摘 要

摘　要：对LNG应急气源站蒸发气BOG量进行理论计算，通过与BOG实际量进行比较分析，对原设计BOG回收系统进行了改进，合理选择加热器和压缩机。关键词：BOG回收利用 BOG计算 加热器

摘　要：对LNG应急气源站蒸发气BOG量进行理论计算，通过与BOG实际量进行比较分析，对原设计BOG回收系统进行了改进，合理选择加热器和压缩机。

关键词：BOG回收利用  BOG计算  加热器  压缩机

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

 

为调整能源结构，促进低碳环境，提高能源利用率，随着我国天然气西气东输工程的投产，天然气利用将越来越广泛，液化天然气(LNG)作为天然气储存的一种重要形式将得到广泛应用。由于天然气在常压下的沸点较低(-162℃)，因此在储存和运输过程中必然会有LNG蒸发成天然气，通常称此蒸发气为BOG(Boil Off Gas)。BOG系统的合理设计将直接影响LNG应急气源站的运行成本及其本身的安全利用。

1　项目实例介绍

杭州市西部LNG应急气源站(以下简称西部站)于2009年立项，2011年底投产试运行。西部站设有l台5000m³的常压罐和3台150m³的真空粉末绝热罐(以下简称真空罐)，其设计压力分别为20kPa和0.8MPa。BOG回收系统工艺流程见图1。

 

卸车台至常压罐的BOG经加热器加热，进入排量为l000m³／h压缩机(两台)加压到0.52MPa，与卸车台至真空罐的BOG汇合，经BOG调压橇调压后进入中压管网。当站内自用气设备(主要包括锅炉、直燃机和厨房设备)需用天然气时，则由BOG调压橇中压侧引出天然气经自用气调压橇调压后输送至站内自用气设备。

西部站设有两种不同压力的低温储罐，对于储罐BOG的利用也设计了两个系统。5000m³常压罐的工作压力设定为10～13kPa，150m³真空罐的工作压力设定为0.55MPa，槽车工作压力一般为0.65MPa以内。故本项目设计选用2台不同压力级制的BOG空温式加热器。常压罐BOG系统设计选用2000m³／h空温式加热器一台，设计压力为0.1MPa；真空罐及卸车过程的BOG系统设计选用了一台负荷为l500m³／h空温式加热器，设计压力为0.6MPa。

2　常压罐BOG量计算

常压罐BOG量由常压罐自然蒸发BOG量、卸车过程中预冷管道产生的BOG量、卸车置换常压罐产生的BOG量三部分组成。

2.1　常压罐自然蒸发BOG量

由于太阳辐射和从大气吸热，储罐内的LNG会自然蒸发，根据储罐BOG设计指标，日蒸发量为满罐LNG质量的0.1％，常压罐自然蒸发量的计算公式为：

 

式中qV1——常压罐自然蒸发BOG量，m³／h

Nc——常压罐数量，取1

rL——LNG密度，kg／m³，取456.5kg／m³

Vc——储罐有效容积，m³，取4500m³

rg——标况下天然气密度，kg／m³，取0.802kg／m³

将上述参数代入公式(1)，求得常压罐自然蒸发量qV1＝106.7m³／h。

2.2　卸车过程中预冷管道产生的BOG量

卸车过程中，槽车中LNG经进液总管进入常压罐，导致大量LNG蒸发，根据设计按照1h管道完全冷却。预冷过程完成后产生BOG量很少，此处忽略。以卸车过程中预冷的进液管道为研究对象，由物料平衡可知，进入管道气化的LNG等于流出管道的BOG量：

qm1＝qm2  　　         　　  (2)

式中qm1——进管道气化的LNG质量流量，kg／h

qm2——出管道BOG质量流量，kg／h

则卸车过程中预冷管道产生的BOG量为：

 

式中qV2——卸车过程中预冷管道产生的BOG量，m³／h

热流量方程式为^[1]：

LNG气化吸收的热流量：

 

式中F1——LNG气化吸收的热流量，kW

r——LNG气化潜热，kJ／kg

BOG升温吸收的热流量：

 

式中F2——BOG升温吸收的热流量，kW

cBOG——天然气的比定容热容，kJ／(kg·K)

T0——预冷时环境温度，K，取273.15K

Tg——工况下天然气的沸点，K

管道降温释放的热流量：

 

式中F3——管道降温释放的热流量，kW

a——保冷材料放热的当量系数，取l.5

m3——预冷管道的质量，kg

c3——管道的比定容热容，kJ／(kg·K)

根据单位时间能量平衡^[1]：

F1+F2=F3 　　        　　   (7)

将公式(4)～(6)代入公式(7)，得：

 

将公式(2)、(3)代入公式(8)，求得：

 

将参数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)，求得卸车过程中预冷管道产生的BOG量，即qV2＝1838.69m³／h。

2.3　卸车置换常压罐产生的BOG量

LNG槽车进行卸料时，理论上会置换出常压罐气相空间中等体积的蒸发气。但在实际操作中，这种情况一般不会发生，因为常压罐的部分蒸发气会被低温LNG冷凝，同时由于压能转化为热能会产生一部分BOG。按保守工况考虑，采用等量置换的原则计算蒸发气量的公式^[2]为：

 

其中qv3——卸车过程常压罐置换出的BOG量，m³／h

qVx——槽车卸LNG体积流量，m³／h，按照DNl50mm进液总管，取63m³／h

Mv——BOG的摩尔质量，g／mol，取l8.3g/mol

pc——储罐气相绝对压力，kPa，取ll3.325kPa

Vm——气体摩尔体积，L／mol，取22.4L／mol

p0——标准状态绝对压力，kPa，取l01.325kPa

经计算，置换产生的BOG量qV3为l47.23m³／h。

2.3　BOG量合计

根据上述三种情况产生的BOG量计算方法，得到常压系统BOG量合计为：

qVc＝qV1+qV2+qV3 　          　　   (11)

式中qVc——常压系统BOG总量，m³／h

将公式(1)、(9)、(10)计算结果代入公式(11)，求得qVc＝2092.62m³／h。

3　真空罐BOG量计算

真空罐BOG量主要来源于真空罐自然蒸发量和LNG卸车预冷管道产生的蒸发量。

3.1　真空罐自然蒸发BOG量

真空罐BOG产生原理同常压罐，真空罐自然蒸发量一般采用日蒸发量为满罐质量的0.3％，站内真空罐自然蒸发量的计算公式为：

 

式中qV4——真空罐自然蒸发量，m³／h

Nz——真空罐数量，取3

Vz——单台真空罐容积，m³，取l50m³

将上述参数代入公式(12)，求得真空罐自然蒸发量qV4＝32.02m³／h。

3.2　LNG卸车预冷管道产生的BOG量

LNG卸车预冷管道BOG产生的原理以及计算过程与常压罐卸车时计算方法相同，此处不再重复叙述。唯一区别是卸车时预冷管道长度不同，真空罐卸车预冷管道质量为m4＝3854.9kg，根据公式(9)得：

 

式中m4——真空罐卸车预冷管道质量，kg

将上述参数代入公式(13)，求得qV5＝1481.9m³／h。

3.3　BOG量合计

真空罐卸车置换过程中由于槽车和真空罐的压力等级相同，所以此过程中置换真空罐产生的BOG量非常少，可以忽略。

真空罐BOG产生量根据上述两种情况分析，可以得到真空罐BOG总量：

qVZ＝qV4+qV5  　　　　        　  (14)

式中qVZ——真空罐产生的BOG总量，m³／h

将公式(12)、(13)计算结果代入公式(14)，求得qVZ＝1513.92m³／h。

4　实际运行中BOG量统计分析

西部站自2011年l2月28日投入运行以来，运行正常。下面结合实际生产过程中的BOG数据，对日常运行以及卸车过程中产生的BOG量进行分析。

4.1　常压罐和真空罐日常运行时实际自然蒸发量

我们节选一年来的具有代表性的一个月的数据，见图2。

 

图2中纵坐标为2012年1月17日至2月l7日一个月每天常压罐和真空罐实际自然蒸发量之和。可以看出，1月22日蒸发量最大，为4751m³／d，根据统计BOG量平均为2682m³／d。理论BOG量为24(qV1+qV4)＝3329.28m³／d，理论计算由于是按照满罐容量计算，因此大于实际蒸发量。实际BOG量与理论计算值基本一致，说明储罐保冷效果基本符合设计要求。出现峰谷波动是由于站内设备调试以及罐内LNG随着时间和吸热不均匀有小范围的翻滚出现，本文不做展开分析。

4.2　有卸车过程实际蒸发量

从图3可以看出，有卸车过程最大BOG量出现在10月15日，为12588m³／d。由于当天卸液过程断断续续，每次卸车时间间隔较长，因此每次都存在对卸车管的预冷，计算当天BOG产生量时按照3h计算，即3qV2总的卸车时间按照l2h计算，即置换常压罐产生的BOG量按照12qV3计算；储罐自然蒸发量按照24h计算，即24(qV1+qV4)。

 

最大理论BOG量计算为：

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

式中qV——根据理论计算卸车过程产生的BOG总量，m³／d

将相关理论计算值代入公式(15)，求得：qV＝10612.11m³／d。

理论计算数据和实际运行数据基本相符，系统运行稳定。常压罐BOG总量为qVc=2092.62m³／h，真空罐BOG总量为qVZ=1513.92m³／h。本项目BOG系统设计即按照理论计算选型：常压罐BOG系统选用了一台2000m³／h空温式加热器，1000m³／h的BOG压缩机两台，真空罐BOG加热器选用负荷为1500m³／h。

5　结论与建议

①由于实际卸车过程中不可能一开始就满负荷地进行卸液，而是先从一个卸车台开始向真空罐进行卸车，对进液管道逐步预冷，待进液管道完全预冷完成后再逐步增加到4个卸车台同时往常压罐进行卸液。根据实际运行以及理论计算情况，BOG产生量主要由卸车预冷速度决定，因此西部站BOG系统中加热器的选型实际偏大，常压罐BOG加热器与真空罐BOG加热器分别选用1500m³／h和1000m³／h即可满足实际操作要求。

②根据BOG量的计算情况，本项目原设计了两台负荷为1000m³／h压缩机。根据理论计算和实际发生的BOG量的比较，在正常运行不卸车的情况下，常压罐BOG量仅为106.7m³／h，这就意味着1000m³／h压缩机必须频繁启动，配置显然不合理。因此，我们在项目投产前，在原来1000m³／h压缩机旁增加了一台200m³／h的BOG压缩机。正常运行时，只需开启200m³／h的BOG压缩机即可满足工艺要求；当卸车或者倒罐时，可以根据需要开启另外两台1000m³／h压缩机。压缩机按此配置，一直运行状况良好。

③站内自用气设备，比如直燃机、厨房设备、锅炉等设备的用气，建议直接从常压罐BOG加热器之后取气，既可减少BOG压缩机的开启频率，又经济节能。

 

参考文献：

[1]沈维道，蒋智敏，童钧耕．工程热力学[M]．北京：高等教育出版社，2001：33-34．

[2]康正凌，孙新征．LNG接收站蒸发量计算方法[J]．油气储运，2011，30(9)：663-666．

 

本文作者：吴晓筵  吴军贵

作者单位：杭州市燃气集团有限公司