LNG接收站BOG計算與壓縮機能力配置

鄧　林

武漢鍋爐集團超順鍋爐設備制造有限公司　武漢　430070

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LNG接收站BOG計算與壓縮機能力配置

鄧林*

武漢鍋爐集團超順鍋爐設備制造有限公司武漢430070

摘要分析BOG的生成機理，研究BOG的單元計算法。重點對LNG卸船產生BOG計算進行分析，主要包含LNG卸船功熱輸入、船罐置換和冷卻罐壁。結合工程實例，對BOG工況組合進行分析和計算，并對比實際運行數據。在此基礎上，對BOG壓縮機的能力配置進行探討，提出具體原則。

關鍵詞LNG接收站BOG計算壓縮機卸船

蒸發氣BOG(Boil Off Gas)的計算在LNG接收站設計中占有重要地位。BOG計算量過大，會導致BOG處理系統設計能力過量，增大建設成本；BOG計算量過小，BOG處理系統設計能力不足，導致站內BOG的大量放空，不僅浪費能源產生較大的經濟損失，而且還污染環境。

1LNG接收站

LNG接收站一般包括LNG卸船系統、LNG儲罐與低壓泵系統、BOG處理系統、LNG高壓泵系統、LNG氣化系統、NG計量/調壓系統、LNG槽車裝車系統、火炬系統和公用工程系統，典型流程見圖1。

圖1　典型LNG接收站流程示意圖

2BOG的計算方法

正常工況下，LNG接收站產生BOG的過程主要包含LNG卸船功熱輸入、船罐置換、冷卻罐壁、儲罐自然蒸發、大氣壓變化、保冷循環低壓泵功率輸入、管道吸熱、LNG裝車和氣化外輸等單元。

2.1LNG卸船功熱輸入

卸船時，LNG船和儲罐通過卸船管線和BOG返回管線相互連通，組成一個整體系統，從系統的角度考慮，只有外界對系統的功熱輸入才能產生BOG。因此，對于LNG船而言，BOG的產生只能是卸船泵的功率輸入和LNG船上的自然蒸發。

卸船泵的有效功率輸入用于克服卸船管路的阻力損失、轉化為LNG的勢能和內能，功率損耗則完全轉化為熱量被LNG吸收蒸發氣化變成BOG。LNG在卸料管道中流動時，經歷摩擦和亂流阻力，又會將部分有效功率轉化為熱量被LNG吸收蒸發氣化變成BOG[1]。這部分功率損耗較小，且難于量化，一般進行粗略估算，由于LNG船和儲罐自然蒸發產生BOG計算比較保守，因此也可將這部分功率損耗忽略。另外，進入儲罐的低溫卸船LNG會將罐內部分BOG冷凝，但這部分折減BOG量的計算較為困難，目前只能忽略，因而使得計算結果偏保守。

對于LNG船上的自然蒸發，計算方法與儲罐自然蒸發相同，由于計算過程中一直采用LNG船滿容積，因此計算結果偏保守。

式中，W1為卸船產生BOG的質量流量，t/h；ρLNG,船艙為船艙LNG的密度，kg/m3；V船艙為LNG船的容積，m3；BOR船艙為LNG船的日蒸發率，%；N卸船泵為卸船泵數量，臺；P卸船泵為卸船泵額定功率，kW；η卸船泵為卸船泵額定效率，%；ηx為卸料摩擦和亂流轉化熱量占卸船泵額定功率的百分比，%，一般取5%；rLNG,儲罐為儲罐LNG的潛熱，kJ/kg。

2.2船罐置換

LNG卸船時，儲罐壓力略高于船艙壓力，從微觀過程看，不同的操作壓力必然導致不同的氣液平衡狀態，就會產生LNG與BOG之間的相互轉化，從而導致BOG量的改變。從宏觀上看，對于這部分BOG量，可以采用卸船體積置換的方法計算。

式中，W2為船罐置換產生BOG的質量流量，t/h；ρBOG,儲罐為儲罐BOG的密度，kg/m3；ρBOG,船艙為船艙BOG的密度，kg/m3；V卸船為LNG卸船體積流量，m3/h。

2.3冷卻罐壁

LNG儲罐氣相空間BOG的溫度由下到上呈線性分布，氣液分界面處溫度與液相LNG的主體溫度相同，約為-162℃，而吊頂下部溫度則為-140℃左右，內罐罐壁溫度的分布特性與氣相BOG基本相同(圖2)。LNG進入儲罐后，罐內液位不斷上升，原來暴露于氣相空間溫度較高的內罐罐壁隨之與低溫LNG相接觸，內罐罐壁得到冷卻，放出的熱量則被LNG吸收，蒸發氣化變成BOG。因此，可以基于熱量和物料衡算的原理建立計算公式[2]，從實際工程角度來看，這也是一種可以接受的估算方法。

2.4儲罐自然蒸發

因為溫差的存在，外界環境會通過保冷層不斷地向儲罐內部傳遞熱量，因此不可避免地導致處于平衡態的LNG吸熱蒸發氣化變成BOG。由于儲罐傳熱過程的復雜性，因此對于儲罐自然蒸發產生BOG的計算，實際工程中一般按照罐容乘以日蒸發率BOR進行簡化計算。顯然，計算結果偏保守，但從實際工程的角度來看，這種穩妥的做法仍然是合理的。

圖2　罐壁冷卻

式中，W4為儲罐自然蒸發產生BOG的質量流量，t/h；N儲罐為儲罐數量，座；ρLNG為LNG的密度，kg/m3；V儲罐為LNG儲罐的罐容積，m3；BOR儲罐為LNG儲罐的日蒸發率，%。

國際上一般定義和采用滿罐容量時的日蒸發率，根據實際工程項目數據，儲罐日蒸發率一般介于0.05%～0.1%之間，對于16萬方全容儲罐，日蒸發率一般取0.05%[7]。

2.5大氣壓變化

正常操作時，只考慮大氣壓的常規變化，產生的BOG需由BOG壓縮機處理，但由于BOG量很小，一般可忽略。事故工況時，如50年一遇的大氣壓急劇變化，產生的BOG則通過火炬燃燒放空。由于氣象條件一般可以準確預測，因此LNG卸船可以避開該工況，產生的BOG就可以通過卸船備用BOG壓縮機處理，可盡量減少BOG的放空，從而挽回經濟損失。

EN1473指出大氣壓變化產生BOG包含氣相空間的膨脹量VAG和液相空間的過熱蒸發量VAL，但只給出了VAG的具體計算公式，而對于VAL則只是簡要指出一種估算方法，在實際工程設計中不具有可操作性，并且在計算VAG時，采用空罐的最大氣相空間體積，這是一種保守估計的方法，實際工程設計計算是可以接受的。

與其他單元產生BOG的量相比，大氣壓變化

產生BOG的量相對較小，并且LNG船和儲罐自然蒸發計算結果比較保守。因此為了簡化計算過程，實際工程計算中常將VAL忽略。

VA=VAG+VAL

式中，W5為大氣壓變化產生BOG的質量流量，t/h；N儲罐為儲罐數量，座；ρBOG,儲罐為儲罐BOG的密度，kg/m3；VA為大氣壓變化產生BOG的體積流量，m3/h；VAG為氣相空間的膨脹量，m3/h；VAL為液相空間的過熱蒸發量，m3/h；V為空罐的最大氣相空間體積，m3；p為儲罐的絕對操作壓力，Pa；dp/dt為大氣壓變化率，Pa/h。

2.6保冷循環低壓泵功率輸入

根據經驗，非卸船期間需開啟一臺低壓泵專門用于LNG接收站保冷循環，由于低壓泵用于LNG循環，因此低壓泵輸入功率則全部轉化為熱量被LNG吸收蒸發氣化變成BOG，可以基于熱量和物料衡算的原理建立準確的計算公式[8]。

式中，W6為保冷循環低壓泵功率輸入產生BOG的質量流量，t/h；PLP為低壓泵的額定功率，kW；rLNG,儲罐為儲罐LNG的潛熱，kJ/kg。

2.7管道吸熱

卸船管道和保冷循環管道中LNG沿途吸收的熱量，在隨LNG進入儲罐后，部分LNG閃蒸變成BOG。根據工程經驗，一般采用環境通過保冷層外表面傳入管道的允許熱流密度乘以管道保冷層外表面積來計算BOG。

式中，W7為卸船管道吸熱產生BOG的質量流量，t/h；q為環境通過保冷層外表面傳入管道的允許熱流密度，一般取0.025kW/m2；S為管道保冷層外表面積，m2；rLNG,儲罐為儲罐LNG的潛熱，kJ/kg。

2.8LNG裝車

裝車時，LNG從儲罐流出，進入槽車，而BOG則由槽車流出，返回儲罐。這部分BOG量包含槽車的自然蒸發和體積置換。另外，低溫的LNG進入槽車后，會將部分BOG冷凝，但由于計算較為困難，因此將這部分折減的BOG忽略，從而導致計算結果偏保守。

式中，W8為LNG裝車產生BOG的質量流量，t/h；N槽車為槽車數量，臺；ρLNG,槽車為槽車LNG的密度，kg/m3；V槽車為LNG槽車的容積，m3；BOR槽車為LNG槽車的日蒸發率，%；ρBOG,槽車為槽車BOG的密度，kg/m3；ρBOG,儲罐為儲罐BOG的密度，kg/m3；V裝車為LNG槽車裝車體積流量，m3/h。

2.9氣化外輸

氣化外輸時，罐內液位降低，氣相空間增大，從而能夠容納相同外輸體積的BOG，即相對“減少”了BOG的生成量[10]。

式中，W9為氣化外輸相對“減少”BOG的質量流量，t/h；ρBOG,儲罐為儲罐BOG的密度，kg/m3；V氣化外輸為儲罐氣化外輸LNG體積流量，m3/h。

3工程實例

以國內某一大型LNG接收站工程項目為例，設計規模6.5×103kt/a，4座16萬方全容儲罐。

3.1工況組合

首先按照非卸船和卸船對操作進行分類。LNG卸船功熱輸入、船罐置換和冷卻罐壁過程只能發生在卸船期間。保冷循環低壓泵功率輸入只能發生在非卸船期間。儲罐自然蒸發、大氣壓變化、管道吸熱，無論是否卸船均會同時客觀地發生。LNG裝車和氣化外輸為獨立主觀發生過程，因此可自由組合。工況組合及BOG設計計算結果見表1。

根據LNG接收站實際運行數據，卸船時最大BOG量為22.53t/h，利用單元計算法核算得出的BOG量為21.4500t/h，兩者基本吻合。由表1可知，實際卸船時最大BOG量介于卸船工況BOG設計最小量18.7266t/h和最大量25.5509t/h之間。

表1　工況組合BOG設計計算結果(貧液)

因此，以上兩點證實了BOG單元計算法的可靠性。

3.2BOG壓縮機的能力配置原則

隨著運行工況和操作條件等不同，LNG接收站BOG的產生量是不斷變化的，而且變化范圍較寬。由于BOG壓縮機一般為超低溫壓縮機，價格昂貴，功率較大，為了減少貴重設備投資，提高利用率，降低運行能耗，因而在進行BOG壓縮機的能力配置時，一般按如下原則考慮：

(1)根據實際工程項目經驗，一般要求BOG壓縮機運行負荷可以按0—25%—50%—75%—100%進行調節，可降低運行能耗。

(2)由于卸船工況為偶爾操作，可減少卸船備用BOG壓縮機的數量和能力，一般只配置一臺卸船備用壓縮機。

(3)由于非卸船工況為經常操作，非卸船期間最好只開啟一臺BOG壓縮機，即可處理最大BOG量。

(4)滾動發展的大型LNG接收站項目，還應結合項目后期發展預留考慮。

(5)應結合廠家制造技術和設備價格，合理確定壓縮機的數量和能力。

4結語

通過分析和推理，提出BOG的計算方法，即單元計算法，具有簡單、直觀和適用的特點，在LNG接收站BOG設計計算中具有一定優勢。結合工程實例，通過與實際運行數據的對比，證實了單元計算法的可靠性。在此基礎上，對BOG壓縮機的能力配置進行探討，提出具體原則，對實際工程應用具有指導意義。

參考文獻

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(收稿日期2015-06-09)

*鄧林：高級工程師。2007年畢業于天津大學化學工程專業獲碩士學位。主要從事石油、化工和天然氣工程項目設計與咨詢工作。

聯系電話：15926366500，E-mail：tinada44308@163.com。