一种适应产气量波动的bog再液化系统及其工作方法
阅读说明：本技术 一种适应产气量波动的bog再液化系统及其工作方法 (BOG reliquefaction system adaptive to gas production fluctuation and working method thereof ) 是由 蒋庆峰 宋肖 谷家扬 蒋志勇 陈智同 李文娟 易冰 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适应产气量波动的BOG再液化系统以及工作方法。本发明所述的BOG再液化系统包括预冷系统、压缩系统以及过冷系统；所述预冷系统包括BOG泵、与BOG泵出口连接的第一多股流换热器,所述第一多股流换热器包括常压BOG预热流道、高压BOG预冷流道、BOG过冷流道以及低温LNG流道,所述常压BOG预热流道从中下部设置有第一流道,所述常压BOG预热流道从中部设置有第二流道。本发明在保证下游管网正常使用情况下,可针对基荷非卸船期、基荷卸船期、调峰非卸船期和调峰卸船期式中输出负荷变化,进行相应工况的优化调整,保证系统的精细化运行管理,从装置构成、能耗和运营成本等角度对BOG回收系统进行多工况下变负荷设计,适用于工况波动较大的接收站。(The invention discloses a BOG reliquefaction system adaptive to gas production fluctuation and a working method. The BOG reliquefaction system comprises a precooling system, a compression system and a supercooling system; the precooling system comprises a BOG pump and a first multi-stream heat exchanger connected with the outlet of the BOG pump, the first multi-stream heat exchanger comprises a normal-pressure BOG preheating flow channel, a high-pressure BOG precooling flow channel, a BOG supercooling flow channel and a low-temperature LNG flow channel, the normal-pressure BOG preheating flow channel is provided with a first flow channel from the middle lower part, and the normal-pressure BOG preheating flow channel is provided with a second flow channel from the middle part. Under the condition of ensuring normal use of a downstream pipe network, the invention can carry out optimization adjustment on corresponding working conditions aiming at output load changes in a base load non-unloading period, a base load unloading period, a peak-adjusting non-unloading period and a peak-adjusting unloading period, ensures refined operation management of the system, carries out variable load design on the BOG recovery system under multiple working conditions from the aspects of device composition, energy consumption, operation cost and the like, and is suitable for a receiving station with larger working condition fluctuation.)
技术领域
本发明涉及一种BOG再液化系统，具体涉及一种适应产气量波动的BOG再液化系统及其工作方法。
背景技术
由于目前我国天然气需求呈现出巨大的淡旺季峰谷差距，LNG接收站在差异性工况下的BOG产生量波动也很大。例如基荷非卸船外输期，其LNG外输量约为51.56t/h，BOG产生量仅约6.26t/h；基荷卸船外输期，其LNG外输量约51.56t/h，BOG产生量约为25t/h；调峰非卸船外输时期，其LNG外输量约585t/h，BOG的产生量约44t/h；而调峰卸船外输时期，其LNG外数量约585t/h，其BOG产生量达到62.84t/h。
BOG产生量的波动直接影响再液化系统中换热器的工况，其产量交替变化导致换热器进口温度的交替变化，并使得换热器频繁承受热冲击作用，主要表现在段时间内管程(或壳程)内介质的温度急剧下降，冷热两侧温度相差很大且瞬态变化剧烈。频繁的热冲击导致其管件与连接处的结构疲劳破坏，累积疲劳损伤产生裂纹，严重的甚至导致设备的泄漏，影响其正常工作。
一般来说，因目前常用BOG再液化系统对变工况的弹性操作能力有限，LNG接收站仅对少部分BOG进行回收，而大部分则通过火炬系统燃烧而放空，导致巨大的能源浪费与经济损失。
此外，常用BOG再液化系统一般采用压缩机和后冷却器的组合形式，将BOG压缩后冷却得到LNG，但通常情况下BOG的温度约为-160℃，直接将低温BOG压缩，需要配型专门的低温压缩机，然而当工况温度达到-160℃的超低温时，都面临一系列如设备低温材料、低温条件下的气缸结构以及配件配合等问题。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种适应产气量波动的BOG再液化系统，可适应差异性工况下BOG的再液化。本发明还提供了一种适应产气量波动的BOG再液化系统的工作方法。
技术方案：本发明所述的一种适应产气量波动的BOG再液化系统，包括预冷系统、压缩系统以及过冷系统；所述预冷系统包括BOG泵、与BOG泵出口连接的第一多股流换热器，所述第一多股流换热器包括常压BOG预热流道、高压BOG预冷流道、BOG过冷流道以及低温LNG流道，所述常压BOG预热流道从中下部设置有第一流道，常压BOG预热流道从中部设置有第二流道；
所述压缩系统包括低压BOG压缩冷却机组和高压BOG压缩冷却机组，低压BOG压缩冷却机组包括低压BOG压缩机以及级间冷却器，高压BOG常温冷却机组包括高压BOG压缩机以及后冷却器；所述第一流道与后冷却器的进口相连，第二流道与级间冷却器的进口连通，所述级间冷却器的出口、后冷却器的出口以及常压BOG预热流道的出口均与低压BOG压缩机的进口连通，低压BOG压缩机的出口与级间冷却器的进口连通，级间冷却器的出口与高压BOG压缩机的进口连通，高压BOG压缩机的出口与后冷却器的进口连通，后冷却器的出口与高压BOG预冷流道的进口连通；
所述过冷系统包括第二多股流换热器、气液分离罐、经济器冷却介质压缩机以及换热器；所述第二多股流换热器包括BOG液化流道、BOG回流流道以及冷却介质流道，所述BOG液化流道的进口与高压BOG预冷流道的出口连通，所述BOG液化流道与BOG回流流道之间设置有气液分离罐，BOG回流流道的出口设置有经济器，所述经济器的第一出口与BOG过冷流道的进口连通，所述经济器的第二出口与低压BOG压缩机连通，所述冷却介质流道的出口与冷却器的进口连通，所述冷却器的出口与低温LNG流道的进口连通。
作为本发明的一种优选结构，所述级间冷却器的出口与高压BOG压缩机的进口之间设置有第六三通阀，所述级间冷却器的出口通过第六三通阀与后冷却器的出口连通。
作为本发明的一种优选结构，所述级间冷却器的出口与后冷却器的出口通过第五三通阀与第三三通阀连通，常压BOG预热流道的出口与第二三通阀连通，所述第二三通阀的出口与第三三通阀的进口连通。
作为本发明的一种优选结构，所述第六三通阀的出口与所述高压BOG预冷流道的进口连通。
作为本发明的一种优选结构，所述第三三通阀的出口与第四三通阀的进口连通，所述第四三通阀的出口与低压BOG压缩机的进口连通。
作为本发明的一种优选结构，所述BOG回流流道的出口设置有第八三通阀，所述第八三通阀的两个出口分别通过第一膨胀阀和第二膨胀阀与经济器的两个进口连通。
作为本发明的一种优选结构，所述冷却介质流道包括第三流道、第四流道以及第五流道，所述第三流道、第四流道以及第五流道的出口分别与冷却介质压缩机的进口连通，所述冷却介质压缩机的出口与冷却器的进口连通；所述冷却器的出口设置有第三流道的进口连接的第九三通阀、分别与第四流道进口以及第五流道的进口连接的第十三通阀。
作为本发明的一种优选结构，所述第三流道的进口设置有第五膨胀阀，第四流道的进口设置有第四膨胀阀，所述第五流道的进口设置有第三膨胀阀。
本发明所述的适应产气量波动的BOG再液化系统的工作方法，包括以下步骤：
基荷非卸船期：当LNG接收站处于基荷非卸船期时，系统中的高压BOG压缩机、后冷却器、冷却介质压缩机所在的过冷系统以及LNG冷却流道均关闭，系统的循环流程选择BOG单级处理流程和BOG后处理流程；
基荷卸船期：当LNG接收站处于基荷卸船期时，系统中的高压BOG压缩机、后冷却器以及冷却介质压缩机所在的过冷系统均关闭，系统的循环流程选择BOG单级处理流程、BOG后处理流程和LNG预热处理；
调峰非卸船期：当LNG接收站处于调峰非卸船期时，系统中的冷却LNG冷却流道关闭，系统的循环流程选择BOG多级处理流程、BOG后处理流程和冷却介质循环流程；
调峰卸船期：当LNG接收站处于调峰卸船期时，系统中所有流程均开启，系统的循环流程选择BOG多级处理流程、BOG后处理流程、冷却介质循环流程和LNG预热处理流程；
所述BOG单级处理流程包括以下步骤：BOG通过BOG泵进入第一多股流换热器中的常压BOG预热流道后在中部分流，经过第二流道的一部分BOG经过级间冷却器，对经过低压BOG压缩机后的BOG进行冷却后通过第五三通阀、第三三通阀和第四三通阀与另一部分经过BOG预热流道的出口送出的BOG混合后，进入低压BOG压缩机进行压缩，压缩后的BOG在级间冷却器中进行换热后，通过级间冷却器的出口，经过第六三通阀和第七三通阀全部进入第一多股流换热器中的高压BOG预冷流道，与常压BOG预热流道进行换热后进入第二多股流换热器中的BOG液化流道，与BOG回流流道进行换热后进入气液分离罐，液化后的BOG直接进入LNG储罐进行储存；
所述BOG多级处理流程包括以下步骤：BOG通过BOG泵进入第一多股流换热器中的常压BOG预热流道后在中部的第二流道和中下部的第二流道进行分流，中部分流的BOG经过级间冷却器对经过低压BOG压缩机后的BOG进行冷却，中下部分流的BOG经过后冷却器对经过高压BOG压缩机后的BOG进行冷却。中部和中下部分流的BOG与剩余BOG在第三三通阀混合后，通过第四三通阀进入低压BOG压缩机5进行压缩，压缩后的BOG在级间冷却器中进行换热后全部进入高压BOG压缩机进行压缩，压缩后的BOG在后冷却器中进行换热后，自后冷却器出口通过第七三通阀全部进入第一多股流换热器换热，换热后进入第二多股流换热器中的BOG液化流道，与BOG回流流道进行换热后进入气液分离罐，液化后的BOG直接进入LNG储罐进行储存；
所述BOG后处理流程包括以下步骤：气液分离罐气体出口处，未液化的BOG通过BOG回流流道与BOG液化流道换热后通过第八三通阀分流，分别通过第一膨胀阀、和第二膨胀阀膨胀后进入经济器换热，温度较低的BOG流体经过第一多股流换热器中的BOG过冷气流道后与温度较高的BOG流体在第一三通阀混合，依次经过第二三通阀、第三三通阀和第四三通阀后进入低压BOG压缩机再次循环；
所述冷却介质循环流程包括以下步骤：在冷却介质压缩机内压缩的高压冷却介质经过冷却器进行冷却后分为三部分，各部分分别经过第三膨胀阀、第四膨胀阀、第五膨胀阀对第二多股流换热器中冷却介质流道的上部、中部和下部进行冷却，加热后的冷却介质进入冷却介质压缩机后进入下一循环；
所述LNG预热处理流程包括以下步骤：LNG流道依次经过冷却器和第一多股流换热器的低温LNG流道进行换热。
有益效果：(1)本发明在保证下游管网使用情况下，针对基荷非卸船时期、基荷卸船时期、调峰非卸船时期和调峰卸船时期式中输出负荷变化，可进行相应工况的优化调整，保证系统的精细化运行管理，从装置构成、能耗和运营成本等角度对BOG回收系统进行多工况下变负荷设计，适用于工况波动较大的接收站。(2)本发明通过BOG单级/多级处理系统的设计，保证系统面对冲击性负荷工况下，可根据实际上游BOG的变化，灵活性调整进入多股流换热器BOG流量以及温度，避免上游BOG工况直接影响换热器的负载，减缓换热器内局部温度剧烈变动导致内部结构的破坏性热应变，保证换热器的使用寿命。(3)相比于采用冷却介质(空气或水)对级间冷却器和后冷却器进行冷却，本发明采用BOG分流的形式冷却能大幅度提高冷却效果，保证下游在第二多股流换热器中的液化率。(4)本发明在第一多股流换热器中设置常压BOG预冷流道和高压BOG预热流道，不仅可以充分利用BOG的冷能，减小系统不可逆损失，而且采用常温BOG压缩机替代常规低温BOG压缩机，降低系统成本。(5)本发明在第二多股流换热器中的BOG回流流道设置分流，将气体分为两部分，通过经济器使一路气体过冷后经过第二多股流换热器中的BOG过冷流道换热，进一步提高系统液化效率。
附图说明
图1为本发明的适应产气量波动的BOG再液化系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明所述的适应产气量波动的BOG再液化系统的包括预冷系统100、压缩系统200以及过冷系统300。
预冷系统100包括第一多股流换热器12，第一多股流换热器12包括4股流道，分别是常压BOG预热流道121、高压BOG预冷流道122、BOG过冷流道123以及低温LNG流道124。压缩系统200包括低压BOG压缩冷却机组和高压BOG压缩冷却机组，低压BOG压缩冷却机组由低压BOG压缩机5和级间冷却器6组成，高压BOG常温冷却机组由高压BOG压缩机9和后冷却器10组成。过冷系统由第二多股流换热器13、气液分离罐14、经济器18、第八三通阀15、第一膨胀阀16、第二膨胀阀17、冷却介质压缩机19以及冷却器20组成。第二多股流换热器13包括3股流道，分别是BOG液化流道131、BOG回流流道132以及冷却介质流道133。
常压BOG预热流道121的进口连接BOG泵26的出口，常压BOG预热流道121分别从中下部和中部分流出两股流道，具体为从中下部分出的第一流道1211以及从中部分出的第二流道1212，常压BOG预热流道121的出口依次连接有第二三通阀2、第三三通阀3和第四三通阀4，第四三通阀4的出口连接低压BOG压缩机5。具体地，从中下部引出的第一流道1211的出口与后冷却器10的冷侧进口相连，从中部引出的第二流道1212的出口与级间冷却器6的冷侧进口连接；且经过后冷却器10以及级间冷却器6换热之后，后冷却器10冷侧出口和级间冷却器6冷侧出口与第三三通阀3通过第五三通阀7连接，即后冷却器10的冷侧出口与第五三通阀7的一个进口连接，级间冷却器6的冷侧出口与第五三通阀7另一个进口连接，第五三通阀7的出口与第三三通阀3的进口连接，第三三通阀3与低压BOG压缩机5通过第四三通阀4连接，第四三通阀4的其中一个出口作为额外设置的旁路出口，用于系统缓冲。低压BOG压缩机5的出口与级间冷却器6的热侧进口连接，级间冷却器6的热侧出口与高压BOG压缩机9的进口通过第六三通阀8连接，第六三通阀8的出口作为额外设置的旁路与第七三通阀11的进口连接，高压BOG压缩机9的出口与后冷却器10的热侧进口连接，后冷却器10的热侧出口与第七三通阀11的进口连接，第七三通阀11的出口与高压BOG预冷流道122的进口连接，即从后冷却器10的热侧出口送出的流体与第六三通阀8的旁路流体混合后，送入第七三通阀11与第一多股流换热器12中的高压BOG预冷流道122。
高压BOG预冷流道122的出口与第二多股流换热器13中的BOG液化流道131连接，BOG过冷流道123的进口与经济器18中的冷端出口连接，BOG过冷流道123的出口设置有第一三通阀1，并且通过第一三通阀1的出口依次与第二三通阀2、第三三通阀3和第四三通阀4连通，进而与低压BOG压缩机5的进口连通。低温LNG流道124的进口与过冷系统300中换热器20的出口连接，低温LNG流道124的出口后端连接至LNG气化器或用户端。
低压压缩机5的进口分别通过串联设置的第一三通阀1、第二三通阀2、第三三通阀3和第四三通阀4分别与经过经济器18自膨胀换热的BOG过冷流道123、常压BOG预热流道121、经过过级间冷却器6和后冷却器10加热后的BOG流道连通，低压压缩机5的出口与连接级间换热器6的进口连通。
第二多股流换热器13的BOG液化流道131的进口与第一多股流换热器12中的高压BOG预冷流道122的出口连通，BOG液化流道131的出口连接气液分离罐14的进口，BOG回流流道132的进口连接气液分离罐14的气体出口，BOG回流流道132的出口与第八三通阀15的进口连通，第八三通阀15的两个出口分别设置有第一膨胀阀16和第二膨胀阀17，通过第一膨胀阀16和第二膨胀阀17分别与连接经济器18的冷端进口和热端进口连通，经济器18出口中过冷端与BOG过冷气流道123的进口相连，热端通过第一三通阀1、第二三通阀2、第三三通阀3与第四三通阀4连接。
冷却介质流道133分为三段流道，分别与第二多股流换热器13中冷却介质流道133的上部、中部和下部连接，包括第三流道1331、第四流道1332以及第五流道1333。第三流道1331、第四流道1332以及第五流道1333的出口分别与冷却介质压缩机19连通，冷却介质压缩机19出口与冷却器20的热端进口连接，冷却器20的热端出口通过串联设置的第九三通阀21和第十三通阀22分别与冷却介质流道133的三段流道连通，具体地，冷却器20的热端出口串联设置有第九三通阀21和第十三通阀22，第九三通阀21的一个进口与冷却器20的热端出口连接，第九三通阀21的一个出口与第十三通阀22的进口连接，第九三通阀21的另一出口与第三流道1331的进口连通，并且在第九三通阀21与第三流道1331的进口之间设置有第五膨胀阀25，第十三通阀22的一个出口与第四流道1332的进口连接，在第十三通阀22与第四流道1332的进口之间设置有第四膨胀阀24，第十三通阀22的另一出口与第五流道1333的进口连通，在第十三通阀22与第五流道1333的进口之间设置有第三膨胀阀23，三部分流道的出口混合后与冷却介质压缩机19连接，构成循环回路。冷却器20的冷侧出口与第一多股流换热器12中低温LNG流道124的进口连接，冷却器20的冷侧进口连接LNG流道。
本发明的工作方法包括：BOG处理流程、过冷介质流程和LNG预热流程。
BOG处理流程包括BOG单级处理流程、BOG多级处理流程、BOG后处理流程。
BOG单级处理流程：BOG通过BOG泵26进入第一多股流换热器12中的常压BOG预热流道121后在中部分流，经过第二流道1221的一部分BOG经过级间冷却器6，对经过低压BOG压缩机5后的BOG进行冷却后通过第五三通阀7、第三三通阀3和第四三通阀4与另一部分经过BOG预热流道121的出口送出的BOG混合后，进入低压BOG压缩机5进行压缩，压缩后的BOG在级间冷却器6中进行换热后，通过级间冷却器6的出口，经过第六三通阀8和第七三通阀11全部进入第一多股流换热器12中的高压BOG预冷流道122，与常压BOG预热流道121进行换热后进入第二多股流换热器13中的BOG液化流道131，与BOG回流流道132进行换热后进入气液分离罐14，液化后的BOG直接进入LNG储罐进行储存。
BOG多级处理流程：BOG通过BOG泵26进入第一多股流换热器12中的常压BOG预热流道121后在中部的第一流道1211和中下部的第二流道1212进行分流，中部分流的BOG经过级间冷却器6对经过低压BOG压缩机5后的BOG进行冷却，中下部分流的BOG经过后冷却器10对经过高压BOG压缩机9后的BOG进行冷却。中部和中下部分流的BOG与剩余BOG在第三三通阀3混合后，通过第四三通阀4进入低压BOG压缩机5进行压缩，压缩后的BOG在级间冷却器6中进行换热后全部进入高压BOG压缩机9进行压缩，压缩后的BOG在后冷却器10中进行换热后，自后冷却器10出口通过第七三通阀11全部进入第一多股流换热器12换热，后流程与BOG单级处理一致。
BOG后处理流程：气液分离罐14气体出口处，未液化的BOG通过BOG回流流道132与BOG液化流道131换热后通过第八三通阀15分流，分别通过第一膨胀阀16、和第二膨胀阀17膨胀后进入经济器18换热，温度较低的BOG流体经过第一多股流换热器12中的BOG过冷气流道123后与温度较高的BOG流体在第一三通阀1混合，依次经过第二三通阀2、第三三通阀3和第四三通阀4后进入低压BOG压缩机5再次循环。
冷却介质循环流程：在冷却介质压缩机19内压缩的高压冷却介质经过冷却器20进行冷却后分为三部分，各部分分别经过第三膨胀阀23、第四膨胀阀24、第五膨胀阀25对第二多股流换热器13中冷却介质流道133的上部、中部和下部进行冷却，加热后的冷却介质进入冷却介质压缩机19后进入下一循环。
LNG预热处理流程：LNG流道30依次经过冷却器20和第一多股流换热器12的低温LNG流道124进行换热。
通过上述系统进行的操作工况包括基荷非卸船外输期、基荷卸船外输期、调峰非卸船外输期、调峰卸船外输期。
基荷非卸船期：当LNG接收站处于基荷非卸船期时，系统中的高压BOG压缩机9、后冷却器10、冷却介质压缩机19所在的过冷系统以及LNG冷却流道均关闭，选择BOG单级处理流程和BOG后处理流程。
基荷卸船期：当LNG接收站处于基荷卸船期时，系统中的高压BOG压缩机9、后冷却器10以及冷却介质压缩机19所在的过冷系统均关闭。选择BOG单级处理流程、BOG后处理流程和LNG预热处理流程。
调峰非卸船期：当LNG接收站处于调峰非卸船期时，系统中冷却LNG冷却流道124关闭，选择流程为BOG多级处理流程、BOG后处理流程和冷却介质循环流程。
调峰卸船期：当LNG接收站处于调峰卸船期时，系统中所有流程均开启，选择BOG多级处理流程、BOG后处理流程、冷却介质循环流程和LNG预热处理流程
应用例：基荷非卸船期：LNG外输量约51.56t/h，BOG产生量约6.12-6.36t/h。系统中的高压BOG压缩机9、后冷却器10以及冷却介质压缩机19所在的过冷系统以及LNG冷却流道124均关闭。BOG经过BOG泵26进入第一多股流换热器12中的常压BOG预热流道121，在流道中，一部分BOG从第二流道1212的旁路引出进入级间冷却器6冷侧进口进行预热，另一部分从常压BOG预热流道121的出口引出，通过第二三通阀2和第三三通阀3分别与来自第一三通阀1混合的BOG以及级间冷却器6冷侧出口的BOG混合，并通过第四三通阀4进入低压BOG压缩机5进行压缩，压缩后的BOG进入级间冷却器6进行冷却，通过第六三通阀8和第七三通阀11进入第一多股流换热器12的高压预冷流道122进行冷却，冷却后进入第二多股流换热器13中的BOG液化流道131液化，液化后进入气液分离罐14分离，液化BOG回输至储罐，气相则进入BOG回流流道132与BOG液化流道133进行换热，通过第八三通阀15分流，分别通过第一膨胀阀16和第二膨胀阀17连接经济器18的冷端和热端，经济器冷端出口的BOG进入第一多股流换热器12的BOG过冷流道123换热，经济器热端出口的BOG通过第一三通阀1与BOG过冷流道气体混合，在第二三通阀2处与常压BOG预热流道121气体混合，在第三三通阀3处与经过级间冷却器6换热的气体混合并进入下一循环。
基荷卸船期：LNG外输量约51.56t/h，BOG产生量约23t/h。系统中的高压BOG
压缩机9、后冷却器10关闭，冷却介质压缩机19所在的过冷系统均关闭。BOG循环与基荷非卸船时期一致。增加LNG预热处理，LNG经过冷却器20与制冷介质换热，经过第一多股流换热器12的LNG低温流道124进行换热。
调峰非卸船期：LNG外输量约585t/h，BOG产生量约44t/h。系统中LNG
冷却流道124关闭。BOG循环相比于基荷卸船时期，在常压BOG预热流道121接近进口处进行分流，对后冷却器10进行冷却，BOG压缩机新增一级压缩冷却即高压BOG
压缩机9和后冷却器10，即BOG多级处理流程。新增冷却介质循环，在冷却介质压缩机19内压缩的高压冷却介质经过冷却器20进行冷却后分为三部分，各部分分别经过第三膨胀阀23、第四膨胀阀24、第五膨胀阀25对第二多股流换热器13中冷却介质流道133的上部、中部和下部进行冷却，加热后的冷却介质进入冷却介质压缩机19后进入下一循环。
调峰卸船期：LNG外输量约585t/h，BOG产生量约60.39-63.46t/h。系统中BOG处理流程、过冷介质流程和LNG预热流程的所有流程均开启。
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