大型陸上LNG常壓儲(chǔ)罐的BOG計(jì)算

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)有限公司 魯國文 戚貴強(qiáng)

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大型陸上LNG常壓儲(chǔ)罐的BOG計(jì)算

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)有限公司 魯國文 戚貴強(qiáng)

介紹了大型陸上LNG常壓儲(chǔ)罐BOG產(chǎn)生量的計(jì)算方法并進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果對(duì)BOG壓縮機(jī)的選型和BOG的處理方式具有指導(dǎo)意義。

常壓儲(chǔ)罐 液化天然氣 BOG(蒸發(fā)氣)

0 背景介紹

2017年，隨著冬季煤改氣等需求的集中釋放，天然氣供不應(yīng)求的局面加劇，一些地方出現(xiàn)了“氣荒”，LNG(液化天然氣)價(jià)格也漲至歷史新高。在此背景下，國家發(fā)展改革委辦公廳印發(fā)了《關(guān)于統(tǒng)籌規(guī)劃做好儲(chǔ)氣設(shè)施建設(shè)運(yùn)行的通知》，要求各地區(qū)、各有關(guān)企業(yè)科學(xué)高效推進(jìn)儲(chǔ)氣設(shè)施建設(shè)。

根據(jù)顧安忠《液化天然氣技術(shù)手冊(cè)》大型常壓LNG儲(chǔ)罐通常用于與LNG生產(chǎn)裝置配套的LNG生產(chǎn)場站或接收來自LNG運(yùn)輸槽船的接近常壓標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)溫度的LNG液體，極少用于大型LNG衛(wèi)星場站。2018年開始各地LNG項(xiàng)目陸續(xù)提上日程，除了傳統(tǒng)的LNG接收站、小型LNG儲(chǔ)配站以外，大型陸上LNG常壓儲(chǔ)配庫項(xiàng)目也開始出現(xiàn)。本文針對(duì)大型陸上LNG常壓儲(chǔ)配庫的BOG(蒸發(fā)氣)產(chǎn)生量進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)BOG壓縮機(jī)的選型和BOG的處理方式具有指導(dǎo)意義。

1 工藝流程

工藝流程見圖1。

圖1 LNG儲(chǔ)配庫工藝流程

LNG由LNG槽車運(yùn)至卸車區(qū)，通過卸車口將液體LNG注入LNG儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存，卸車時(shí)為了維持槽車內(nèi)壓力穩(wěn)定，需要一部分BOG經(jīng)壓縮機(jī)返回至槽車內(nèi)。LNG自儲(chǔ)罐由低壓泵排出后進(jìn)入LNG高壓泵，增壓后進(jìn)入氣化單元，經(jīng)氣化成為氣態(tài)天然氣，再經(jīng)調(diào)壓、計(jì)量、加臭后供給下游管網(wǎng)。卸車和儲(chǔ)罐內(nèi)產(chǎn)生的BOG經(jīng)BOG壓縮機(jī)增壓后送復(fù)熱調(diào)壓計(jì)量加臭單元，進(jìn)入下游燃?xì)夤芫W(wǎng)。

2 計(jì)算參數(shù)

由于LNG氣源的多樣性，LNG的組分按《液化天然氣的一般特性》(GB/T19204—2003)中的貧液和富液兩種情況進(jìn)行計(jì)算，貧液和富液的組分和物性參數(shù)見表1。

表1 兩種LNG的組分和物性參數(shù)

主要設(shè)備及工藝運(yùn)行參數(shù)如下：

(1)LNG儲(chǔ)罐：儲(chǔ)存容積1=30 000 m3，儲(chǔ)存壓力1=25 kPa，BOG蒸發(fā)率1=0.000 8/d。

(2)LNG槽車(共12臺(tái)裝卸車位)：儲(chǔ)存容積2=50 m3，儲(chǔ)存壓力2=400 kPa，BOG蒸發(fā)率2=0.001 5/d。

(3)卸車管線管徑0.25 m，保溫層厚度0.1 m，漏熱率25 W/m2，管線長度300 m。

(4)卸車速率S4=27 m3/h。

(5)循環(huán)管線最大熱輸入速率為25 W/m2。

(6)外輸速率S2=480 m3/h。

3 計(jì)算過程

根據(jù)付子航《接收站蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算模型》，LNG儲(chǔ)配庫中BOG的產(chǎn)生原因主要有以下7個(gè)方面：

(1)LNG儲(chǔ)罐、設(shè)備及循環(huán)管線的外界熱量輸入導(dǎo)致的LNG蒸發(fā)氣化。

(2)最大卸車(外輸)流速下的體積置換。

(3)卸車時(shí)LNG注入LNG儲(chǔ)罐導(dǎo)致的閃蒸。

(4)泵循環(huán)產(chǎn)生的熱量輸入。

(5)卸車時(shí)的BOG回氣量。

(6)大氣壓力變化導(dǎo)致的相平衡變化。

(7)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的“翻滾”。

本文以貧液為例進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程如下：

3.1 外界熱量輸入

外界熱量輸入包括LNG儲(chǔ)罐、設(shè)備及循環(huán)管線等。通常計(jì)算時(shí)，LNG儲(chǔ)罐和槽車儲(chǔ)罐氣體蒸發(fā)率按照常規(guī)給定的BOG速率考慮。循環(huán)管線的BOG速率應(yīng)根據(jù)管道尺寸規(guī)格和長度分別進(jìn)行計(jì)算(本文計(jì)算時(shí)忽略其它小管徑管線，對(duì)卸車主管長進(jìn)行適度放大)。

3.1.1 大罐漏熱

1=11×1/24 (1)

式中：1——儲(chǔ)罐漏熱產(chǎn)生的BOG量，kg/h；

1——儲(chǔ)罐體積，取30 000 m3；

1——儲(chǔ)罐BOG蒸發(fā)率，取0.000 8/d；

1——儲(chǔ)罐壓力下LNG的密度，m3/kg。

由HYSYS(HYSYS軟件是世界著名油氣加工模擬大型專家系統(tǒng)軟件)計(jì)算得1=427.4 m3/kg，代入(1)式得：

1=427.4 kg/h。

3.1.2 槽車漏熱

2=22×2/24 (2)

式中：2——槽車儲(chǔ)罐漏熱產(chǎn)生的BOG量，kg/h；

2——儲(chǔ)罐體積，取50 m3；

2——槽車儲(chǔ)罐BOG蒸發(fā)率，取0.001 5/d；

2——槽車儲(chǔ)罐壓力下LNG的密度，m3/kg。

由HYSYS計(jì)算得2=395m3/kg，代入(2)式得：

2=1.23 kg/h。

3.1.3 卸車管線漏熱

3=0.25×π×[2-(-)2]××3/(3)

式中：3——卸車管線漏熱產(chǎn)生的BOG量，kg/h；

——管線直徑，取0.25 m；

——保溫層厚度，取0.1 m；

——管線長度，取300 m；

3——管線漏熱率，取25 W/m2；

——LNG焓值(大罐壓力)，kJ/kg。

由HYSYS計(jì)算得=513.8 kJ/kg，代入(3)式得：

3=74.29 kg/h。

3.2 體積置換

LNG儲(chǔ)配庫的流體體積置換主要包括LNG卸車操作期間LNG儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間的置換和LNG外輸期間LNG儲(chǔ)罐內(nèi)液相空間的負(fù)置換。

3.2.1 卸車時(shí)體積置換量

4=44(4)

式中：4——卸車體積置換產(chǎn)生的BOG量，kg/h；

S4——卸車速率，取27 m3/h；

4——儲(chǔ)罐壓力下BOG的密度，m3/kg。

由HYSYS計(jì)算得4=2.262 m3/kg。代入(4)式得：

4=61.074 kg/h。

3.2.2 外輸時(shí)體積負(fù)置換量

5=55(5)

式中：5——外輸體積置換減少的BOG量，kg/h；

5——外輸速率，取27 m3/h；

5——儲(chǔ)罐壓力下BOG的密度，m3/kg。

由HYSYS計(jì)算得5=2.262 m3/kg，代入(5)式得：

5=1085.76 kg/h。

3.3 閃蒸

由于槽車壓力大于儲(chǔ)罐壓力，LNG注入儲(chǔ)罐將發(fā)生閃蒸，閃蒸量可使用HYSYS模擬(見圖2)計(jì)算。

圖2 HYSYS模擬閃蒸

6=×4×2(6)

式中：6——LNG閃蒸產(chǎn)生的BOG量，kg/h；

4——卸車速率，取27 m3/h；

2——槽車儲(chǔ)罐壓力下LNG的密度，m3/kg；

——LNG閃蒸分率。

由HYSYS計(jì)算得2=395 m3/kg，0.1479，

代入(6)式得：

6=1 577.35 kg/h。

3.4 LNG泵做功產(chǎn)生的熱量輸入

由于泵做功引入熱量產(chǎn)生的BOG量計(jì)算較為簡單，即泵做功產(chǎn)生的熱量與LNG的氣化潛熱之比。

7=2××軸(1-)/H (7)

式中：7——由于泵做功產(chǎn)生的BOG量，kg/h；

——泵轉(zhuǎn)化的熱能可轉(zhuǎn)化成BOG的比例，一般取0.24；

——泵的效率，取0.65；

軸——泵的軸功率(兩臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行)，可取90 kw；

——LNG焓值(大罐壓力)，kJ/kg。

由HYSYS計(jì)算得=513.8 kJ/kg，代入(7)式得：

7=105.94 kg/h。

3.5 BOG回氣

在卸車工況下，一部分BOG將返回槽車以維持槽車壓力，計(jì)算時(shí)應(yīng)減去LNG自身蒸發(fā)產(chǎn)生的BOG量。

-2(8)

式中：8——BOG返回量，kg/h；

2——槽車儲(chǔ)罐漏熱產(chǎn)生的BOG量，kg/h；

4——卸車速率，取27 m3/h；

1——儲(chǔ)罐儲(chǔ)存壓力，取25 kPa；

2——槽車儲(chǔ)罐儲(chǔ)存壓力，取400 kPa；

1——BOG返回溫度，計(jì)算得-158.9℃；

2——槽車氣相溫度，計(jì)算得-138.5℃；

7——返回BOG密度，計(jì)算得2.262 m3/kg。

將數(shù)據(jù)代入(8)式得：

8=204.08 kg/h

3.6 大氣壓力變化產(chǎn)生的BOG

由于大氣壓力的突然變化，尤其是當(dāng)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的操作壓力較高甚至接近最大操作壓力時(shí)，外界大氣壓如果突然降低將會(huì)引起LNG儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間的膨脹和液相空間的過熱蒸發(fā)。大氣壓力變化具有不確定性，大氣壓下降，儲(chǔ)罐需排出部分BOG以維持儲(chǔ)罐的工作壓力。根據(jù)《液化天然氣設(shè)備與安裝 陸上裝置設(shè)計(jì)》(GB/T22724—2008)，因大氣壓下降儲(chǔ)罐需排出的BOG量可按下式計(jì)算。

9=B/1×dB/d×1(9)

式中：9——大氣壓下降時(shí)LNG儲(chǔ)罐需排出的BOG量，kg/h；

B——LNG儲(chǔ)罐氣相空間體積，最大值為儲(chǔ)罐容量的80%，m3；

1——LNG儲(chǔ)罐的工作壓力，Pa；

dB/d——為大氣壓的變化率，根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿鈮鹤兓闆r確定，沒有數(shù)據(jù)時(shí)可取2 000 Pa/h；

1——儲(chǔ)罐壓力下LNG的密度，m3/kg。

由HYSYS計(jì)算得1=427.4 m3/kg。

由于大氣壓相對(duì)穩(wěn)定，引起氣壓大的變化的臺(tái)風(fēng)工況不常有，因此考慮大氣壓變化時(shí)產(chǎn)生的過量BOG排放火炬處理。

3.7 LNG儲(chǔ)罐內(nèi)發(fā)生“翻滾”產(chǎn)生的BOG

LNG在儲(chǔ)罐內(nèi)停留時(shí)間過長時(shí)會(huì)產(chǎn)生分層，上層處于泡點(diǎn)的LNG與下層過熱LNG相混合，在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量BOG，此現(xiàn)象即為“翻滾”。由于本儲(chǔ)備庫設(shè)計(jì)時(shí)采取了低壓泵使LNG在罐內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，能有效防止LNG儲(chǔ)罐內(nèi)發(fā)生“翻滾”，故本次計(jì)算不考慮LNG儲(chǔ)罐內(nèi)發(fā)生“翻滾”產(chǎn)生的BOG量。

3.8 計(jì)算結(jié)果匯總

3.8.1 LNG為貧液時(shí)

卸車且最小外輸工況時(shí)產(chǎn)生的BOG量最大，其值為：

12×(2+4+6+8)+1+3+7=22 732.438 kg/h，約為30 000 m3/h。

非卸車且最大外輸工況時(shí)產(chǎn)生的BOG量最小,其值為-5+1+3+7=-478.13 kg/h。

3.8.2 LNG為富液時(shí)

卸車且最小外輸工況時(shí)產(chǎn)生的BOG量最大，其值為：12×(2+4+6+8)+1+3+7=4779.7 kg/h，約為8000 m3/h。

非卸車且最大外輸工況時(shí)產(chǎn)生的BOG量最小，其值為-5+1+3+7=180.3 kg/h

4 計(jì)算結(jié)果討論和壓縮機(jī)配置方案

當(dāng)LNG為貧液和富液兩種組分時(shí)，計(jì)算得出的BOG產(chǎn)生量相差很大。貧液最大工況為30000m3/h，富液最大工況為8 000 m3/h，貧液比富液大了3.75倍，這是由于LNG卸車進(jìn)入儲(chǔ)罐時(shí)閃蒸量不同而造成的。貧液的閃蒸分率達(dá)到0.147 9，而富液幾乎沒有閃蒸。考慮到兩種極端組分產(chǎn)生的BOG量，建議配置4臺(tái)8000 m3/h的BOG壓縮機(jī)。

非卸車且最大外輸工況時(shí)產(chǎn)生的最小BOG量為負(fù)值，說明外輸引起儲(chǔ)罐液位下降，儲(chǔ)罐氣相空間擴(kuò)大，系統(tǒng)自身產(chǎn)生的BOG不足以補(bǔ)充，需要從外輸氣化單元引入氣體來對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行補(bǔ)壓，補(bǔ)壓返回氣體溫度不能太高以免影響儲(chǔ)罐安全。

5 BOG處理方案

根據(jù)廖勇等《液化天然氣工廠蒸發(fā)氣量計(jì)算及處理工藝研究》，BOG的處理主要有以下5種方案：

(1)增壓后進(jìn)管網(wǎng)外輸。

(2)做儲(chǔ)配庫供熱設(shè)備的燃料氣。

(3)再液化。

(4)多級(jí)增壓作為CNG外輸。

(5)再冷凝增壓裝車外輸或增壓復(fù)熱后裝車外輸。

BOG處理工藝的選擇需要結(jié)合項(xiàng)目周邊燃?xì)饩W(wǎng)管情況，因地制宜地選擇合理的方案，使項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)行成本最低。作為城市燃?xì)獾膽?yīng)急儲(chǔ)氣設(shè)施，本身就要?dú)饣廨斶M(jìn)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)，因此BOG的處理方案選擇增壓復(fù)熱后進(jìn)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)。選擇本方案需要做好以下工作：

(1)需匹配0~30 000 m3/h規(guī)模負(fù)荷變動(dòng)的燃?xì)夤芫W(wǎng)，而且與下游管網(wǎng)做好協(xié)調(diào)調(diào)度工作，因?yàn)閮?chǔ)配庫BOG的波動(dòng)性較大，城市管網(wǎng)一天內(nèi)用氣波動(dòng)性也較大。BOG產(chǎn)生高峰期盡量做到與用氣高峰期一致，用氣低谷時(shí)管網(wǎng)應(yīng)能有足夠的容納能力。

(2)在線監(jiān)測(cè)BOG的組分和熱值，能夠滿足城市燃?xì)獾挠脷鈽?biāo)準(zhǔn)，保證燃?xì)庠O(shè)備的安全運(yùn)行。

6 結(jié)語

(1)低溫常壓儲(chǔ)罐通常用于液化廠和接收終端站，這是由于接收終端站內(nèi)的LNG儲(chǔ)罐容積均很大，其它形式的儲(chǔ)罐無法做到。接收的液體由LNG槽船運(yùn)來，槽船上的儲(chǔ)罐也是低溫常壓形式，壓力變化不大。接收終端站內(nèi)設(shè)有BOG的冷凝裝置，可以將BOG再變成LNG。液化廠內(nèi)由于有液化手段，儲(chǔ)存期間產(chǎn)生的BOG也可以變成再生氣進(jìn)行液化，故采用低溫常壓儲(chǔ)罐。

(2)LNG常壓儲(chǔ)配庫使用的LNG由汽車槽車運(yùn)來，槽車中的LNG帶有壓力，卸入到低溫常壓罐中會(huì)大量氣化而產(chǎn)生大量BOG氣體。通過計(jì)算LNG為貧液時(shí)，BOG產(chǎn)生量最大為30 000 m3/h；LNG為富液時(shí)，BOG產(chǎn)生量最大為8 000 m3/h?？紤]到兩種極端組分產(chǎn)生的BOG量，建議配置4臺(tái)8000 m3/h的BOG壓縮機(jī)。

(3)非卸車且最大外輸工況時(shí)產(chǎn)生的最小BOG量為負(fù)值，說明外輸引起儲(chǔ)罐液位下降，儲(chǔ)罐氣相空間擴(kuò)大，系統(tǒng)自身產(chǎn)生的BOG不足以補(bǔ)充，需要從外輸氣化單元引入氣體來對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行補(bǔ)壓，補(bǔ)壓返回氣體溫度不能太高以免影響儲(chǔ)罐安全。

(4)大型陸上LNG常壓儲(chǔ)配庫BOG的處理方案選擇增壓復(fù)熱后進(jìn)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)，必須匹配一定規(guī)模的下游管網(wǎng)，同時(shí)要做好協(xié)調(diào)調(diào)度工作。

Calculation of Large-scale Onshore LNG Atmospheric Storage Tank

Shanghai Gas Engineering Design & Research Co., Ltd. Lu Guowen Qi Guiqiang

This paper introduces the BOG（boil off gas）calculation method of large-scale onshore LNG normal pressure storage tank . The calculation results are instructive for the selection of BOG compressor and the treatment way of BOG.

atmospheric tank, LNG(liquefied natural gas), BOG( boil off gas)