摘 要

摘　要：對(duì)LNG應(yīng)急氣源站蒸發(fā)氣BOG量進(jìn)行理論計(jì)算，通過與BOG實(shí)際量進(jìn)行比較分析，對(duì)原設(shè)計(jì)BOG回收系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，合理選擇加熱器和壓縮機(jī)。關(guān)鍵詞：BOG回收利用 BOG計(jì)算 加熱器

摘　要：對(duì)LNG應(yīng)急氣源站蒸發(fā)氣BOG量進(jìn)行理論計(jì)算，通過與BOG實(shí)際量進(jìn)行比較分析，對(duì)原設(shè)計(jì)BOG回收系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，合理選擇加熱器和壓縮機(jī)。

關(guān)鍵詞：BOG回收利用  BOG計(jì)算  加熱器  壓縮機(jī)

Calculation and Analysis of BOG Recovery System in LNG Emergency Supply Station

Abstract：The volume of BOG in LNG emergency supply station is theoretically calculated．Compared with the actual volume of BOG，the original design of BOG recovery system was improved，and the heater and compressor were reasonably selected．

Keywords：BOG recovery； BOG calculation；　heater；　compressor

 

為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)低碳環(huán)境，提高能源利用率，隨著我國(guó)天然氣西氣東輸工程的投產(chǎn)，天然氣利用將越來越廣泛，液化天然氣(LNG)作為天然氣儲(chǔ)存的一種重要形式將得到廣泛應(yīng)用。由于天然氣在常壓下的沸點(diǎn)較低(-162℃)，因此在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中必然會(huì)有LNG蒸發(fā)成天然氣，通常稱此蒸發(fā)氣為BOG(Boil Off Gas)。BOG系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)將直接影響LNG應(yīng)急氣源站的運(yùn)行成本及其本身的安全利用。

1　項(xiàng)目實(shí)例介紹

杭州市西部LNG應(yīng)急氣源站(以下簡(jiǎn)稱西部站)于2009年立項(xiàng)，2011年底投產(chǎn)試運(yùn)行。西部站設(shè)有l臺(tái)5000m³的常壓罐和3臺(tái)150m³的真空粉末絕熱罐(以下簡(jiǎn)稱真空罐)，其設(shè)計(jì)壓力分別為20kPa和0.8MPa。BOG回收系統(tǒng)工藝流程見圖1。

 

卸車臺(tái)至常壓罐的BOG經(jīng)加熱器加熱，進(jìn)入排量為l000m³／h壓縮機(jī)(兩臺(tái))加壓到0.52MPa，與卸車臺(tái)至真空罐的BOG匯合，經(jīng)BOG調(diào)壓橇調(diào)壓后進(jìn)入中壓管網(wǎng)。當(dāng)站內(nèi)自用氣設(shè)備(主要包括鍋爐、直燃機(jī)和廚房設(shè)備)需用天然氣時(shí)，則由BOG調(diào)壓橇中壓側(cè)引出天然氣經(jīng)自用氣調(diào)壓橇調(diào)壓后輸送至站內(nèi)自用氣設(shè)備。

西部站設(shè)有兩種不同壓力的低溫儲(chǔ)罐，對(duì)于儲(chǔ)罐BOG的利用也設(shè)計(jì)了兩個(gè)系統(tǒng)。5000m³常壓罐的工作壓力設(shè)定為10～13kPa，150m³真空罐的工作壓力設(shè)定為0.55MPa，槽車工作壓力一般為0.65MPa以內(nèi)。故本項(xiàng)目設(shè)計(jì)選用2臺(tái)不同壓力級(jí)制的BOG空溫式加熱器。常壓罐BOG系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用2000m³／h空溫式加熱器一臺(tái)，設(shè)計(jì)壓力為0.1MPa；真空罐及卸車過程的BOG系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用了一臺(tái)負(fù)荷為l500m³／h空溫式加熱器，設(shè)計(jì)壓力為0.6MPa。

2　常壓罐BOG量計(jì)算

常壓罐BOG量由常壓罐自然蒸發(fā)BOG量、卸車過程中預(yù)冷管道產(chǎn)生的BOG量、卸車置換常壓罐產(chǎn)生的BOG量三部分組成。

2.1　常壓罐自然蒸發(fā)BOG量

由于太陽輻射和從大氣吸熱，儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG會(huì)自然蒸發(fā)，根據(jù)儲(chǔ)罐BOG設(shè)計(jì)指標(biāo)，日蒸發(fā)量為滿罐LNG質(zhì)量的0.1％，常壓罐自然蒸發(fā)量的計(jì)算公式為：

 

式中qV1——常壓罐自然蒸發(fā)BOG量，m³／h

Nc——常壓罐數(shù)量，取1

rL——LNG密度，kg／m³，取456.5kg／m³

Vc——儲(chǔ)罐有效容積，m³，取4500m³

rg——標(biāo)況下天然氣密度，kg／m³，取0.802kg／m³

將上述參數(shù)代入公式(1)，求得常壓罐自然蒸發(fā)量qV1＝106.7m³／h。

2.2　卸車過程中預(yù)冷管道產(chǎn)生的BOG量

卸車過程中，槽車中LNG經(jīng)進(jìn)液總管進(jìn)入常壓罐，導(dǎo)致大量LNG蒸發(fā)，根據(jù)設(shè)計(jì)按照1h管道完全冷卻。預(yù)冷過程完成后產(chǎn)生BOG量很少，此處忽略。以卸車過程中預(yù)冷的進(jìn)液管道為研究對(duì)象，由物料平衡可知，進(jìn)入管道氣化的LNG等于流出管道的BOG量：

qm1＝qm2  　　         　　  (2)

式中qm1——進(jìn)管道氣化的LNG質(zhì)量流量，kg／h

qm2——出管道BOG質(zhì)量流量，kg／h

則卸車過程中預(yù)冷管道產(chǎn)生的BOG量為：

 

式中qV2——卸車過程中預(yù)冷管道產(chǎn)生的BOG量，m³／h

熱流量方程式為^[1]：

LNG氣化吸收的熱流量：

 

式中F1——LNG氣化吸收的熱流量，kW

r——LNG氣化潛熱，kJ／kg

BOG升溫吸收的熱流量：

 

式中F2——BOG升溫吸收的熱流量，kW

cBOG——天然氣的比定容熱容，kJ／(kg·K)

T0——預(yù)冷時(shí)環(huán)境溫度，K，取273.15K

Tg——工況下天然氣的沸點(diǎn)，K

管道降溫釋放的熱流量：

 

式中F3——管道降溫釋放的熱流量，kW

a——保冷材料放熱的當(dāng)量系數(shù)，取l.5

m3——預(yù)冷管道的質(zhì)量，kg

c3——管道的比定容熱容，kJ／(kg·K)

根據(jù)單位時(shí)間能量平衡^[1]：

F1+F2=F3 　　        　　   (7)

將公式(4)～(6)代入公式(7)，得：

 

將公式(2)、(3)代入公式(8)，求得：

 

將參數(shù)a＝1.5，c3＝0.921kJ／(kg·K)，T0＝273.15K，Tg＝133.15K，r＝523.4kJ／kg，cBOG＝0.7423kJ／(kg·K)，m3＝4782.94kg代入公式(9)，求得卸車過程中預(yù)冷管道產(chǎn)生的BOG量，即qV2＝1838.69m³／h。

2.3　卸車置換常壓罐產(chǎn)生的BOG量

LNG槽車進(jìn)行卸料時(shí)，理論上會(huì)置換出常壓罐氣相空間中等體積的蒸發(fā)氣。但在實(shí)際操作中，這種情況一般不會(huì)發(fā)生，因?yàn)槌汗薜牟糠终舭l(fā)氣會(huì)被低溫LNG冷凝，同時(shí)由于壓能轉(zhuǎn)化為熱能會(huì)產(chǎn)生一部分BOG。按保守工況考慮，采用等量置換的原則計(jì)算蒸發(fā)氣量的公式^[2]為：

 

其中qv3——卸車過程常壓罐置換出的BOG量，m³／h

qVx——槽車卸LNG體積流量，m³／h，按照DNl50mm進(jìn)液總管，取63m³／h

Mv——BOG的摩爾質(zhì)量，g／mol，取l8.3g/mol

pc——儲(chǔ)罐氣相絕對(duì)壓力，kPa，取ll3.325kPa

Vm——氣體摩爾體積，L／mol，取22.4L／mol

p0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)絕對(duì)壓力，kPa，取l01.325kPa

經(jīng)計(jì)算，置換產(chǎn)生的BOG量qV3為l47.23m³／h。

2.3　BOG量合計(jì)

根據(jù)上述三種情況產(chǎn)生的BOG量計(jì)算方法，得到常壓系統(tǒng)BOG量合計(jì)為：

qVc＝qV1+qV2+qV3 　          　　   (11)

式中qVc——常壓系統(tǒng)BOG總量，m³／h

將公式(1)、(9)、(10)計(jì)算結(jié)果代入公式(11)，求得qVc＝2092.62m³／h。

3　真空罐BOG量計(jì)算

真空罐BOG量主要來源于真空罐自然蒸發(fā)量和LNG卸車預(yù)冷管道產(chǎn)生的蒸發(fā)量。

3.1　真空罐自然蒸發(fā)BOG量

真空罐BOG產(chǎn)生原理同常壓罐，真空罐自然蒸發(fā)量一般采用日蒸發(fā)量為滿罐質(zhì)量的0.3％，站內(nèi)真空罐自然蒸發(fā)量的計(jì)算公式為：

 

式中qV4——真空罐自然蒸發(fā)量，m³／h

Nz——真空罐數(shù)量，取3

Vz——單臺(tái)真空罐容積，m³，取l50m³

將上述參數(shù)代入公式(12)，求得真空罐自然蒸發(fā)量qV4＝32.02m³／h。

3.2　LNG卸車預(yù)冷管道產(chǎn)生的BOG量

LNG卸車預(yù)冷管道BOG產(chǎn)生的原理以及計(jì)算過程與常壓罐卸車時(shí)計(jì)算方法相同，此處不再重復(fù)敘述。唯一區(qū)別是卸車時(shí)預(yù)冷管道長(zhǎng)度不同，真空罐卸車預(yù)冷管道質(zhì)量為m4＝3854.9kg，根據(jù)公式(9)得：

 

式中m4——真空罐卸車預(yù)冷管道質(zhì)量，kg

將上述參數(shù)代入公式(13)，求得qV5＝1481.9m³／h。

3.3　BOG量合計(jì)

真空罐卸車置換過程中由于槽車和真空罐的壓力等級(jí)相同，所以此過程中置換真空罐產(chǎn)生的BOG量非常少，可以忽略。

真空罐BOG產(chǎn)生量根據(jù)上述兩種情況分析，可以得到真空罐BOG總量：

qVZ＝qV4+qV5  　　　　        　  (14)

式中qVZ——真空罐產(chǎn)生的BOG總量，m³／h

將公式(12)、(13)計(jì)算結(jié)果代入公式(14)，求得qVZ＝1513.92m³／h。

4　實(shí)際運(yùn)行中BOG量統(tǒng)計(jì)分析

西部站自2011年l2月28日投入運(yùn)行以來，運(yùn)行正常。下面結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程中的BOG數(shù)據(jù)，對(duì)日常運(yùn)行以及卸車過程中產(chǎn)生的BOG量進(jìn)行分析。

4.1　常壓罐和真空罐日常運(yùn)行時(shí)實(shí)際自然蒸發(fā)量

我們節(jié)選一年來的具有代表性的一個(gè)月的數(shù)據(jù)，見圖2。

 

圖2中縱坐標(biāo)為2012年1月17日至2月l7日一個(gè)月每天常壓罐和真空罐實(shí)際自然蒸發(fā)量之和?？梢钥闯觯?span lang="EN-US">1月22日蒸發(fā)量最大，為4751m³／d，根據(jù)統(tǒng)計(jì)BOG量平均為2682m³／d。理論BOG量為24(qV1+qV4)＝3329.28m³／d，理論計(jì)算由于是按照滿罐容量計(jì)算，因此大于實(shí)際蒸發(fā)量。實(shí)際BOG量與理論計(jì)算值基本一致，說明儲(chǔ)罐保冷效果基本符合設(shè)計(jì)要求。出現(xiàn)峰谷波動(dòng)是由于站內(nèi)設(shè)備調(diào)試以及罐內(nèi)LNG隨著時(shí)間和吸熱不均勻有小范圍的翻滾出現(xiàn)，本文不做展開分析。

4.2　有卸車過程實(shí)際蒸發(fā)量

從圖3可以看出，有卸車過程最大BOG量出現(xiàn)在10月15日，為12588m³／d。由于當(dāng)天卸液過程斷斷續(xù)續(xù)，每次卸車時(shí)間間隔較長(zhǎng)，因此每次都存在對(duì)卸車管的預(yù)冷，計(jì)算當(dāng)天BOG產(chǎn)生量時(shí)按照3h計(jì)算，即3qV2總的卸車時(shí)間按照l2h計(jì)算，即置換常壓罐產(chǎn)生的BOG量按照12qV3計(jì)算；儲(chǔ)罐自然蒸發(fā)量按照24h計(jì)算，即24(qV1+qV4)。

 

最大理論BOG量計(jì)算為：

qV1＝24(qV1+qV4)+12qV3+3qV2 　     　   (15)

式中qV——根據(jù)理論計(jì)算卸車過程產(chǎn)生的BOG總量，m³／d

將相關(guān)理論計(jì)算值代入公式(15)，求得：qV＝10612.11m³／d。

理論計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)基本相符，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。常壓罐BOG總量為qVc=2092.62m³／h，真空罐BOG總量為qVZ=1513.92m³／h。本項(xiàng)目BOG系統(tǒng)設(shè)計(jì)即按照理論計(jì)算選型：常壓罐BOG系統(tǒng)選用了一臺(tái)2000m³／h空溫式加熱器，1000m³／h的BOG壓縮機(jī)兩臺(tái)，真空罐BOG加熱器選用負(fù)荷為1500m³／h。

5　結(jié)論與建議

①由于實(shí)際卸車過程中不可能一開始就滿負(fù)荷地進(jìn)行卸液，而是先從一個(gè)卸車臺(tái)開始向真空罐進(jìn)行卸車，對(duì)進(jìn)液管道逐步預(yù)冷，待進(jìn)液管道完全預(yù)冷完成后再逐步增加到4個(gè)卸車臺(tái)同時(shí)往常壓罐進(jìn)行卸液。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行以及理論計(jì)算情況，BOG產(chǎn)生量主要由卸車預(yù)冷速度決定，因此西部站BOG系統(tǒng)中加熱器的選型實(shí)際偏大，常壓罐BOG加熱器與真空罐BOG加熱器分別選用1500m³／h和1000m³／h即可滿足實(shí)際操作要求。

②根據(jù)BOG量的計(jì)算情況，本項(xiàng)目原設(shè)計(jì)了兩臺(tái)負(fù)荷為1000m³／h壓縮機(jī)。根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)際發(fā)生的BOG量的比較，在正常運(yùn)行不卸車的情況下，常壓罐BOG量?jī)H為106.7m³／h，這就意味著1000m³／h壓縮機(jī)必須頻繁啟動(dòng)，配置顯然不合理。因此，我們?cè)陧?xiàng)目投產(chǎn)前，在原來1000m³／h壓縮機(jī)旁增加了一臺(tái)200m³／h的BOG壓縮機(jī)。正常運(yùn)行時(shí)，只需開啟200m³／h的BOG壓縮機(jī)即可滿足工藝要求；當(dāng)卸車或者倒罐時(shí)，可以根據(jù)需要開啟另外兩臺(tái)1000m³／h壓縮機(jī)。壓縮機(jī)按此配置，一直運(yùn)行狀況良好。

③站內(nèi)自用氣設(shè)備，比如直燃機(jī)、廚房設(shè)備、鍋爐等設(shè)備的用氣，建議直接從常壓罐BOG加熱器之后取氣，既可減少BOG壓縮機(jī)的開啟頻率，又經(jīng)濟(jì)節(jié)能。

 

參考文獻(xiàn)：

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[2]康正凌，孫新征．LNG接收站蒸發(fā)量計(jì)算方法[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，30(9)：663-666．

 

本文作者：吳曉筵  吳軍貴

作者單位：杭州市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司