LNG調(diào)峰站BOG直輸城市中壓管網(wǎng)工藝研究

廣州燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司 胡立軍

LNG調(diào)峰站與常規(guī)LNG接收站類似，在運(yùn)營(yíng)過程中會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā)氣(BOG)，不斷產(chǎn)生的 BOG會(huì)導(dǎo)致各工藝系統(tǒng)管道壓力升高，如不采取適當(dāng)方式來處理BOG，將會(huì)影響LNG調(diào)峰站的運(yùn)營(yíng)安全。目前，國(guó)內(nèi)LNG接收站經(jīng)歷了十幾年的發(fā)展，BOG處理工藝技術(shù)日趨成熟。在安全平穩(wěn)地處理 BOG的基礎(chǔ)上，研究探討如何利用BOG的處理工藝方案，尤其是直輸進(jìn)入城市中壓管網(wǎng)的工藝，具有十分重要的意義。

1 BOG的產(chǎn)生

LNG調(diào)峰站一般分為五大工藝區(qū)，包括卸船系統(tǒng)、LNG儲(chǔ)存系統(tǒng)、BOG處理系統(tǒng)、LNG/NG外輸系統(tǒng)和火炬系統(tǒng)，其中BOG處理系統(tǒng)的目的是為了經(jīng)濟(jì)而有效地回收LNG調(diào)峰站產(chǎn)生的BOG。BOG的產(chǎn)生主要是由于外界能量的輸入而造成，如泵運(yùn)轉(zhuǎn)、外界熱量的傳入、大氣壓的變化、環(huán)境的影響及 LNG送入儲(chǔ)罐時(shí)造成罐內(nèi) BOG體積變化等。

2 BOG蒸發(fā)量的計(jì)算

受LNG調(diào)峰站五大工藝區(qū)中多種工況的影響，BOG蒸發(fā)量的計(jì)算也較為復(fù)雜。

2.1 基本參數(shù)

LNG調(diào)峰站BOG蒸發(fā)量的計(jì)算中需要的基本參數(shù)，如表1所示。

表1 BOG基本參數(shù)

2.2 自然蒸發(fā)量

自然蒸發(fā)量主要是受太陽輻射、大氣吸熱等熱量的流入，使LNG儲(chǔ)罐和LNG船持續(xù)漏熱而產(chǎn)生的蒸發(fā)量。國(guó)內(nèi)全容式 LNG儲(chǔ)罐一般執(zhí)行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)為日蒸發(fā)量不超過0.05%。LNG調(diào)峰站自然蒸發(fā)量M1的計(jì)算公式為：

式中：M——自然蒸發(fā)量，kg/h；

NT——儲(chǔ)罐數(shù)量，個(gè)；

ρ——LNG密度，kg/m3；

VT——儲(chǔ)罐容積，m3。

在正常操作或非操作工況下，外界環(huán)境溫度高于 LNG調(diào)峰站各低溫管線內(nèi)溫度，因此調(diào)峰站內(nèi)低壓泵、高壓泵和開架式氣化器等系統(tǒng)內(nèi)低溫管線，以及冷循環(huán)保冷的液相低溫管線都不同程度上存在漏熱現(xiàn)象。LNG調(diào)峰站自然蒸發(fā)量M2的計(jì)算公式為：

式中：L——管道長(zhǎng)度，m；

D——管徑，mm；

δ——保冷層厚度，mm；

W——工藝管道吸熱強(qiáng)度，W/m2；

γ——LNG氣化潛熱，kJ/kg。

2.3 卸船置換蒸發(fā)量

理論上LNG卸船時(shí)，液態(tài)的LNG進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐會(huì)同時(shí)置換出儲(chǔ)罐上部的BOG，兩者的體積應(yīng)該相同。但實(shí)際上進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐的液態(tài)LNG會(huì)將儲(chǔ)罐上部的部分BOG液化，這種現(xiàn)象與再冷凝器原理類似。此時(shí)蒸發(fā)量M3的計(jì)算公式為：

式中：Qc——卸料速率，m3/h；

Mv——蒸發(fā)氣摩爾質(zhì)量，g/mol；

T0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度，K；

pT——儲(chǔ)罐氣相壓力，kPa；

TT——儲(chǔ)罐氣相溫度，K；

p0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)壓力，kPa。

2.4 卸料及氣相返回蒸發(fā)量

對(duì)于LNG船上的LNG，在卸裝時(shí)由于和儲(chǔ)罐內(nèi) LNG溫度不同會(huì)出現(xiàn)瞬間的閃蒸現(xiàn)象，如圖 1所示。可選取船上LNG、儲(chǔ)罐進(jìn)料管道出口和儲(chǔ)罐LNG液面的A、B、C三點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。

圖1 LNG卸船閃蒸

對(duì)A和B點(diǎn)，由熱力學(xué)第一定律的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程得：

式中：hA——船上A點(diǎn)的LNG焓，kJ/kg；

hB——儲(chǔ)罐進(jìn)料管道出口B點(diǎn)的LNG焓，kJ/kg；

m0——LNG質(zhì)量，kg；

q——卸料過程的吸熱量，kJ/kg；

wp——船上的泵對(duì)單位質(zhì)量LNG所做的功，kJ/kg；

zB－zA—— A、B兩點(diǎn)LNG液面高差，m 。

據(jù)此，LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐閃蒸產(chǎn)生的BOG量M5的計(jì)算公式為：

式中：hC——儲(chǔ)罐內(nèi)C點(diǎn)的LNG焓，kJ/kg；

hB——儲(chǔ)罐進(jìn)料管道出口 B 點(diǎn)的 LNG焓，kJ/kg。

冷凝罐體產(chǎn)生BOG蒸發(fā)量M6的計(jì)算公式為：

式中：cT——儲(chǔ)罐內(nèi)罐比熱容，kJ/kg；

ρ T——儲(chǔ)罐內(nèi)罐密度，kg/m3；

VUT——卸船過程內(nèi)罐管壁冷卻體積，m3；

ΔT——內(nèi)罐罐壁冷卻溫差，℃；

t——卸料時(shí)間，h。

返回 LNG船的BOG蒸發(fā)量M10的計(jì)算公式為：

式中：pc——LNG船上氣相壓力，kPa；

Vc——LNG船容量，m3。

2.5 外輸及冷循環(huán)蒸發(fā)量

若外輸和冷循環(huán)過程中高壓泵對(duì) LNG所做的功全部轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)NG的能量，隨著循環(huán)LNG返回儲(chǔ)罐，則單臺(tái)高壓泵每小時(shí)做功產(chǎn)生返回儲(chǔ)罐的BOG蒸發(fā)量MHPP的計(jì)算公式為：

式中：Fz——LNG高壓泵正常輸送時(shí)的效率，%；

Qz——LNG高壓泵正常輸送時(shí)的流量，m3/h；

Qbl——保冷循環(huán)流量，m3/h；

tz——1小時(shí)的時(shí)間，3 600 s。

實(shí)際計(jì)算中，F(xiàn)z通常取LNG高壓泵正常輸送時(shí)的最小效率Fmin，同樣，Qz也取其正常輸送時(shí)的最小流量Qmin。

LNG儲(chǔ)罐外輸產(chǎn)生的BOG蒸發(fā)量M11的計(jì)算公式為：

式中：Gws——LNG調(diào)峰站正常運(yùn)行時(shí)的外輸量，kg/h。

2.6 大氣壓變化BOG蒸發(fā)量

大氣壓變化對(duì)BOG蒸發(fā)量的影響有以下兩種：一種為外界氣壓下降，儲(chǔ)罐內(nèi)外的表壓增大，壓縮機(jī)將抽出“增加”的BOG，計(jì)算公式為：

式中：Vzf——按空罐計(jì)算的由大氣壓變化每小時(shí)產(chǎn)生的BOG體積，m3/h；

dp/dt——?dú)鈮鹤兓俾剩琸Pa/h。

另一種為罐內(nèi)表壓增加，罐內(nèi)增發(fā)氣量隨之增加，該閃蒸氣量計(jì)算公式為：

式中：ps——飽和蒸汽壓力，Pa；

S——儲(chǔ)罐內(nèi)罐截面積，m2。

以上式(1)至式(12)僅是對(duì)正常情況下 LNG 調(diào)峰站 BOG蒸發(fā)量進(jìn)行的估算，一些特殊情況下BOG的蒸發(fā)量需要進(jìn)行專項(xiàng)針對(duì)性計(jì)算。

3 常用的BOG處理工藝

LNG調(diào)峰站BOG處理方法主要有：BOG直接壓縮工藝、BOG再冷凝液化工藝、BOG間接熱交換再液化工藝和蓄冷式再液化工藝等四種，其中BOG直接壓縮工藝和BOG再冷凝液化工藝為目前多用的BOG處理方法。

3.1 BOG直接壓縮工藝

BOG直接壓縮工藝是指 LNG儲(chǔ)罐中產(chǎn)生的BOG通過壓縮機(jī)直接加壓至外輸管網(wǎng)所需的壓力，以高壓天然氣進(jìn)入輸氣管網(wǎng)供下游客戶使用，如圖2所示。該工藝適用于外輸管網(wǎng)壓力較小(2～3 MPa)的LNG接收站。

圖2 BOG直接壓縮工藝流程

3.2 BOG再冷凝液化工藝

BOG再冷凝器液化工藝中，LNG與BOG在再冷凝器中直接接觸混合傳熱傳質(zhì)，其工藝流程見圖3。BOG壓縮后從再冷凝器的頂部與接近再冷凝器頂部用來冷凝BOG的一路LNG同時(shí)進(jìn)入再冷凝器內(nèi)進(jìn)行直接接觸混合，進(jìn)入再冷凝器的BOG全部被液化，冷凝液與進(jìn)入再冷凝器下部的 LNG一起經(jīng)LNG泵加壓進(jìn)入氣化器氣化輸送至高壓管網(wǎng)。

圖3 再冷凝器液化工藝流程

4 BOG直輸中壓管網(wǎng)工藝

LNG調(diào)峰站采用的BOG處理工藝方案有直接輸出中壓管網(wǎng)和再冷凝兩種，詳細(xì)工藝流程見圖4。

圖4 LNG調(diào)峰站工藝流程

BOG直接輸出中壓管網(wǎng)工藝和再冷凝工藝并無本質(zhì)上的區(qū)別，僅在BOG的處理過程中有所不同。直接輸出中壓管網(wǎng)工藝是將BOG壓縮到外輸壓力后直接送至輸氣管網(wǎng)。再冷凝工藝是將 BOG壓縮到較低的壓力(通常為0.7 MPa)后，與從LNG儲(chǔ)罐送出的LNG在再冷凝器中混合。由于LNG加壓后處于過冷狀態(tài)，可以使BOG再冷凝，然后經(jīng)高壓輸送泵加壓后送到氣化器氣化后外輸。最終采用何種工藝方案主要取決于外輸管網(wǎng)的要求。以下詳細(xì)介紹BOG直接輸出中壓管網(wǎng)工藝。

4.1 BOG直輸系統(tǒng)組成

BOG首先經(jīng)氣液分離罐后，流入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，壓縮后的BOG經(jīng)過升溫、調(diào)壓、計(jì)量后進(jìn)入中壓管網(wǎng)，直接輸送給下游用戶。BOG直輸系統(tǒng)包括城市中壓管網(wǎng)、中壓外輸計(jì)量系統(tǒng)、復(fù)熱系統(tǒng)、BOG壓縮機(jī)和BOG氣液分離罐。

4.1.1 城市中壓管網(wǎng)

BOG直輸城市中壓管網(wǎng)工藝需考慮下游城市中壓管網(wǎng)的直徑和設(shè)計(jì)壓力的匹配度。中壓天然氣輸出界區(qū)壓力一般約為0.4 MPa，天然氣溫度不低于0 ℃，最大輸出流量根據(jù)BOG處理量和下游需求量等因素確定。

4.1.2 BOG壓縮機(jī)

首先需綜合考慮LNG儲(chǔ)罐及LNG運(yùn)輸船的自然蒸發(fā)量、低溫管線BOG蒸發(fā)量、卸船置換BOG蒸發(fā)量、LNG儲(chǔ)罐卸料 BOG蒸發(fā)量及卸料返回LNG船、高低壓泵外輸及冷循環(huán)、大氣壓變化BOG蒸發(fā)量等6個(gè)因素來計(jì)算BOG壓縮機(jī)的處理能力，然后再根據(jù)外輸壓力、溫度及需求量結(jié)合壓縮機(jī)自身特點(diǎn)綜合考慮，從而選擇適合的BOG壓縮機(jī)。

4.1.3 復(fù)熱系統(tǒng)

復(fù)熱系統(tǒng)主要是為了滿足直輸進(jìn)入城市中壓管網(wǎng)的天然氣溫度不低于0 ℃的要求。來自BOG壓縮機(jī)出口的壓縮BOG，經(jīng)空溫式氣化器復(fù)熱升溫后，直接進(jìn)入中壓天然氣計(jì)量系統(tǒng)后外輸至中壓管網(wǎng)。復(fù)熱系統(tǒng)一般包括空溫式氣化器和電加熱器，空溫式氣化器和電加熱器串聯(lián)安裝，并設(shè)置溫度監(jiān)視、報(bào)警及聯(lián)鎖，壓力報(bào)警及聯(lián)鎖等裝置。

4.1.4 中壓計(jì)量系統(tǒng)

來自BOG壓縮機(jī)出口的天然氣，經(jīng)空溫式氣化器復(fù)熱后，通過中壓計(jì)量站計(jì)量、調(diào)壓、加臭后送至中壓外輸管網(wǎng)。計(jì)量站上游設(shè)有手動(dòng)取樣口，可離線分析天然氣組分、熱值等。該系統(tǒng)同時(shí)預(yù)留BOG熱值調(diào)整接口，必要時(shí)可增加氣質(zhì)調(diào)整裝置，以滿足城市中壓燃?xì)夤艿罋赓|(zhì)要求。

4.1.5 BOG氣液分離罐

來自BOG總管的BOG進(jìn)入分離罐后，將帶有液相的BOG進(jìn)行氣液分離，確保進(jìn)入BOG壓縮機(jī)的NG純度和溫度符合壓縮機(jī)的要求。

4.2 BOG直輸適用工況

BOG直輸中壓管網(wǎng)工藝即BOG直接壓縮輸入城市的中壓管網(wǎng)，其應(yīng)用的范圍其實(shí)是有限的。LNG調(diào)峰站主要有2種運(yùn)行工況，即卸船并輸出工況和無卸船只輸出工況，只有在BOG產(chǎn)生量較少的工況時(shí)可以適用BOG直輸中壓管網(wǎng)工藝。

在卸船并輸出工況下操作時(shí)所產(chǎn)生的BOG量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無卸船只輸出工況下產(chǎn)生的BOG量。卸船時(shí)，中壓外輸管網(wǎng)較難處理全場(chǎng)所有BOG量，此時(shí)宜采用再冷凝處理BOG工藝；在無卸船工況下，可優(yōu)先采用直接輸出中壓管網(wǎng)工藝或兩種工藝結(jié)合工藝，是否單獨(dú)采用直接輸出中壓管網(wǎng)工藝，需確認(rèn)下游中壓管網(wǎng)的承受能力是否滿足條件。以某城市的中壓管網(wǎng)為例，用氣統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為每小時(shí)最小用氣2 000 m3/h，折合約1.47 t/h，每小時(shí)最大用氣量16 850 m3/h，折合12.38 t/h。卸船工況條件下，產(chǎn)生的BOG量約為20 t/h，此時(shí)，采用再冷凝工藝來處理回收所有BOG量。無卸船工況條件下，BOG量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于卸船工況時(shí)的量，僅需對(duì)下游的中壓管網(wǎng)進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度，采用直接外輸中壓管網(wǎng)工藝來處理回收BOG。為了保證安全，若出現(xiàn)下游中壓管網(wǎng)無法接收的情況，也可以啟動(dòng)再冷凝器，采取兩種處理工藝結(jié)合方式來處理。如果BOG流量持續(xù)高于壓縮機(jī)或再冷凝器的處理能力，儲(chǔ)罐和BOG總管的壓力將升高。當(dāng)壓力超過壓力控制閥的設(shè)定值時(shí)，過量的BOG將排至火炬燃燒。

5 結(jié)語

本文以自然蒸發(fā)、卸船置換蒸發(fā)、卸料蒸發(fā)及BOG返回LNG船、大氣壓變化BOG蒸發(fā)等幾種情況下蒸發(fā)量的計(jì)算方式和BOG的處理工藝流程為基礎(chǔ)，分析了LNG調(diào)峰站中BOG直接輸出中壓管網(wǎng)工藝系統(tǒng)的各部分組成及適用工況：當(dāng) BOG量較大時(shí)，為確保降低能耗和安全，宜采用再冷凝工藝和直接輸出中壓管網(wǎng)工藝相結(jié)合；當(dāng)中壓管網(wǎng)接收能力大于BOG量時(shí)，優(yōu)先采用直接輸出中壓管網(wǎng)工藝。