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

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

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

付子航

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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。

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)營的安全性、經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境保護(hù),因而成為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[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LN G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。

圖1 LNG接收站BOG處理系統(tǒng)流程示意圖注:圖中藍(lán)色流程為BOG處理流程

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LNG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,該控制器可根據(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LNG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 LN G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LNG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LNG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VF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LN G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:

式中 H1為LNG船艙中的LNG質(zhì)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(chǔ)罐中的LN G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LN G初始處于相平衡狀態(tài),則:

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N G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LN G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)LN G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LN G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LN G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LN G儲(chǔ)罐內(nèi)的氣相空間,m3;p為LNG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LNG儲(chǔ)罐內(nèi)氣液界面的過飽和壓力, Pa;VT1為LNG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LNG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LN G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]:

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424.7 kg/m3;LN G氣化潛熱(常壓下)為514 kJ/kg;蒸發(fā)氣密度(標(biāo)態(tài))為0.669 3 kg/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18 kPa;LNG船艙操作壓力為10 kPa;循環(huán)管線最大熱輸入速率為25 W/ m2;環(huán)境大氣壓力變化速率為5.6 Pa/h;LNG卸船流速為13 200 m3/h;槽車裝車流速為600 m3/h;槽車操作壓力為100 kPa。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20.6 t/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12.5 t/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。

表1 某LNG接收站BOG產(chǎn)生量靜態(tài)計(jì)算結(jié)果表

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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A static-design calculation model of boil-off gas(BOG)handling system of an LNGreceiving terminal

Fu Zihang
(Technical R&D Center,CNOOC Gas&Power Group,Beijing100027,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME 31,ISSUE 1,pp.83-85,1/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The boil-off gas(BOG)handling system is one of the key issues at the design stage of a LNG receiving and re-gasification terminal.Different from such cases that the BOGcan be recovered as a fuel gas in a large-scale LNGplant or that the BOGcan only be vented for faring in loading conditions,the sending-out pressure and the minimal flowing rate,etc.,should be taken into consideration at the design stage of a LNG receiving terminal so that more options will be provided for the recovery,treatment and utilization of BOG.According to two basic conditions of LNG unloading and non-unloading at a terminal,we hereby conservatively calculated the quantity of the possibly produced BOG by introducing an integrative static-design method.Besides,through example calculation,we made a reasonable arrangement proposal for the BOGcompressors so as to realize both technical and economic optimization of a LNG terminal.This calculation method is of great significance in independent designing of LNG terminals and small-scale LNG satellite-stations in China.

LNG,receiving terminal,tank,boil-off gas(BOG),design,calculation,model

付子航,1979年生,高級(jí)工程師,碩士;主要從事LNG項(xiàng)目建設(shè)和技術(shù)研發(fā)工作。地址:(100027)北京市朝陽區(qū)東三環(huán)北路甲2號(hào)京信大廈2646室。電話:(010)84522951,13718557712。E-mail:fuzh@cnooc.com.cn

付子航.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.天然氣工業(yè),2011,31(1):83-85.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.01.019

(修改回稿日期 2010-11-13 編輯 何 明)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.01.019

Fu Zihang,engineer,born in 1979,holds an M.Sc.degree,being mainly engaged in the construction and technical researches of LNGprojects.

Add:Room 2837,Jingxin Building,No.Jia 2,North East 3rd Circle Rd.,Chaoyang District,Beijing 100027,P.R.China

Tel:+86-10-8452 2951Mobile:+86-13718557712E-mail:fuzh@cnooc.com.cn