗大量的燃料气，BOG回收应采取BOG全部再液化的方式进行。BOG全部再液化的流程见图3，与部分再液化流程相比，减少了燃料气消耗部分。

2.4  BOG中氮气脱除

在以电动机作为驱动装置的浮式液化天然气装置中，当原料气组分中氮气含量较高时，产生的BOG重新进入装置回收甲烷过程中，氮气含量不断累积，造成BOG量和BOG再液化过程能耗的增加，影响LNG热值的同时会增加装置的能耗，需要根据LNG组分和热值的要求将BOG中氮气脱除^[11]。如图4所示，来自总管的BOG进入制冷剂换热器重新液化，然后进入精馏塔对氮气和甲烷进行分离。

LNG从塔底流出作为产品汇入装置LNG总管。塔顶气相重新进入制冷剂换热器进行部分冷凝，塔顶回流罐液相部分作为塔顶回流进入精馏塔上部，气相主要成分为氮气，从系统中分离出来。

3  BOG回收工艺计算

3.1  两种工况下BOG流量及压力

通过Aspen HYSYS对2.1和2.2中两种BOG处理回收方案在不同操作工况下的流程进行模拟。本案例中涉及两种不同型号的燃气轮机，所需燃料气压力也不同，为两种规格。如表2所示，在不同操作工况下，需满足所需燃料气及返回气流量变化及所需压力等级等复杂工艺需求。要求工程设计人员根据项目设计要求、设备配置及投资、能耗等指标合理选择BOG回收处理方式。

BOG加压后作为燃料气回收方案不需要BOG通过制冷剂换热器以及占用制冷剂换热器部分冷量，降低制冷剂换热器制造复杂程度^[12]。根据不同燃料气及返回气压力等级要求，合理配置BOG压缩机和再生气压缩机，满足工艺要求并实现能耗最小化。

3.2  BOG处理回收方式能耗对比

通过Aspen HYSYS对2.1和2.2中两种BOG处理回收方案进行模拟并对主要设备的能耗进行对比。如表3所示，对比两种不同的BOG回收处理方式，在不同操作工况下，制冷剂压缩机轴功率基本保持不变。在LNG装船工况下，由于采用BOG再液化回收方式时再生气压缩机分担了BOG压缩机的轴功率，所以两种BOG处理方式下，装置消耗的总功率基本保持不变。在低负荷运行工况下，装置所需BOG压缩机和再生气压缩机的总功率也基本保持不变。由下表可知，由于装船所产生的大量BOG使得BOG压缩机和再生气压缩机轴功率增大。需要根据燃料气和返回气流量及压力变化的情况，选择合适的BOG压缩机和再生气压缩机形式以及数量^[13-15]。

4  结 论

浮式液化天然气装置产生BOG量并非定值，会出现峰值和低值，两者之间差别较大。通过对以上两种BOG回收处理方式的介绍并基于Aspen HYSYS流程模拟计算，对不同操作工况下BOG的产量及装置能耗进行了对比。得出如下结论。

1）当浮式液化天然气装置以燃气轮机作为发电机和制冷剂压缩机等的驱动设备时，既可以采用将BOG作为燃气轮机的燃料气进行回收利用，也可以将BOG部分液化或者全部液化进行回收。

2）当浮式液化天然气装置的压缩机等设备以电动机驱动时，燃料气的消耗大量减少，BOG应全部返回制冷剂换热器再液化进行回收。

3）当原料气中的氮气含量较高时，为了脱除BOG中的过量氮气，避免氮气在BOG中累积，需要将BOG全部再液化，再通过精馏塔将氮气脱除。

浮式液化天然气装置由于产量规模、工艺流程的不同等，在对待BOG回收方式上要基于项目的实际情况，先考虑装置的正常生产以及LNG装船以及低负荷生产等工况，再考虑装置的投资、设备配置及节能问题。

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Study of BOG Treatment for Floating Liquefied Natural Gas Plants

ZHANG Yue-zheng， JIANG Hao， LIU Xiao-gang， LIN Shu-qin

（Wison （Nantong） Heavy Industry Co.， Ltd.， Nantong Jiangsu 201210， China）

Abstract：  BOG （Boil-Off Gas） treatment can not only affect the equipment configuration and investment of the floating liquefied natural gas （FLNG） plant， but also directly affect the safety， economy of the entire plant’s production and environment. In order to choose an economical and reasonable BOG treatment method， taking Wison Offshore & Marine’s 3.0 MTPA FLNG standardization project as an example， two main BOG treatment methods for floating LNG unit were introduced， including using as fuel gas for gas turbines and returning to refrigerant heat exchanger for re-liquefication. The generation of BOG and energy consumption under different treating conditions were analyzed with Aspen HYSYS. For different raw gas components and driver of main rotating equipment， a proper BOG treatment method was selected to avoid environmental pollution and economic losses caused by BOG direct combustion， reducing plant investment. The papet can provide some reference for localization of floating liquefied natural gas plant and subsequent design of the BOG treatment system of floating LNG plant.

Key words：  FLNG; BOG; Floating liquefied natural gas; BOG re-liquefication; BOG recovery; Nitrogen removal from BOG