LNG接收站蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算模型

摘 要

摘要：BOG(Boil-Off Gas)系統(tǒng)是LNG接收站設(shè)計(jì)階段中必須重點(diǎn)考慮的關(guān)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(tǒng)是LNG接收站設(shè)計(jì)階段中必須重點(diǎn)考慮的關(guān)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(shè)計(jì)中則應(yīng)結(jié)合氣化外輸壓力、最小外輸流量等不同項(xiàng)目特點(diǎn)，對(duì)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(duì)設(shè)計(jì)階段保守估算BOG產(chǎn)生量引入完整的靜態(tài)計(jì)算方法，通過實(shí)例計(jì)算，提出了BOG壓縮機(jī)的合理配置方案，以期實(shí)現(xiàn)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)兩方面的優(yōu)化。該計(jì)算方法對(duì)于國(guó)內(nèi)自主進(jìn)行LNG接收站的設(shè)計(jì)具有參考意義，對(duì)于小型LNG衛(wèi)星站的設(shè)計(jì)亦有借鑒意義。
關(guān)鍵詞：LNG接收站；儲(chǔ)罐；BOG設(shè)計(jì)；計(jì)算；模型
    一個(gè)典型的LNG接收站包括7大組成部分：LNG卸船系統(tǒng)(含碼頭、靠泊等)、LNG儲(chǔ)罐、LNG氣化器、LNG罐內(nèi)泵和外輸泵系統(tǒng)、蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)(Boil-Off Gas，以下簡(jiǎn)稱BOG)、公用工程與安全控制系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施等[1～3]。其中，BOG系統(tǒng)是與LNG接收站各主要生產(chǎn)單元緊密相關(guān)的一個(gè)全廠性系統(tǒng)，直接影響到LNG接收站生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境保護(hù)，因而成為L(zhǎng)NG接收站設(shè)計(jì)階段中必須重點(diǎn)考慮的關(guān)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(shè)計(jì)中則應(yīng)結(jié)合氣化外輸壓力、最小外輸流量等不同項(xiàng)目特點(diǎn)，按照如下優(yōu)先順序考慮BOG的回收、處理和利用：①返回LNG船補(bǔ)氣；②返回LNG儲(chǔ)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(qū)內(nèi)生活、空調(diào)、小型發(fā)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(tǒng)的組成
   BOG處理系統(tǒng)通常由以下4部分組成：BOG收集管道系統(tǒng)、BOG回氣(至LNG運(yùn)輸船)系統(tǒng)、BOG壓縮機(jī)和再冷凝器系統(tǒng)。BOG處理系統(tǒng)流程示意圖如圖1所示：

   BOG收集管道系統(tǒng)包括儲(chǔ)罐BOG與其他含有LNG容器的管道連接、含有LNG的管道與設(shè)備的排氣管道連接、LNG槽車和小型LNG運(yùn)輸船裝載置換氣體的管道連接等。BOG回氣(至LNG運(yùn)輸船)系統(tǒng)有時(shí)還包括鼓風(fēng)機(jī)或增壓壓縮機(jī)等設(shè)備。
    BOG壓縮機(jī)主要用于再冷凝工藝，即將LNG接收站內(nèi)產(chǎn)生的BOG壓縮后送至再冷凝器冷卻為L(zhǎng)NG一并外輸。BOG壓縮機(jī)采用低溫往復(fù)式壓縮機(jī)或離心式壓縮機(jī)，可通過逐級(jí)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)流量控制，其流量開度由LNG儲(chǔ)罐的壓力來調(diào)節(jié)，但最大流量受再冷凝器的能力限制。在自動(dòng)操作模式下，LNG儲(chǔ)罐壓力由絕壓控制器來控制，該控制器町根據(jù)LNG儲(chǔ)罐操作壓力自動(dòng)選擇壓縮機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷等級(jí)。在手動(dòng)操作模式下，由操作人員根據(jù)LNG儲(chǔ)罐的操作壓力確定壓縮機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷等級(jí)。
    再冷凝器主要有3個(gè)功能：①冷凝BOG；②作為L(zhǎng)NG高壓輸送泵的入口緩沖容器；③再冷凝器內(nèi)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(jìn)料塔，蒸發(fā)氣和LNG從再冷凝器的頂部進(jìn)料后，在進(jìn)料塔中換熱，BOG被冷凝液化；下部可作為L(zhǎng)NG高壓輸送泵的緩沖罐。再冷凝器設(shè)有流量比例控制系統(tǒng)，根據(jù)蒸發(fā)氣的流量來控制進(jìn)入再冷凝器的LNG流量，以確保進(jìn)入高壓輸送泵的LNG處于過冷狀態(tài)，同時(shí)保證LNG高壓輸送泵不會(huì)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。
2 LNG接收站中BOG的靜態(tài)計(jì)算模型
    LNG接收站中BOG的產(chǎn)生主要來源于以下7個(gè)方面[7]：①LNG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最大卸船(裝載)流速下的空間置換(LNG船、槽車與槽船等)；③卸船時(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大氣壓力變化導(dǎo)致的相平衡變化；⑥BOG減溫器中LNG的蒸發(fā)氣化；⑦LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的“翻滾(Roll over)”。
2.1 外界熱量輸入(VT)
    外界熱量輸入包括LNG儲(chǔ)罐、設(shè)備及循環(huán)管線等。理論上講，VT應(yīng)是正常操作：工況下的最高環(huán)境溫度、LNG儲(chǔ)罐滿載和最大LNC-循環(huán)流速下的最大值。通常計(jì)算時(shí)，LNG儲(chǔ)罐氣體蒸發(fā)率按照常規(guī)大型LNG儲(chǔ)罐的給定BOG速率考慮，一般而言，LNG儲(chǔ)罐滿罐的日蒸發(fā)率為其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.05%～0.06%。循環(huán)管線的BOG速率應(yīng)根據(jù)管道尺寸規(guī)格和長(zhǎng)度分別進(jìn)行計(jì)算。
2.2 流體置換(VL)
    對(duì)于LNG接收站，流體置換VL主要包括LNG卸船操作期間LNG儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間的置換和LNG槽車(槽船等)裝載期間LNG儲(chǔ)罐內(nèi)液相空間的負(fù)置換。在計(jì)算時(shí)，通常可以近似使用理想氣體方程，或使用HYSYS核算準(zhǔn)確的BOG物性參數(shù)。
2.3 卸船時(shí)LNG注入儲(chǔ)罐導(dǎo)致的閃蒸(VF)
    卸船操作時(shí)，LNG注入LNG接收站儲(chǔ)罐將發(fā)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(huán)境熱輸入、LNG儲(chǔ)罐內(nèi)液位上升不斷“冷卻”罐壁、兩種不同狀態(tài)LNG的混合以及帶壓LNG(相平衡狀態(tài)不同)進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐后“膨脹”導(dǎo)致的閃蒸。
    一種較為準(zhǔn)確的計(jì)算方法是分開計(jì)算LNG進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐發(fā)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L(zhǎng)NG船艙中的LNG質(zhì)量焓，kJ；H2為L(zhǎng)NG船艙泵的熱輸入，kJ；H3為L(zhǎng)NG卸料臂的熱輸入，kJ；H4為L(zhǎng)NG卸料管線的熱輸入，kJ；HT為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐中的LNG質(zhì)量焓，kJ；L為NG氣化潛熱，kJ/kg；CIN為NG儲(chǔ)罐內(nèi)壁的熱容，kJ/(kg·K)；T0為NG儲(chǔ)罐內(nèi)壁進(jìn)料前的溫度，℃；T1為NG儲(chǔ)罐內(nèi)壁進(jìn)料后的溫度，℃；M為NG儲(chǔ)罐內(nèi)壁的質(zhì)量，kg；t為船時(shí)間，h。
    另外一種更加簡(jiǎn)化的估算方法是假設(shè)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG初始處于相平衡狀態(tài)，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(chǔ)罐內(nèi)泡點(diǎn)溫度高而導(dǎo)致進(jìn)罐后發(fā)生氣化的LNG比例；C為NG熱容，kJ/(kg·K)；Tb為NG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力下的泡點(diǎn)溫度，K；Tf為儲(chǔ)罐前的LNG溫度，K。
2.4 LNG泵打循環(huán)產(chǎn)生的熱量輸入(VR)
    即由于泵做功和打循環(huán)最后回入LNG儲(chǔ)罐的LNG引入熱量VR產(chǎn)生的BOG。其計(jì)算較為簡(jiǎn)單，即泵做功和循環(huán)產(chǎn)生的熱量與LNG的氣化潛熱之比。
2.5 大氣壓力變化導(dǎo)致的相平衡變化(VA)
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)。反之則有可能導(dǎo)致LNG儲(chǔ)罐內(nèi)出現(xiàn)類真空狀態(tài)。其中，液相空間過熱蒸發(fā)的情況類似于公式(2)中的F，故計(jì)算方式也基本相同。
 
當(dāng)然，對(duì)于該液相空間過熱蒸發(fā)引起的BOG的計(jì)算也有其他更加準(zhǔn)確的方法。根據(jù)H-T.Hasheim關(guān)系式[8]，可以得出：
 
式中V為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐內(nèi)的氣相空間，m3；p為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐內(nèi)的操作壓力(絕壓)，Pa；dp/dt為大氣壓力變化速率，Pa/h；ps為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐內(nèi)氣液界面的過飽和壓力，Pa；VT1為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐滿罐靜態(tài)蒸發(fā)率的一半(即對(duì)應(yīng)于儲(chǔ)罐內(nèi)僅有20%LNG時(shí)的液位)，kg/h；A為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐內(nèi)氣液界面面積，m2。
2.6 卸船工況下的回氣和外輸氣體的負(fù)置換
    在卸船工況下，一部分BOG將返回LNG船以平衡船艙內(nèi)壓力，計(jì)算時(shí)應(yīng)減去LNG船自身蒸發(fā)產(chǎn)生的BOG量。一般而言，LNG船滿艙的日蒸發(fā)率為其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.13%。而正常氣體外輸時(shí)，即與LNG儲(chǔ)罐內(nèi)外輸?shù)腖NG對(duì)等體積的BOG量減少了。
2.7 LNG儲(chǔ)罐內(nèi)發(fā)生“翻滾(Roll-over)”(VB)
    由于LNG儲(chǔ)罐內(nèi)發(fā)生“翻滾”而產(chǎn)生的BOG量計(jì)算較為復(fù)雜，通常采用CFD模型或其他特殊的計(jì)算工具。VB對(duì)于一般設(shè)計(jì)計(jì)算BOG產(chǎn)生量的意義并不明顯。但作為估算，根據(jù)過去發(fā)生的實(shí)例和相關(guān)試驗(yàn)，有如下大致關(guān)系[9]：
    VB=100·VT    (6)
3 實(shí)例計(jì)算
以廣東省某LNG接收終端項(xiàng)目為例，相關(guān)參數(shù)為：LNG沸點(diǎn)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(fā)氣密度(標(biāo)態(tài))為0.6693kg/m3；BOG操作溫度為-140℃；LNG儲(chǔ)罐配置為16×104m3(3座)；LNG儲(chǔ)罐操作壓力為18kPa；LNG船艙操作壓力為10kPa；循環(huán)管線最大熱輸入速率為25W/m2；環(huán)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(jì)算結(jié)果如表1所示。
 

   根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，BOG處理系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的最大處理量為20.6t/h。在考慮BOG壓縮機(jī)配備時(shí)，為了避免不必要的投資增加，提高設(shè)備利用效率，僅需配備2臺(tái)BOG壓縮機(jī)即可，其中要求單臺(tái)壓縮機(jī)處理能力滿足非卸船工況下的正常要求，即12.5t/h，而2臺(tái)壓縮機(jī)的總處理能力滿足卸船工況下的處理要求。該BOG壓縮機(jī)配置方式相應(yīng)決定了LNG接收站運(yùn)行操作方式。一旦其中1臺(tái)BOG壓縮機(jī)發(fā)生故障，仍有1臺(tái)壓縮機(jī)能夠滿足正常(非卸船)工況下的需求，僅在卸船工況下發(fā)生部分BOG放空，仍是經(jīng)濟(jì)合理的。
4 結(jié)束語
    筆者主要探討了設(shè)計(jì)階段保守估算BOG產(chǎn)生量的完整靜態(tài)計(jì)算方法，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算，提出了BOG壓縮機(jī)輸量和能力的合理配置方案。該計(jì)算方法主要采用靜態(tài)計(jì)算且應(yīng)用于設(shè)計(jì)，結(jié)果是相當(dāng)保守的，而在LNG接收終端的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中，BOG的實(shí)際產(chǎn)生量會(huì)較大程度上小于上述設(shè)計(jì)量，不設(shè)置備用BOG壓縮機(jī)的配置方式的合理性更加突出。該計(jì)算方法對(duì)于國(guó)內(nèi)自主進(jìn)行LNG接收站的設(shè)計(jì)有重要的參考意義，對(duì)于小型LNG衛(wèi)星站的設(shè)計(jì)亦有借鑒意義。
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(本文作者：付子航 中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心)