低溫液態(tài)丙烷在處理丁烷BOG工藝中的應(yīng)用

林惠松，方 剛，高 威，馮志明，韋振興

（深圳華安液化石油氣有限公司，廣東深圳 518119）

1 概述

低溫LPG接收站設(shè)有丙烷、丁烷低溫常壓儲罐，用于儲存低溫液態(tài)丙烷、液態(tài)丁烷，丙烷、丁烷可用于工業(yè)原料及民用燃料。低溫儲罐內(nèi)儲存的低溫丙烷、丁烷為飽和液體，其操作溫度一般為常壓下的氣化溫度，丙烷為-42℃，丁烷為-4℃，操作壓力一般為5～13kPa。低溫儲罐內(nèi)液體因儲罐內(nèi)、外環(huán)境溫差造成的熱傳遞導(dǎo)致吸熱閃蒸為BOG（Boil Off Gas），儲罐本體結(jié)構(gòu)、儲罐與環(huán)境的溫差、太陽輻射強(qiáng)度、儲罐保冷措施、烴泵等設(shè)備運行造成外部熱量導(dǎo)入等因素決定儲罐內(nèi)低溫液體吸熱氣化量大小。BOG氣體若不及時排放會導(dǎo)致儲罐超壓，導(dǎo)致安全閥起跳，嚴(yán)重的壓力突升會使儲罐破裂。低溫儲罐產(chǎn)生的BOG，可選擇的處理工藝有：①通過BOG壓縮機(jī)及冷凝器多級壓縮冷凝后回收；②通過高壓壓縮機(jī)處加壓處理后外輸；③將產(chǎn)生的BOG通過低溫冷源冷卻至沸點后冷凝；④直接放空或用于自身用戶。在不同的情況下以上處理工藝均有應(yīng)用，下面將通過丁烷低溫儲罐為例，分析選擇最合理、節(jié)能的BOG回收工藝。

2 低溫儲罐BOG氣化量的計算

BOG的氣化量計算是處理工藝的選擇及設(shè)備選型的基礎(chǔ)。BOG氣化量的決定因素是儲罐內(nèi)低溫液體吸熱氣化，現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中均無精準(zhǔn)計算公式，只能結(jié)合對流傳熱、熱輻射、熱傳導(dǎo)并參考相關(guān)數(shù)學(xué)模型推斷出一種相對嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的計算方法。

對于立式圓筒形儲罐的 BOG 計算，根據(jù)儲罐的物理結(jié)構(gòu)模型可總結(jié)為：

式中，W為儲罐吸熱氣化 BOG，kg/h；Q為總傳熱速率，kW/h；QB為罐底傳熱速率，kW/h；QS為罐側(cè)壁傳熱速率，kW/h；QR為罐頂傳熱速率，kW/h；r為低溫介質(zhì)汽化潛熱，kW/h。

2.1 罐底傳熱計算

罐底傳熱采用多層平壁熱傳導(dǎo)模型，計算方法如下：

式中，QB為罐底傳熱速率，W；TS為罐底外側(cè)環(huán)境溫度，℃；Ta為罐內(nèi)介質(zhì)溫度，℃；bi為第i層材料厚度，m；λi為第i層材料熱導(dǎo)率，W/（m·℃）；SB為罐底圓面積，m2。

罐底傳熱速率按照環(huán)系分布依次采用多層平壁熱傳導(dǎo)模型進(jìn)行計算，最終所有環(huán)系傳熱速率之和即為罐底傳熱速率。

2.2 罐側(cè)壁傳熱計算

罐側(cè)壁熱量衡算模型相對復(fù)雜，罐側(cè)壁表面溫度Ts不能近似等于環(huán)境溫度，需要在方程組聯(lián)立后通過迭代或規(guī)劃求解得出。

熱量衡算等式：

其中：

將求得的qi代入式（16），求得向陽側(cè)罐側(cè)壁傳熱速率QS1。

式中，Ss為儲罐側(cè)面積，m2；C1為暴露面積系數(shù)，m2；QS1為向陽側(cè)罐側(cè)壁傳熱速率，W；QS2為背陰側(cè)罐側(cè)壁傳熱速率，W；QS為罐側(cè)壁傳熱速率，W。

罐側(cè)壁傳熱速率應(yīng)該依次分段采用熱傳導(dǎo)模型進(jìn)行計算，最終各段傳熱速率之和即為罐側(cè)壁傳熱速率。

2.3 罐頂傳熱計算

罐頂傳熱的計算與管側(cè)壁傳熱計算類似，罐頂表面溫度Ts也需要聯(lián)立方程迭代求解，其計算方法同罐側(cè)壁。

對于大型儲罐，罐頂熱傳導(dǎo)模型可采用平壁熱傳導(dǎo)模型，罐頂至吊頂間的球缺氣相空間可視為一層保溫層，采用當(dāng)量法計算其傳熱層厚度。

將迭代求解的罐頂表面溫度Ts代入式（20）求解。

式中，SR為罐頂球缺表面積，m2；QR為罐頂傳熱速率，W；TS為罐頂表面溫度，℃；Ta為罐內(nèi)介質(zhì)溫度，℃；bi為第i層材料厚度，m；λi為第i層材料熱導(dǎo)率，W/（m·℃）。

3 丁烷低溫儲罐BOG處理工藝

低溫LPG接收站設(shè)有丙烷、丁烷低溫常壓儲罐用于接收船舶低溫冷凍丙烷丁烷，儲罐產(chǎn)生的BOG一般采用壓縮機(jī)壓縮后冷凝再液化回收。BOG壓縮再液化系統(tǒng)需要配置壓縮機(jī)及冷凝液化設(shè)備，投入成本高，后期運行成本及維護(hù)費用昂貴，給企業(yè)帶來很大經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。本應(yīng)用主要利用低溫液態(tài)丙烷的冷能，來冷凝回收丁烷儲罐產(chǎn)生的BOG，這樣可以節(jié)約一套BOG壓縮再液化系統(tǒng)，極大節(jié)約成本。通過計算分析丁烷低溫儲罐產(chǎn)生的BOG，選擇合適的換熱器與低溫丙烷輸送泵，建立一套穩(wěn)定、簡單、操作性強(qiáng)的BOG冷凝回收系統(tǒng)。

在T-101丙烷儲罐出貨管線設(shè)置一臺烴泵P-104，流量為20m3/h，將低溫液態(tài)丙烷送往T-102丁烷儲罐罐頂上的D-104丙烷氣液分離器，通過LIC107控制D-104液位為300～900mm，而E-102冷凝器與D-104丙烷氣液分離器安裝在T-102丁烷儲罐罐頂同一水平線上，且E-102冷凝器殼層底部液相管與D-104連通，這樣可以通過控制D-104丙烷氣液分離器的液位從而控制E-102冷凝器的液位。T-102丁烷儲罐產(chǎn)生BOG氣體進(jìn)入E-102冷凝器板層進(jìn)行冷凝，丁烷BOG經(jīng)過E-102冷凝后進(jìn)入D-107丁烷氣液分離器，液態(tài)丁烷返回T-102丁烷儲罐，而BOG氣體中含有的少量氮氣等不凝氣體通過D-107分離后進(jìn)入丙烷氣相總管。E-102冷凝器殼層經(jīng)過換熱產(chǎn)生的丙烷氣體進(jìn)入D-104丙烷氣液分離器，最終進(jìn)入丙烷氣相總管。

E-102冷凝器為板翹式，材質(zhì)為耐低溫鋁合金，尺寸1 000mm×1 800mm×2 800mm，換熱面積67m2，換熱效率5 045 000kJ/h，設(shè)計溫度-43～40℃，殼側(cè)設(shè)計壓力1.0MPa，管側(cè)設(shè)計壓力1.8MPa，殼層介質(zhì)為丙烷，管層介質(zhì)為丁烷。丁烷設(shè)計流量為13 200kg/h，丙烷設(shè)計流量為11 573kg/h，管側(cè)丁烷入口溫度0℃，出口溫度-4℃；殼層丙烷入口溫度-42℃，出口溫度-32℃。D-104容積13.08m3，高4 920mm，直徑2 000mm，設(shè)計壓力0.49MPa，設(shè)計溫度-43～40℃。

正常工作狀態(tài)下，P-104為24h運行將T-101丙烷液態(tài)輸送至D-104，通過液位控制閥LIC107將D-104液位控制在設(shè)定值（300～900mm），當(dāng)D-104不需要補(bǔ)充液體時，P-104設(shè)有最小流量閥可自動打循環(huán)；T-102產(chǎn)生的丁烷BOG氣體進(jìn)入E-102冷凝回收返回T-102，將T-102壓力控制在安全范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

BOG處理工藝是低溫儲罐的技術(shù)難題，處理方法往往決定著儲罐運行成本的高低。可見，選擇一套投入少、操作簡單、維護(hù)成本低的BOG處理工藝意義重大。利用低溫液態(tài)丙烷處理丁烷BOG工藝流程簡單，效果顯著，相比傳統(tǒng)的BOG壓縮機(jī)冷凝回收系統(tǒng)，前期設(shè)備投入大大減少，且后期操作簡單，運行成本及設(shè)備維護(hù)成本低，將為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。