LNG加氣站BOG動態(tài)模擬研究

張 英，邱明剛，劉 勇

(1.中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266071 2.吉化集團(tuán)有限公司包裝制品廠,吉林吉林 132021)

近些年，隨著天然氣行業(yè)的發(fā)展，LNG加氣站得到了快速的發(fā)展，目前已建成LNG加氣站2 000余座。由于LNG存儲溫度低(-160 ℃左右)，在存儲過程中會造成大量的LNG氣化，產(chǎn)生一定數(shù)量的LNG蒸氣，即BOG氣體。為了避免設(shè)備儲罐超壓，需要將BOG放空泄壓。這既帶來安全隱患，也造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。

國內(nèi)對油庫和加油站油氣回收開展了諸多研究和應(yīng)用[1,2]，而針對LNG加氣站BOG的產(chǎn)生原因和回收處理技術(shù)還處在基礎(chǔ)研究階段。杜彥[3]、魏紅梅[4]等分別通過靜態(tài)傳熱理論計(jì)算LNG加氣站內(nèi)各個環(huán)節(jié)BOG的產(chǎn)生量；杜彥[3]利用matlab對LNG加氣站儲罐內(nèi)壓力和溫度的變化進(jìn)行了模擬計(jì)算。鮑磊[5]等對比了LNG加氣站BOG多項(xiàng)回收處理工藝，提出了LNG加氣站“零排放”的技術(shù)；祝鐵軍[6]、吳曉南[7]、楊國柱[8]、焦紀(jì)強(qiáng)[9]、廖曉夢[10]等從大冷量低溫制冷機(jī)、BOG壓縮液化、利用液氮等不同的工藝開展了BOG的再液化回收研究。對上述學(xué)者的研究分析不難發(fā)現(xiàn)，LNG加氣站BOG回收的關(guān)鍵是BOG量的準(zhǔn)確計(jì)算和把握。本文利用HYSYS軟件構(gòu)建了LNG加氣站BOG動態(tài)模型，對BOG生成過程進(jìn)行了分析研究。

1 動態(tài)模型構(gòu)建與基本參數(shù)

根據(jù)LNG加氣站工藝流程和設(shè)備，進(jìn)行LNG加氣站BOG動態(tài)模型的搭建。模型包括儲罐、分離罐、泵、閥門、管路等多個設(shè)備模塊；流程包括LNG存儲、加液、卸車、預(yù)冷等。

為便于計(jì)算，假設(shè)LNG組分全部為甲烷，主要參數(shù)如表1所示。

表1 LNG加氣站LNG基本參數(shù)

2 模擬計(jì)算結(jié)果

2.1 存儲流程

LNG加氣站儲罐一般分為臥式罐和立式罐兩類，儲罐容量從30 m3到60 m3不等，本文以常見的60 m3臥式儲罐LNG加氣站作為研究對象。

目前LNG加氣站常見的LNG儲罐多采用多層絕熱真空或者珍珠巖保溫絕熱技術(shù)，其日蒸發(fā)率要求小于0.3%，本文以日蒸發(fā)率0.3%為例進(jìn)行模擬計(jì)算，同時考慮LNG儲罐絕熱效果變差情況，取日蒸發(fā)率為0.5%。假設(shè)LNG儲罐在存儲過程中沒有物料的進(jìn)出，且熱量全部來自儲罐漏熱。儲罐的基本參數(shù)，如表2所示。

表2 60 m3LNG儲罐基本參數(shù)

一般當(dāng)LNG儲罐壓力達(dá)到1 000 kPa左右會泄壓，避免造成壓力過高破壞儲罐，定義LNG儲罐無損存儲時間，即LNG儲罐壓力在升至泄壓壓力(1 000 kPa)前的時間。

對于日蒸發(fā)率為0.5%的儲罐，隨著存儲時間的增加，其LNG儲罐內(nèi)的溫度和壓力均隨之增加，如圖1所示。對于日蒸發(fā)率為0.3%的LNG儲罐，其儲罐內(nèi)壓力和溫度的變化規(guī)律與前述一致，兩種不同蒸發(fā)率下LNG儲罐內(nèi)的壓力變化如圖2所示，具體壓力變化數(shù)值見表3。由圖2可以看出，對于絕熱效果好的LNG儲罐，其無損存儲時間也長。

圖1 日蒸發(fā)率0.5%的LNG儲罐壓力溫度變化

圖2 不同日蒸發(fā)率下LNG儲罐壓力變化

由表3可以看出，對于日蒸發(fā)率為0.3%的LNG儲罐，LNG儲罐壓力升高平均值為8.8 kPa/d，無損存儲時間為718 h，而對于日蒸發(fā)率為0.5%的LNG儲罐，其LNG儲罐壓力升高平均值為21 kPa/d，無損存儲時間為316 h。

表3 不同日蒸發(fā)率下LNG儲罐壓力隨時間變化值

2.2 加液流程

在加液過程中，主要有兩部分BOG，一是在加液前，需要將汽車氣瓶內(nèi)的高壓BOG返回至LNG儲罐，進(jìn)而降低氣瓶壓力，便于充裝；另一部分是在充裝的過程中，隨著液位的不斷提高，氣瓶內(nèi)氣相空間逐漸減小，壓力逐漸提高，部分BOG通過氣相返回管線返回至LNG儲罐。

氣瓶加液的全過程為：①氣瓶連接加氣槍后，首先打開氣瓶回氣閥，氣相返回LNG儲罐，直至壓力降至800 kPa左右(操作時間約3 min)；②打開加氣槍進(jìn)行加液至液位達(dá)到90%(操作時間約2 min)，停止加液。具體參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表5為加液過程(包括加液前回氣和加液回氣過程)中，LNG儲罐和LNG氣瓶的狀態(tài)參數(shù)變化情況。由表5可以看出，在加液過程中，加液前回氣是影響B(tài)OG的主要因素，加液過程回氣對于LNG儲罐壓力上升影響較小，可以忽略不計(jì)。

為了衡量多次加液過程對LNG儲罐的影響，模擬了連續(xù)5次加液過程對LNG儲罐的壓力和溫度變化情況，如表6所示。

表4 加液流程基本參數(shù)

表5 加液過程LNG儲罐和氣瓶參數(shù)變化

表6 不同加液次數(shù)下LNG儲罐參數(shù)變化

由表6可以看出，經(jīng)過5次加液過程，LNG儲罐壓力由262.7 kPa上升到264.2 kPa，壓力上升1.5 kPa，上升幅度為0.57%，平均每次加液導(dǎo)致儲罐壓力上升0.11%左右。

2.3 加液頻率分析

根據(jù)對LNG加氣站的調(diào)研分析，影響LNG加氣站BOG產(chǎn)量跟加液的頻繁程度有較大關(guān)系。本文模擬研究兩種典型加液頻率工況，即加液頻繁(一天內(nèi)，1次大循環(huán)和100次連續(xù)加液，即每天加液8 t左右)和加液不頻繁(一天內(nèi)，每2小時加液1次，即每2小時1次大循環(huán)和1次加液，每天加液1 t左右)的工況。

2.3.1加液不頻繁工況

對于加液不頻繁的LNG加氣站，LNG儲罐壓力溫度變化情況如表7所示。

表7 加液不頻繁的LNG加氣站

由表7可以看出，對于加液不頻繁站場，單日內(nèi)LNG儲罐壓力變化較小，為了研究儲罐壓力變化情況，進(jìn)一步模擬分析了連續(xù)15天加液情況，結(jié)果如表8和圖3所示。

由表8和圖3可以看出，隨著時間的延長，儲罐內(nèi)壓力和溫度均呈現(xiàn)出一定的上升，且上升的速率越來越快。

表8 加液不頻繁的LNG加氣站

圖3 加液不頻繁工況下LNG

2.3.2加液頻繁工況

LNG加氣站儲罐初始狀態(tài)如2.3.1所述。加液100次后LNG加氣站儲罐壓力溫度如表9和圖4所示。對于一天加液100次左右的LNG加氣站，大約2天左右卸液一次。

由表9和圖4可以看出，對于加液頻繁的LNG加氣站，加液100次同樣會引起壓力和溫度的上升，其中壓力上升23 kPa，上升幅度為4.3%，溫度上升0.8 ℃，上升幅度為0.58%，對于加液頻繁和卸液頻繁的LNG加氣站，一般不存在壓力的放空等問題。

表9 加液頻繁工況下LNG加氣站儲罐

圖4 加液頻繁工況下LNG儲罐溫度壓力隨加液次數(shù)的變化

2.3.3加液頻率對儲罐壓力影響

對比不同加液頻率對LNG儲罐壓力升高變化，如圖5、圖6所示。從中可以看出，每天加液100次時，LNG儲罐壓力變化值較小；而每天加液12次時，LNG儲罐壓力變化值較大，且隨著時間的推移，LNG儲罐壓力升高速率增快。由此可見，加液頻率對LNG儲罐壓力變化影響巨大。

圖5 加液頻繁工況下LNG儲罐壓力升高值

圖6 加液不頻繁工況下LNG儲罐壓力升高值

3 結(jié)論

本文利用HYSYS軟件針對典型LNG加氣站構(gòu)建了BOG動態(tài)模型，分析了LNG儲罐絕熱性能、加液工況以及加液頻率等對LNG儲罐壓力的影響情況。得到如下結(jié)論：

a) LNG儲罐的絕熱效果對BOG量有較大的影響，需要定期檢測LNG儲罐和管線的絕熱性能。

b) 加液過程中，影響B(tài)OG生成的主要是加液前的回氣過程。

c) 加液頻繁的站場，BOG量要遠(yuǎn)小于加液不頻繁的站場，可以與相關(guān)加液車輛/單位協(xié)調(diào)加液時間，以減少BOG產(chǎn)生。