LNG接收站蒸發氣處理系統靜態設計計算模型

摘 要

摘要：BOG(Boil-Off Gas)系統是LNG接收站設計階段中必須重點考慮的關鍵問題之一。與大型LNG液化工廠中主要考慮BOG提供燃料氣和LNG裝船工況下BOG直接通過火炬燃燒情況完全不同
摘要：BOG(Boil-Off Gas)系統是LNG接收站設計階段中必須重點考慮的關鍵問題之一。與大型LNG液化工廠中主要考慮BOG提供燃料氣和LNG裝船工況下BOG直接通過火炬燃燒情況完全不同，LNG接收站設計中則應結合氣化外輸壓力、最小外輸流量等不同項目特點，對于BOG的回收、處理和利用有更多的選擇。為此，按照LNG接收站卸船和非卸船兩種基本工況劃分，對設計階段保守估算BOG產生量引入完整的靜態計算方法，通過實例計算，提出了BOG壓縮機的合理配置方案，以期實現技術與經濟兩方面的優化。該計算方法對于國內自主進行LNG接收站的設計具有參考意義，對于小型LNG衛星站的設計亦有借鑒意義。
關鍵詞：LNG接收站；儲罐；BOG設計；計算；模型
    一個典型的LNG接收站包括7大組成部分：LNG卸船系統(含碼頭、靠泊等)、LNG儲罐、LNG氣化器、LNG罐內泵和外輸泵系統、蒸發氣處理系統(Boil-Off Gas，以下簡稱BOG)、公用工程與安全控制系統、基礎設施等[1～3]。其中，BOG系統是與LNG接收站各主要生產單元緊密相關的一個全廠性系統，直接影響到LNG接收站生產運營的安全性、經濟性與環境保護，因而成為LNG接收站設計階段中必須重點考慮的關鍵問題之一。與大型LNG液化工廠中主要考慮BOG提供燃料氣和LNG裝船工況下BOG直接通過火炬燃燒情況完全不同[4～6]，LNG接收站設計中則應結合氣化外輸壓力、最小外輸流量等不同項目特點，按照如下優先順序考慮BOG的回收、處理和利用：①返回LNG船補氣；②返回LNG儲罐；③再液化，與LNG一并外輸；④壓縮，與管道高壓氣一并外輸；⑤燃料氣利用(廠區內生活、空調、小型發電等自用)；⑥火炬燃燒或直接排空。
1 LNG接收站中BOG處理系統的組成
   BOG處理系統通常由以下4部分組成：BOG收集管道系統、BOG回氣(至LNG運輸船)系統、BOG壓縮機和再冷凝器系統。BOG處理系統流程示意圖如圖1所示：

   BOG收集管道系統包括儲罐BOG與其他含有LNG容器的管道連接、含有LNG的管道與設備的排氣管道連接、LNG槽車和小型LNG運輸船裝載置換氣體的管道連接等。BOG回氣(至LNG運輸船)系統有時還包括鼓風機或增壓壓縮機等設備。
    BOG壓縮機主要用于再冷凝工藝，即將LNG接收站內產生的BOG壓縮后送至再冷凝器冷卻為LNG一并外輸。BOG壓縮機采用低溫往復式壓縮機或離心式壓縮機，可通過逐級調節來實現流量控制，其流量開度由LNG儲罐的壓力來調節，但最大流量受再冷凝器的能力限制。在自動操作模式下，LNG儲罐壓力由絕壓控制器來控制，該控制器町根據LNG儲罐操作壓力自動選擇壓縮機的運行負荷等級。在手動操作模式下，由操作人員根據LNG儲罐的操作壓力確定壓縮機的運行負荷等級。
    再冷凝器主要有3個功能：①冷凝BOG；②作為LNG高壓輸送泵的入口緩沖容器；③再冷凝器內部的液位高度可滿足LNG高壓泵入口的氣蝕余量(NPSH)值的要求。再冷凝器由上下兩部分組成：上部為進料塔，蒸發氣和LNG從再冷凝器的頂部進料后，在進料塔中換熱，BOG被冷凝液化；下部可作為LNG高壓輸送泵的緩沖罐。再冷凝器設有流量比例控制系統，根據蒸發氣的流量來控制進入再冷凝器的LNG流量，以確保進入高壓輸送泵的LNG處于過冷狀態，同時保證LNG高壓輸送泵不會產生氣蝕現象。
2 LNG接收站中BOG的靜態計算模型
    LNG接收站中BOG的產生主要來源于以下7個方面[7]：①LNG儲罐、設備及循環管線的外界熱量輸入導致的LNG蒸發氣化；②最大卸船(裝載)流速下的空間置換(LNG船、槽車與槽船等)；③卸船時LNG注入LNG儲罐導致的閃蒸；④泵循環產生的熱量輸入；⑤大氣壓力變化導致的相平衡變化；⑥BOG減溫器中LNG的蒸發氣化；⑦LNG儲罐內的“翻滾(Roll over)”。
2.1 外界熱量輸入(VT)
    外界熱量輸入包括LNG儲罐、設備及循環管線等。理論上講，VT應是正常操作：工況下的最高環境溫度、LNG儲罐滿載和最大LNC-循環流速下的最大值。通常計算時，LNG儲罐氣體蒸發率按照常規大型LNG儲罐的給定BOG速率考慮，一般而言，LNG儲罐滿罐的日蒸發率為其質量分數的0.05%～0.06%。循環管線的BOG速率應根據管道尺寸規格和長度分別進行計算。
2.2 流體置換(VL)
    對于LNG接收站，流體置換VL主要包括LNG卸船操作期間LNG儲罐內氣相空間的置換和LNG槽車(槽船等)裝載期間LNG儲罐內液相空間的負置換。在計算時，通常可以近似使用理想氣體方程，或使用HYSYS核算準確的BOG物性參數。
2.3 卸船時LNG注入儲罐導致的閃蒸(VF)
    卸船操作時，LNG注入LNG接收站儲罐將發生閃蒸。閃蒸K包括LNG船泵做功的熱輸入、卸料臂和卸船管線的環境熱輸入、LNG儲罐內液位上升不斷“冷卻”罐壁、兩種不同狀態LNG的混合以及帶壓LNG(相平衡狀態不同)進入LNG儲罐后“膨脹”導致的閃蒸。
    一種較為準確的計算方法是分開計算LNG進入LNG儲罐發生“膨脹”前后的焓差和“冷卻”管壁帶來的熱輸入：
   VF=[(H1+H2+H3+H4)-HT]/L+[CIN·(T0-T1)·M]/(t·L)    (1)
式中H1為LNG船艙中的LNG質量焓，kJ；H2為LNG船艙泵的熱輸入，kJ；H3為LNG卸料臂的熱輸入，kJ；H4為LNG卸料管線的熱輸入，kJ；HT為LNG儲罐中的LNG質量焓，kJ；L為NG氣化潛熱，kJ/kg；CIN為NG儲罐內壁的熱容，kJ/(kg·K)；T0為NG儲罐內壁進料前的溫度，℃；T1為NG儲罐內壁進料后的溫度，℃；M為NG儲罐內壁的質量，kg；t為船時間，h。
    另外一種更加簡化的估算方法是假設LNG儲罐內的LNG初始處于相平衡狀態，則：
VF=F×卸船流速-{1-exp[C·(Tb-Tf)/L])×船流速    (2)
式中F為膨脹前LNG溫度比儲罐內泡點溫度高而導致進罐后發生氣化的LNG比例；C為NG熱容，kJ/(kg·K)；Tb為NG儲罐內壓力下的泡點溫度，K；Tf為儲罐前的LNG溫度，K。
2.4 LNG泵打循環產生的熱量輸入(VR)
    即由于泵做功和打循環最后回入LNG儲罐的LNG引入熱量VR產生的BOG。其計算較為簡單，即泵做功和循環產生的熱量與LNG的氣化潛熱之比。
2.5 大氣壓力變化導致的相平衡變化(VA)
由于大氣壓力的突然變化，尤其是當LNG儲罐內的操作壓力較高甚至接近最大操作壓力時，外界大氣壓如果突然降低將會引起LNG儲罐內氣相空間的膨脹和液相空間的過熱蒸發。反之則有可能導致LNG儲罐內出現類真空狀態。其中，液相空間過熱蒸發的情況類似于公式(2)中的F，故計算方式也基本相同。
 
當然，對于該液相空間過熱蒸發引起的BOG的計算也有其他更加準確的方法。根據H-T.Hasheim關系式[8]，可以得出：
 
式中V為LNG儲罐內的氣相空間，m3；p為LNG儲罐內的操作壓力(絕壓)，Pa；dp/dt為大氣壓力變化速率，Pa/h；ps為LNG儲罐內氣液界面的過飽和壓力，Pa；VT1為LNG儲罐滿罐靜態蒸發率的一半(即對應于儲罐內僅有20%LNG時的液位)，kg/h；A為LNG儲罐內氣液界面面積，m2。
2.6 卸船工況下的回氣和外輸氣體的負置換
    在卸船工況下，一部分BOG將返回LNG船以平衡船艙內壓力，計算時應減去LNG船自身蒸發產生的BOG量。一般而言，LNG船滿艙的日蒸發率為其質量分數的0.13%。而正常氣體外輸時，即與LNG儲罐內外輸的LNG對等體積的BOG量減少了。
2.7 LNG儲罐內發生“翻滾(Roll-over)”(VB)
    由于LNG儲罐內發生“翻滾”而產生的BOG量計算較為復雜，通常采用CFD模型或其他特殊的計算工具。VB對于一般設計計算BOG產生量的意義并不明顯。但作為估算，根據過去發生的實例和相關試驗，有如下大致關系[9]：
    VB=100·VT    (6)
3 實例計算
以廣東省某LNG接收終端項目為例，相關參數為：LNG沸點溫度(常壓下)為-162℃；LNG密度(常壓下)為424.7kg/m3；LNG氣化潛熱(常壓下)為514kJ/kg；蒸發氣密度(標態)為0.6693kg/m3；BOG操作溫度為-140℃；LNG儲罐配置為16×104m3(3座)；LNG儲罐操作壓力為18kPa；LNG船艙操作壓力為10kPa；循環管線最大熱輸入速率為25W/m2；環境大氣壓力變化速率為5.6Pa/h；LNG卸船流速為13200m3/h；槽車裝車流速為600m3/h；槽車操作壓力為100kPa。計算結果如表1所示。
 

   根據上述計算結果，BOG處理系統對應的最大處理量為20.6t/h。在考慮BOG壓縮機配備時，為了避免不必要的投資增加，提高設備利用效率，僅需配備2臺BOG壓縮機即可，其中要求單臺壓縮機處理能力滿足非卸船工況下的正常要求，即12.5t/h，而2臺壓縮機的總處理能力滿足卸船工況下的處理要求。該BOG壓縮機配置方式相應決定了LNG接收站運行操作方式。一旦其中1臺BOG壓縮機發生故障，仍有1臺壓縮機能夠滿足正常(非卸船)工況下的需求，僅在卸船工況下發生部分BOG放空，仍是經濟合理的。
4 結束語
    筆者主要探討了設計階段保守估算BOG產生量的完整靜態計算方法，并結合工程實例進行了計算，提出了BOG壓縮機輸量和能力的合理配置方案。該計算方法主要采用靜態計算且應用于設計，結果是相當保守的，而在LNG接收終端的生產運營中，BOG的實際產生量會較大程度上小于上述設計量，不設置備用BOG壓縮機的配置方式的合理性更加突出。該計算方法對于國內自主進行LNG接收站的設計有重要的參考意義，對于小型LNG衛星站的設計亦有借鑒意義。
參考文獻
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(本文作者：付子航 中海石油氣電集團有限責任公司技術研發中心)