噴射引流式BOG回收裝置的研究

趙金睿 王同吉 余道丞 高 盼

(1.中石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司；2.山東實(shí)華天然氣有限公司)

噴射引流式BOG回收裝置的研究

趙金睿1王同吉1余道丞2高 盼1

(1.中石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司；2.山東實(shí)華天然氣有限公司)

利用噴射泵原理設(shè)計(jì)了一種BOG氣體回收裝置，這是首次將噴射引流技術(shù)應(yīng)用于LNG接收站BOG氣體的回收，利用較高的外輸壓力作為噴射氣體，可以實(shí)現(xiàn)LNG接收站外輸流量較低或者BOG再冷凝系統(tǒng)檢修時(shí)BOG氣體的回收。采用氣體動(dòng)力函數(shù)法對(duì)混合室動(dòng)量方程進(jìn)行求解，利用Matlab編制噴射器尺寸設(shè)計(jì)程序。為將吸入流體增壓到下游管網(wǎng)壓力以實(shí)現(xiàn)外輸，采用犧牲吸入量與多級(jí)噴射增壓技術(shù)相結(jié)合的方式。多級(jí)增壓級(jí)間壓力可由氣體動(dòng)力函數(shù)法求解噴射系數(shù)而算得，經(jīng)過(guò)計(jì)算，外輸3Mm3的工況下，裝置每天可回收7.374Mm3BOG氣體。

LNG接收站 BOG回收 噴射器 多級(jí)增壓

液化天然氣(LNG)接收站將LNG通過(guò)卸料臂和卸船管線送到LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行儲(chǔ)存，經(jīng)再氣化后送到計(jì)量站外輸至用戶[1]。由于保溫層漏熱、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)熱等原因，LNG接收站持續(xù)產(chǎn)生蒸發(fā)天然氣(BOG)，造成儲(chǔ)罐和BOG總管壓力上升。BOG再冷凝工藝是LNG接收站回收BOG氣體的主要方法之一，其主要方式是利用罐內(nèi)泵出口LNG與BOG壓縮機(jī)增壓后的BOG氣體在再冷凝器內(nèi)混合傳質(zhì)傳熱，達(dá)到冷凝BOG的目的，冷凝后的液相通過(guò)高壓泵進(jìn)一步增壓，進(jìn)入氣化器氣化外輸。然而，BOG再冷凝系統(tǒng)處理BOG氣體的能力受到外輸流量的限制。隨著外輸流量的降低，再冷凝系統(tǒng)BOG有效處理量下降。在外輸流量較低時(shí)，BOG壓縮機(jī)出口蒸發(fā)天然氣通常無(wú)法通過(guò)該工藝完全冷凝下來(lái)，為維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，必須降低BOG壓縮機(jī)負(fù)荷。控制BOG壓縮機(jī)負(fù)荷是調(diào)節(jié)BOG總管壓力的重要手段，若BOG壓縮機(jī)處理量小于接收站BOG產(chǎn)生量，LNG儲(chǔ)罐和BOG總管壓力將上升，超過(guò)設(shè)計(jì)壓力需要排放火炬進(jìn)行泄壓，既浪費(fèi)資源，又污染環(huán)境。

隨著人們對(duì)噴射器性能和結(jié)構(gòu)的研究，噴射器已被廣泛應(yīng)用到電力、石油化工、制冷技術(shù)及供熱等行業(yè)[2]。目前在石油化工行業(yè)，噴射引流技術(shù)已成功應(yīng)用于天然氣開采、套管氣回收等方面，本研究首次將噴射引流技術(shù)應(yīng)用于LNG接收站BOG氣體的回收，利用較高的外輸壓力作為噴射氣體，可以實(shí)現(xiàn)LNG接收站外輸流量較低或者BOG再冷凝系統(tǒng)檢修時(shí)BOG氣體的回收。

1 噴射引流技術(shù)原理

噴射引流式BOG回收裝置包括噴射流體入口、吸入流體入口、噴嘴、混合室圓錐段、混合室圓柱段、擴(kuò)壓段及出口等，如圖1所示。噴射器的工作原理是高壓流體經(jīng)高速噴嘴，在吸入室形成高速低壓區(qū)，從而將低壓流體卷吸進(jìn)來(lái)，在混合腔低壓流體與高壓流體充分混合，形成具有一定速度的混合流體，在擴(kuò)壓段內(nèi)完成升壓后外輸[3]。

圖1 噴射引流式BOG回收裝置結(jié)構(gòu)

噴射引流技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工；裝置中無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，穩(wěn)定可靠；混合流體壓力穩(wěn)定，對(duì)輸送管網(wǎng)沒(méi)有傷害。

2 噴射引流裝置尺寸設(shè)計(jì)

2.1 氣體動(dòng)力函數(shù)法

氣體動(dòng)力函數(shù)法是索科洛夫在動(dòng)量守恒的基礎(chǔ)上，引進(jìn)等熵速度、折算速度、相對(duì)溫度、相對(duì)壓力及相對(duì)密度等動(dòng)力函數(shù)，把氣體或蒸汽的折算等熵速度與熱力學(xué)參數(shù)相聯(lián)系，并借助自由流束理論推導(dǎo)出了計(jì)算噴射系數(shù)的方法[4]。該方法的特點(diǎn)是能夠算出噴射器中氣體流動(dòng)過(guò)程的最佳參數(shù)，按此最佳參數(shù)設(shè)計(jì)噴射器，可獲得最大噴射系數(shù)或最大壓縮氣體壓力[5]。筆者就是以索科洛夫的計(jì)算方法[6]為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算的。

2.2 運(yùn)算公式推導(dǎo)

要計(jì)算噴射引流裝置的尺寸，首先要計(jì)算噴射器的噴射系數(shù)：

式中mh——吸入流體的質(zhì)量流量，kg/s；

mp——噴射流體的質(zhì)量流量，kg/s。

由于噴射器內(nèi)流動(dòng)比較復(fù)雜，為解決對(duì)流動(dòng)的數(shù)學(xué)描述，提出以下假設(shè)：

a. 噴射器內(nèi)為理想氣體，無(wú)徑向不均勻性，一維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；

b. 混合過(guò)程為定壓混合；

c. 噴射流體和吸入流體在進(jìn)入混合室之前不混合，是兩股同軸流體；

d. 為修正流動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)量損失、不等熵膨脹及壓縮等因素引起的動(dòng)量損失，引入一系列速度系數(shù)。

由圓錐和圓柱形組成的混合室的動(dòng)量方程如下：

mc=mp+mh=(1+u)mp

(1)

φ2(mpwp2+mhwh2)-(mp+mh)w3=p3A3+

(2)

(3)

式中A2——圖1中截面2的幾何面積；

A3——圖1中截面3的幾何面積；

Ap2——圓錐形混合室入口噴射流體所占面積，m2；

Ah2——圓錐形混合室入口吸入流體所占面積，m2；

mc——混合流體的質(zhì)量流量，kg/s；

pp2——圓錐形混合室入口噴射流體靜壓力，Pa；

ph2——圓錐形混合室入口吸入流體靜壓力，Pa；

p3——圓錐形混合室入口混合流體靜壓力，Pa；

wp2——圓錐形混合室入口噴射流體速度，m/s；

wh2——圓錐形混合室入口吸入流體速度，m/s；

w3——圓錐形混合室入口混合流體速度，m/s；

φ2——混合室速度系數(shù)；

β——混合式圓錐部分的始截面與終截面面積之比。

根據(jù)上述各項(xiàng)假設(shè)，運(yùn)用氣體動(dòng)力函數(shù)法對(duì)上述方程組進(jìn)行求解，可求出噴射系數(shù)u的表達(dá)式：

(4)

(5)

k1=φ1φ2φ3

k2=φ2φ3φ4

式中ac*、ap*、ah*——混合流體、噴射流體、吸入流體的臨界速度；

pp——噴射流體入口截面靜壓力；

ph——吸入流體入口截面靜壓力；

pc——出口截面靜壓力；

qc3——截面3上混合流體的折算質(zhì)量速度；

qh2——截面2上吸入流體的折算質(zhì)量速度；

qp2——截面2上噴射流體的折算質(zhì)量速度；

qph——中間參數(shù)；

λc3——截面3上混合流體的折算等熵速度；

λp2、λh2——截面2上噴射流體、吸入流體的折算等熵速度；

λph——中間參數(shù)；

φ1、φ4、φ3——工作噴嘴、混合室入口、擴(kuò)散器出口速度系數(shù)；

Πc2——截面2上混合流體的相對(duì)壓力；

Πc3——截面3上混合流體的相對(duì)壓力；

Π*——流體速度為臨界速度時(shí)的相對(duì)壓力；

γ——絕熱指數(shù)。

(6)

可得qph=qp2。

由式(4)、(5)可以看出，當(dāng)噴射流體溫度Tp、壓力pP，吸入流體溫度Th、壓力ph和出口溫度Tc、壓力pc一定時(shí)，噴射系數(shù)隨qc3的變化而發(fā)生變化，而根據(jù)式(6)可知qc3可用λc3進(jìn)行計(jì)算，因此可以通過(guò)優(yōu)化λc3來(lái)獲得較大的噴射系數(shù)u。

噴射器在極限狀態(tài)下的噴射系數(shù)由下式求出：

(7)

根據(jù)一些氣體噴射器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，μ=1.35～1.50。噴射器的實(shí)際噴射系數(shù)u不可能超過(guò)unp，即u≤unp。

2.3 噴射引流器設(shè)計(jì)流程

根據(jù)設(shè)計(jì)下工況可求出對(duì)應(yīng)的最大噴射系數(shù)，編程可按下列步驟進(jìn)行：

a. 輸入設(shè)計(jì)工況，噴射流體溫度Tp、壓力pP，吸入流體溫度Th、壓力ph和出口溫度Tc、出口壓力pc。

b. 在λc3≤1范圍內(nèi)給出一系列λc3的值，求出相應(yīng)qc3；

c. 按式(7)求出unp值；

d. 子程序，取u=unp并按式(5)求出qh2；

e. 根據(jù)式(6)用已求出的qh2反算λh2；

f. 按式(4)求出u1；

g. 若u1

h. 若u1≥unp，則停止子程序，取u(i)=u1;

i. 計(jì)算N次，得到N個(gè)u(i)，取u=max(u(i))，得到此時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳設(shè)計(jì)尺寸。

3 將吸入流體增壓到下游管網(wǎng)壓力以實(shí)現(xiàn)外輸

本裝置需要將吸入流體增壓到下游管網(wǎng)壓力以實(shí)現(xiàn)外輸，但這并不是一件容易的事情。根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)[7]，10MPa的天然氣可將1.1MPa的天然氣增壓到5.2MPa，吸入氣體流量可達(dá)到4.6～46.1km3/d，噴射引流裝置的噴射系數(shù)達(dá)到8%～75%。為提高混合介質(zhì)的出口壓力，可采用以下兩種方式相結(jié)合的辦法。

3.1 犧牲吸入量來(lái)增加混合介質(zhì)的出口壓力

由能量守恒定律可知，由于被吸入的低壓氣體壓力要升高，勢(shì)必會(huì)造成混合介質(zhì)的出口壓力降低，降低的程度與工作流體量和吸入的氣體量有關(guān)[8]。因此為了使噴射器出口壓力最高，在工作流體的流量和壓力一定的條件下，應(yīng)盡量減少能量損失，控制吸入的氣體量。

3.2 采用多級(jí)噴射增壓增加混合介質(zhì)的出口壓力

多級(jí)噴射增壓技術(shù)是一種新型的多級(jí)串聯(lián)方式，其后一級(jí)氣體入口的流體正是上一級(jí)混合后出口的全部流體，后一級(jí)氣體入口的壓力與上一級(jí)混合后出口的壓力相等，級(jí)與級(jí)的壓力和流量之間保持匹配，一級(jí)一級(jí)地實(shí)現(xiàn)壓力的增高[9]。因此對(duì)于一次噴射引流無(wú)法達(dá)到壓力要求的情況，可以采用多級(jí)噴射增壓技術(shù)，使增壓后的流體順利進(jìn)入外輸管線。圖2是多級(jí)噴射增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程示意圖。

圖2 多級(jí)噴射增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程示意圖

根據(jù)多級(jí)噴射增壓原理，設(shè)定外輸流量3Mm3，噴射流體8MPa，吸入流體0.7MPa，Ⅰ級(jí)增壓出口壓力分別為1.00、2.00、2.25、3.00、4.00、5.00MPa，Ⅱ級(jí)增壓出口壓力5.00MPa。

(8)

由方程(8)可得裝置吸入氣體質(zhì)量流量mh。最終計(jì)算所得參數(shù)見表1。可以看出，吸入氣體質(zhì)量流量在Ⅰ級(jí)增壓出口壓力為2.25MPa時(shí)達(dá)到最大，折合體積流量每天可回收7.374Mm3BOG氣體，綜合考慮尺寸因素，取一級(jí)增壓出口壓力為2.25MPa的工況計(jì)算裝置尺寸。

表1 不同一級(jí)噴射增壓出口壓力下計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者首次將噴射引流裝置應(yīng)用到LNG接收站BOG回收技術(shù)上，計(jì)算證明利用較高的外輸壓力作為噴射氣體回收BOG是可行的。綜合考慮裝置吸入量和裝置尺寸，在保證將吸入流體增壓到下游管網(wǎng)壓力以實(shí)現(xiàn)外輸?shù)臈l件下，采用Ⅰ級(jí)噴射增壓出口壓力2.25MPa，Ⅱ級(jí)噴射增壓出口壓力5MPa的工況來(lái)設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，外輸3Mm3的工況下，裝置每天可回收7.374Mm3BOG氣體。

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ResearchofJet-induced-flowBOGRecoveryDevice

ZHAO Jin-rui1, WANG Tong-ji1,YU Dao-cheng2, GAO Pan1
(1.QingdaoLNGCompanyLimited; 2.ShandongShihuaNaturalGasCompanyLimited)

Making use of jet pump’s working principle to design BOG recovery device was implemented. It’s the first time to applying this jet-induced-flow to recycle BOG in the LNG receiving station. Having higher outward transmission pressure taken as injection gas to realize BOG recovery at the time when lower outward flow exists at the LNG station or BOG’s re-condensation system is in maintenance. Making use of gas power function method to solve the momentum equation of mixing chamber and using Matlab to compile the design routine for computing the injector size were carried out. For purpose of pressurizing the intake fluid to the pressure of pipe network to realize the transmission outward, a method of having giving away the intake combined with taking the multi-stage jet pressurization was adopted; and inter-stage pressure of multi-stage jet pressurization can be computed through having gas power function method based to solve the injection coefficient. Under the condition of transmitting 3Mm3outward, the recovery device can recycle 7.374Mm3BOG every day.

LNG receiving station, recycling of BOG, injector, multi-stage pressurization

TE83

A

1000-3932(2017)09-0873-05

2017-03-06，

2017-07-12)

趙金睿(1987-)，工程師，從事液化天然氣接收站生產(chǎn)管理工作，zjr8782@126.com。