液化天然氣工廠蒸發(fā)氣量計算及處理工藝研究

廖 勇 白宇恒 鐘志良 朱 兵 蘇理林 康 智 田東民

1中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041；

2.中國石油塔里木公司庫車勘探開發(fā)項目經(jīng)理部，新疆 庫爾勒 841000

0 前言

天然氣是一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，近年來隨著環(huán)境質(zhì)量越來越受重視，將天然氣作為車船動力能源的應(yīng)用越來越廣泛[1]。鑒于此，我國各地開始興建液化天然氣（LNG）工廠，但天然氣液化成本極高，目前降低LNG工廠的投資成本成為LNG工廠建設(shè)時重點(diǎn)考慮的一個因素[2]。準(zhǔn)確計算并合理處理LNG生產(chǎn)、儲存過程中產(chǎn)生的BOG是降低LNG工廠生產(chǎn)成本的重要環(huán)節(jié)。

目前眾多學(xué)者和行業(yè)內(nèi)工程師對LNG接收站運(yùn)行過程中產(chǎn)生的BOG量的計算及處理工藝進(jìn)行了深入研究。2000年楊曉東等人[3]對LNG接收站BOG再回收利用的方法進(jìn)行了定性分析和定量計算，給出了LNG接收站BOG再回收利用方法的使用建議；2006年劉浩等人[4]運(yùn)用廣義伯努利方程定性分析和定量計算，比較了LNG接收站BOG處理方式的優(yōu)劣；2008年陳雪等人[5]對LNG儲罐內(nèi)的BOG進(jìn)行了理論動態(tài)模擬研究，建立了儲罐內(nèi)流體的計算模型；2011年呂俊等人[6]對LNG接收站在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的BOG進(jìn)行了理論分析并給出了計算方法；2011年付子航[7-8]先后提出了靜態(tài)模型和半經(jīng)驗化的BOR動態(tài)模型，可更方便、有效地預(yù)測LNG儲罐內(nèi)的BOG量；2012年李兵等人[9]提出了LNG接收站BOG處理工藝的不足并對其進(jìn)行了優(yōu)化。

在LNG工廠生產(chǎn)和儲存過程中，BOG的產(chǎn)生原理與LNG接收站有較大區(qū)別；LNG接收站內(nèi)BOG的處理工藝更不適用于LNG工廠。針對目前LNG工廠BOG量計算及處理工藝研究的欠缺，系統(tǒng)地分析了LNG工廠內(nèi)BOG產(chǎn)生的原理并給出了計算方法，同時根據(jù)LNG工廠的特點(diǎn)，討論了BOG的處理工藝。

1 BOG產(chǎn)生原理分析

LNG工廠內(nèi)的工藝流程分為三塊：一是天然氣凈化，包括原料氣增壓、脫硫脫碳和脫水脫汞；二是凈化天然氣的低溫液化，目前國內(nèi)外常用的天然氣液化技術(shù)有階式制冷循環(huán)技術(shù)、混合冷劑循環(huán)技術(shù)、膨脹制冷技術(shù)，天然氣液化投資大、能耗高，應(yīng)根據(jù)工廠實際情況綜合比較各制冷技術(shù)的優(yōu)劣來確定合適的制冷工藝；三是LNG低溫儲存及裝車，從天然氣液化塊輸出的LNG壓力較高，溫度略高于LNG常壓儲存的飽和溫度，經(jīng)過JT閥節(jié)流回收壓能并將其轉(zhuǎn)化為冷能，使LNG溫度進(jìn)一步降低至常壓儲存的飽和溫度，然后輸送至儲罐儲存，LNG工廠生產(chǎn)的LNG一般由LNG槽車運(yùn)至用戶。

通過LNG工廠工藝可知，以JT閥為界，閥前的工藝過程屬于冷量輸入過程，閥后為冷量損失過程，正常生產(chǎn)工況下，導(dǎo)致BOG產(chǎn)生的因素包含：JT閥節(jié)流效應(yīng)，LNG儲罐漏熱效應(yīng)，LNG儲罐進(jìn)料置換效應(yīng)，大氣壓變化效應(yīng)，管道漏熱效應(yīng)，LNG循環(huán)泵熱效應(yīng)，LNG裝車泵熱效應(yīng)，LNG槽車來的泄放氣，LNG儲罐出料置換效應(yīng)。

2 BOG量理論計算方法

采用物理原理對以上影響因素進(jìn)行理論分析，結(jié)合工程實踐，給出適合工程應(yīng)用的BOG量計算方法。

2.1 JT閥節(jié)流效應(yīng)

焦耳-湯姆遜節(jié)流膨是指流體在絕熱條件下其始末態(tài)分別保持壓力恒定的等焓膨脹過程，對于真實氣體焓是溫度和壓力的函數(shù)，當(dāng)節(jié)流膨脹壓力降低時，為了維持過程等焓，溫度相應(yīng)變化。

工程設(shè)計中，應(yīng)用工藝模擬計算軟件是計算節(jié)流效應(yīng)最簡便的方法。以HYSYS工藝模擬軟件為例，首先根據(jù)天然氣液化工況創(chuàng)建一股流體，輸入物流參數(shù)，然后添加一個節(jié)流閥，再創(chuàng)建一股節(jié)流后的流體，并定義節(jié)流后的壓力為LNG儲罐工作壓力，運(yùn)行軟件即可求得因JT閥節(jié)流效應(yīng)產(chǎn)生的BOG量為Q1。

2.2 LNG儲罐漏熱效應(yīng)

LNG在儲罐中以低溫微正壓狀態(tài)儲存，外部有絕熱保冷措施，但不可避免熱量仍以傳導(dǎo)、對流、輻射等方式傳入罐內(nèi)，導(dǎo)致部分LNG汽化。

眾多學(xué)者對LNG儲罐的漏熱量從傳熱機(jī)理上進(jìn)行分析，并給出計算方法[7-9]，在儲罐設(shè)計階段具有指導(dǎo)意義，可保證儲罐在最苛刻的滿罐工況下，LNG儲罐的汽化率滿足國際通用要求。國際上對LNG低溫儲罐汽化率的控制要求見表1[10]。

表1 LNG低溫儲罐汽化率控制要求

LNG儲罐漏熱效應(yīng)產(chǎn)生的BOG量可按式（1）計算：

式中：Q2為LNG儲罐漏熱效應(yīng)產(chǎn)生的BOG量，kg/h；VL為LNG儲罐容量，m3；ε為LNG低溫儲罐汽化率，%，見表 1； ρL為儲罐內(nèi) LNG 密度，kg/m3。

2.3 LNG儲罐進(jìn)料置換效應(yīng)

儲罐儲存壓力為微正壓，LNG注入儲罐，導(dǎo)致罐內(nèi)LNG液位上升，液面上層空間的BOG需及時排出以維持儲罐的儲存壓力，注入LNG的體積即為排出BOG的體積，計算公式為：

式中：Q3為LNG儲罐進(jìn)料置換出的BOG量，kg/h；VI為LNG儲罐進(jìn)料速度，m3/h；ρB為LNG儲罐內(nèi)BOG氣體的密度，kg/m3。

2.4 大氣壓變化效應(yīng)

LNG低溫儲罐為非承壓儲罐，罐頂安全閥、呼吸閥等排氣閥門的起跳壓力基本接近儲罐的操作壓力，大氣壓下降，儲罐需排出部分BOG以維持儲罐的工作壓力。根據(jù)GB/T 22724-2008《液化天然氣設(shè)備與安裝陸上裝置設(shè)計》，因大氣壓下降儲罐需排出的BOG量可按式（3）計算：

式中：Q4為大氣壓下降時LNG儲罐需排出的BOG量，kg/h；VB為LNG儲罐氣相空間體積，最大值為儲罐容量的80%，m3；pB為LNG儲罐的工作壓力，Pa；dpB/dt為大氣壓的變化率，該數(shù)據(jù)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿鈮鹤兓闆r確定，沒有數(shù)據(jù)時可取2 000 Pa/h。

2.5 管道漏熱效應(yīng)

LNG工廠內(nèi)裝車系統(tǒng)管道尺寸較大，相當(dāng)于小型儲罐，管道的傳熱面積很大，由管道漏熱產(chǎn)生的BOG量不容忽略，可按式（4）計算：

式中：Q5為管道漏熱產(chǎn)生的BOG量，kg/h；α為管道漏熱系數(shù)，最大值為25 W/m2[9]；Ap為所有低溫管道的總表面積，m2；γ為管內(nèi)流體汽化潛熱，kJ/kg。

2.6 LNG循環(huán)泵熱效應(yīng)

工廠生產(chǎn)的LNG由槽車運(yùn)至用戶，LNG工廠裝車只能在白天進(jìn)行，夜間需啟動1臺LNG裝車泵打循環(huán)，使裝車設(shè)備及管線維持低溫，LNG循環(huán)流量由單臺裝車泵的流量確定。LNG循環(huán)泵熱效應(yīng)產(chǎn)生的BOG量為：

式中：Q6為LNG循環(huán)泵熱效應(yīng)產(chǎn)生的BOG量，kg/h；We為LNG裝車泵電機(jī)功率，kW；γ為LNG汽化潛熱，kJ/kg。

2.7 LNG裝車泵熱效應(yīng)

裝車時裝車泵對LNG做功，最終轉(zhuǎn)化為熱能被LNG吸收汽化，LNG裝車泵熱效應(yīng)產(chǎn)生的BOG量可按式（6）計算：

式中：Q7為LNG裝車泵熱效應(yīng)產(chǎn)生的BOG量，kg/h；We為LNG裝車泵電機(jī)功率，kW；n為裝車泵運(yùn)行臺數(shù)，臺； γ為LNG汽化潛熱，kJ/kg。

2.8 LNG槽車來的泄放氣

槽車裝車前，槽車儲罐內(nèi)充滿BOG，安全閥設(shè)定壓力為0.7 MPa，在裝車前需將槽車內(nèi)的BOG排出，使槽車儲罐壓力泄放至裝車壓力125 kPa.a。槽車泄放的BOG量可按式（7）計算：

式中：Q8為裝車時從LNG槽車來的BOG量，kg/h；VT為槽車容量，m3；ρB1為泄壓前槽車罐內(nèi)BOG密度，kg/m3；ρB2為泄壓后槽車儲罐內(nèi)BOG密度，kg/m3。

2.9 LNG儲罐出料置換效應(yīng)

裝車時從儲罐抽出LNG，罐內(nèi)LNG液位下降，為了維持儲罐微正壓的操作壓力，BOG排出量減少。由于LNG儲罐出料置換效應(yīng)而減少的BOG排出量可按式（8）計算：

式中：Q9為因LNG儲罐出料置換效應(yīng)而減少的BOG排出量，kg/h；VO為裝車流量，m3/h；ρB為LNG儲罐內(nèi)BOG密度，kg/m3。

由于以上因素產(chǎn)生的BOG量不能簡單疊加，應(yīng)根據(jù)不同的運(yùn)行工況及當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，合理確定影響因素，以準(zhǔn)確計算相應(yīng)運(yùn)行工況下BOG的總量QB，常見工況有4種。

a）當(dāng)?shù)卮髿鈮悍€(wěn)定，白天工廠正常運(yùn)行，BOG總量 應(yīng)為：

b）當(dāng)?shù)卮髿鈮悍€(wěn)定，晚上工廠正常運(yùn)行，BOG總量應(yīng)為：

c）當(dāng)?shù)卮髿鈮悍€(wěn)定，白天工廠停產(chǎn)檢修，BOG總量應(yīng)為：

d）當(dāng)?shù)卮髿鈮悍€(wěn)定，晚上工廠停產(chǎn)檢修，BOG總量應(yīng)為：

3 BOG處理工藝

綜上可知，影響LNG工廠BOG量的因素眾多、組成復(fù)雜、工況多變。處理工藝的選擇往往需要結(jié)合項目周邊燃?xì)夤芫W(wǎng)情況、全廠熱力平衡等因素選擇合理的方案，使工廠建設(shè)和運(yùn)行成本綜合最低。

針對LNG工廠，BOG的處理方案主要有5種：

a）增壓后進(jìn)管網(wǎng)外輸；

b）做工廠供熱設(shè)備的燃料氣；

c）再液化；

d）多級增壓作為CNG外輸；

e）再冷凝增壓裝車外輸或L-CNG汽化裝車外輸。

采用上述5種處理方案都需綜合考慮以下3個影響因素：

a） BOG中的氮?dú)夂渴欠癖幌掠喂に嚪桨杆邮堋Ｈ鏐OG增壓后回冷箱再液化，工藝氣中的氮含量會逐漸積聚，為了避免浪費(fèi)液化能量需設(shè)置脫氮裝置或定期進(jìn)行高含氮BOG放空。

b）BOG的波動性是否能被下游工藝方案所接受。如采用管網(wǎng)外輸方案時，下游是小規(guī)模的城市低壓管網(wǎng)，一天內(nèi)用氣波動性較大，用氣低峰時，管網(wǎng)容納能力有限，需要增設(shè)高壓球罐或管束儲氣設(shè)施。

c）BOG的低熱值是否能被接受。如采用增壓復(fù)熱后的BOG做燃料氣或城市燃?xì)鈺r，需要核算極端低熱值時，是否會造成相關(guān)用氣設(shè)備熄火，如果存在安全風(fēng)險就需要增設(shè)調(diào)熱值設(shè)備，調(diào)整BOG的熱值以保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

根據(jù)LNG工廠工藝特點(diǎn)，分析了影響B(tài)OG量的因素，采用物理理論分析了各影響因素引起B(yǎng)OG量變化的原理，綜合理論計算和工程實踐，給出了LNG工廠BOG量系統(tǒng)的計算方法。該方法已得到實際工程的驗證，應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)實際工況作全面考慮。LNG工廠BOG的處理工藝，應(yīng)結(jié)合工廠內(nèi)外的實際情況，選擇最優(yōu)方案。準(zhǔn)確地計算BOG量，選擇適宜的BOG處理工藝，可減少天然氣的放空和對環(huán)境的污染，降低LNG工廠的能耗和運(yùn)行成本，避免生產(chǎn)事故的發(fā)生。

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