摘 要

摘　要：對LNG應急氣源站蒸發氣BOG量進行理論計算，通過與BOG實際量進行比較分析，對原設計BOG回收系統進行了改進，合理選擇加熱器和壓縮機。關鍵詞：BOG回收利用 BOG計算 加熱器

摘　要：對LNG應急氣源站蒸發氣BOG量進行理論計算，通過與BOG實際量進行比較分析，對原設計BOG回收系統進行了改進，合理選擇加熱器和壓縮機。

關鍵詞：BOG回收利用  BOG計算  加熱器  壓縮機

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

 

為調整能源結構，促進低碳環境，提高能源利用率，隨著我國天然氣西氣東輸工程的投產，天然氣利用將越來越廣泛，液化天然氣(LNG)作為天然氣儲存的一種重要形式將得到廣泛應用。由于天然氣在常壓下的沸點較低(-162℃)，因此在儲存和運輸過程中必然會有LNG蒸發成天然氣，通常稱此蒸發氣為BOG(Boil Off Gas)。BOG系統的合理設計將直接影響LNG應急氣源站的運行成本及其本身的安全利用。

1　項目實例介紹

杭州市西部LNG應急氣源站(以下簡稱西部站)于2009年立項，2011年底投產試運行。西部站設有l臺5000m³的常壓罐和3臺150m³的真空粉末絕熱罐(以下簡稱真空罐)，其設計壓力分別為20kPa和0.8MPa。BOG回收系統工藝流程見圖1。

 

卸車臺至常壓罐的BOG經加熱器加熱，進入排量為l000m³／h壓縮機(兩臺)加壓到0.52MPa，與卸車臺至真空罐的BOG匯合，經BOG調壓橇調壓后進入中壓管網。當站內自用氣設備(主要包括鍋爐、直燃機和廚房設備)需用天然氣時，則由BOG調壓橇中壓側引出天然氣經自用氣調壓橇調壓后輸送至站內自用氣設備。

西部站設有兩種不同壓力的低溫儲罐，對于儲罐BOG的利用也設計了兩個系統。5000m³常壓罐的工作壓力設定為10～13kPa，150m³真空罐的工作壓力設定為0.55MPa，槽車工作壓力一般為0.65MPa以內。故本項目設計選用2臺不同壓力級制的BOG空溫式加熱器。常壓罐BOG系統設計選用2000m³／h空溫式加熱器一臺，設計壓力為0.1MPa；真空罐及卸車過程的BOG系統設計選用了一臺負荷為l500m³／h空溫式加熱器，設計壓力為0.6MPa。

2　常壓罐BOG量計算

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

2.1　常壓罐自然蒸發BOG量

由于太陽輻射和從大氣吸熱，儲罐內的LNG會自然蒸發，根據儲罐BOG設計指標，日蒸發量為滿罐LNG質量的0.1％，常壓罐自然蒸發量的計算公式為：

 

式中qV1——常壓罐自然蒸發BOG量，m³／h

Nc——常壓罐數量，取1

rL——LNG密度，kg／m³，取456.5kg／m³

Vc——儲罐有效容積，m³，取4500m³

rg——標況下天然氣密度，kg／m³，取0.802kg／m³

將上述參數代入公式(1)，求得常壓罐自然蒸發量qV1＝106.7m³／h。

2.2　卸車過程中預冷管道產生的BOG量

卸車過程中，槽車中LNG經進液總管進入常壓罐，導致大量LNG蒸發，根據設計按照1h管道完全冷卻。預冷過程完成后產生BOG量很少，此處忽略。以卸車過程中預冷的進液管道為研究對象，由物料平衡可知，進入管道氣化的LNG等于流出管道的BOG量：

qm1＝qm2  　　         　　  (2)

式中qm1——進管道氣化的LNG質量流量，kg／h

qm2——出管道BOG質量流量，kg／h

則卸車過程中預冷管道產生的BOG量為：

 

式中qV2——卸車過程中預冷管道產生的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——預冷時環境溫度，K，取273.15K

Tg——工況下天然氣的沸點，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——保冷材料放熱的當量系數，取l.5

m3——預冷管道的質量，kg

c3——管道的比定容熱容，kJ／(kg·K)

根據單位時間能量平衡^[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)，求得卸車過程中預冷管道產生的BOG量，即qV2＝1838.69m³／h。

2.3　卸車置換常壓罐產生的BOG量

LNG槽車進行卸料時，理論上會置換出常壓罐氣相空間中等體積的蒸發氣。但在實際操作中，這種情況一般不會發生，因為常壓罐的部分蒸發氣會被低溫LNG冷凝，同時由于壓能轉化為熱能會產生一部分BOG。按保守工況考慮，采用等量置換的原則計算蒸發氣量的公式^[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進液總管，取63m³／h

Mv——BOG的摩爾質量，g／mol，取l8.3g/mol

pc——儲罐氣相絕對壓力，kPa，取ll3.325kPa

Vm——氣體摩爾體積，L／mol，取22.4L／mol

p0——標準狀態絕對壓力，kPa，取l01.325kPa

經計算，置換產生的BOG量qV3為l47.23m³／h。

2.3　BOG量合計

根據上述三種情況產生的BOG量計算方法，得到常壓系統BOG量合計為：

qVc＝qV1+qV2+qV3 　          　　   (11)

式中qVc——常壓系統BOG總量，m³／h

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

3　真空罐BOG量計算

真空罐BOG量主要來源于真空罐自然蒸發量和LNG卸車預冷管道產生的蒸發量。

3.1　真空罐自然蒸發BOG量

真空罐BOG產生原理同常壓罐，真空罐自然蒸發量一般采用日蒸發量為滿罐質量的0.3％，站內真空罐自然蒸發量的計算公式為：

 

式中qV4——真空罐自然蒸發量，m³／h

Nz——真空罐數量，取3

Vz——單臺真空罐容積，m³，取l50m³

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

3.2　LNG卸車預冷管道產生的BOG量

LNG卸車預冷管道BOG產生的原理以及計算過程與常壓罐卸車時計算方法相同，此處不再重復敘述。唯一區別是卸車時預冷管道長度不同，真空罐卸車預冷管道質量為m4＝3854.9kg，根據公式(9)得：

 

式中m4——真空罐卸車預冷管道質量，kg

將上述參數代入公式(13)，求得qV5＝1481.9m³／h。

3.3　BOG量合計

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

真空罐BOG產生量根據上述兩種情況分析，可以得到真空罐BOG總量：

qVZ＝qV4+qV5  　　　　        　  (14)

式中qVZ——真空罐產生的BOG總量，m³／h

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

4　實際運行中BOG量統計分析

西部站自2011年l2月28日投入運行以來，運行正常。下面結合實際生產過程中的BOG數據，對日常運行以及卸車過程中產生的BOG量進行分析。

4.1　常壓罐和真空罐日常運行時實際自然蒸發量

我們節選一年來的具有代表性的一個月的數據，見圖2。

 

圖2中縱坐標為2012年1月17日至2月l7日一個月每天常壓罐和真空罐實際自然蒸發量之和。可以看出，1月22日蒸發量最大，為4751m³／d，根據統計BOG量平均為2682m³／d。理論BOG量為24(qV1+qV4)＝3329.28m³／d，理論計算由于是按照滿罐容量計算，因此大于實際蒸發量。實際BOG量與理論計算值基本一致，說明儲罐保冷效果基本符合設計要求。出現峰谷波動是由于站內設備調試以及罐內LNG隨著時間和吸熱不均勻有小范圍的翻滾出現，本文不做展開分析。

4.2　有卸車過程實際蒸發量

從圖3可以看出，有卸車過程最大BOG量出現在10月15日，為12588m³／d。由于當天卸液過程斷斷續續，每次卸車時間間隔較長，因此每次都存在對卸車管的預冷，計算當天BOG產生量時按照3h計算，即3qV2總的卸車時間按照l2h計算，即置換常壓罐產生的BOG量按照12qV3計算；儲罐自然蒸發量按照24h計算，即24(qV1+qV4)。

 

最大理論BOG量計算為：

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

式中qV——根據理論計算卸車過程產生的BOG總量，m³／d

將相關理論計算值代入公式(15)，求得：qV＝10612.11m³／d。

理論計算數據和實際運行數據基本相符，系統運行穩定。常壓罐BOG總量為qVc=2092.62m³／h，真空罐BOG總量為qVZ=1513.92m³／h。本項目BOG系統設計即按照理論計算選型：常壓罐BOG系統選用了一臺2000m³／h空溫式加熱器，1000m³／h的BOG壓縮機兩臺，真空罐BOG加熱器選用負荷為1500m³／h。

5　結論與建議

①由于實際卸車過程中不可能一開始就滿負荷地進行卸液，而是先從一個卸車臺開始向真空罐進行卸車，對進液管道逐步預冷，待進液管道完全預冷完成后再逐步增加到4個卸車臺同時往常壓罐進行卸液。根據實際運行以及理論計算情況，BOG產生量主要由卸車預冷速度決定，因此西部站BOG系統中加熱器的選型實際偏大，常壓罐BOG加熱器與真空罐BOG加熱器分別選用1500m³／h和1000m³／h即可滿足實際操作要求。

②根據BOG量的計算情況，本項目原設計了兩臺負荷為1000m³／h壓縮機。根據理論計算和實際發生的BOG量的比較，在正常運行不卸車的情況下，常壓罐BOG量僅為106.7m³／h，這就意味著1000m³／h壓縮機必須頻繁啟動，配置顯然不合理。因此，我們在項目投產前，在原來1000m³／h壓縮機旁增加了一臺200m³／h的BOG壓縮機。正常運行時，只需開啟200m³／h的BOG壓縮機即可滿足工藝要求；當卸車或者倒罐時，可以根據需要開啟另外兩臺1000m³／h壓縮機。壓縮機按此配置，一直運行狀況良好。

③站內自用氣設備，比如直燃機、廚房設備、鍋爐等設備的用氣，建議直接從常壓罐BOG加熱器之后取氣，既可減少BOG壓縮機的開啟頻率，又經濟節能。

 

參考文獻：

[1]沈維道，蔣智敏，童鈞耕．工程熱力學[M]．北京：高等教育出版社，2001：33-34．

[2]康正凌，孫新征．LNG接收站蒸發量計算方法[J]．油氣儲運，2011，30(9)：663-666．

 

本文作者：吳曉筵  吳軍貴

作者單位：杭州市燃氣集團有限公司