付子航

中海石油氣電集團有限責任公司技術研發(fā)中心

LNG接收站蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)靜態(tài)設計計算模型

付子航

中海石油氣電集團有限責任公司技術研發(fā)中心

BOG(Boil-Off Gas)系統(tǒng)是LNG接收站設計階段中必須重點考慮的關鍵問題之一。與大型LNG液化工廠中主要考慮BOG提供燃料氣和LNG裝船工況下BOG直接通過火炬燃燒情況完全不同,LNG接收站設計中則應結合氣化外輸壓力、最小外輸流量等不同項目特點,對于BOG的回收、處理和利用有更多的選擇。為此,按照LNG接收站卸船和非卸船兩種基本工況劃分,對設計階段保守估算BOG產(chǎn)生量引入完整的靜態(tài)計算方法,通過實例計算,提出了BOG壓縮機的合理配置方案,以期實現(xiàn)技術與經(jīng)濟兩方面的優(yōu)化。該計算方法對于國內自主進行LNG接收站的設計具有參考意義,對于小型LNG衛(wèi)星站的設計亦有借鑒意義。

LNG 接收站 儲罐 BOG 設計 計算 模型

一個典型的LNG接收站包括7大組成部分:LNG卸船系統(tǒng)(含碼頭、靠泊等)、LNG儲罐、LNG氣化器、LNG罐內泵和外輸泵系統(tǒng)、蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)(Boil-Off Gas,以下簡稱BOG)、公用工程與安全控制系統(tǒng)、基礎設施等[1-3]。其中,BOG系統(tǒng)是與LNG接收站各主要生產(chǎn)單元緊密相關的一個全廠性系統(tǒng),直接影響到LNG接收站生產(chǎn)運營的安全性、經(jīng)濟性與環(huán)境保護,因而成為LNG接收站設計階段中必須重點考慮的關鍵問題之一。與大型LNG液化工廠中主要考慮BOG提供燃料氣和LNG裝船工況下BOG直接通過火炬燃燒情況完全不同[4-6],LNG接收站設計中則應結合氣化外輸壓力、最小外輸流量等不同項目特點,按照如下優(yōu)先順序考慮BOG的回收、處理和利用:①返回LNG船補氣;②返回LNG儲罐;③再液化,與LNG一并外輸;④壓縮,與管道高壓氣一并外輸;⑤燃料氣利用(廠區(qū)內生活、空調、小型發(fā)電等自用);⑥火炬燃燒或直接排空。

1 LNG接收站中BOG處理系統(tǒng)的組成

BOG處理系統(tǒng)通常由以下4部分組成:BOG收集管道系統(tǒng)、BOG回氣(至LNG運輸船)系統(tǒng)、BOG壓縮機和再冷凝器系統(tǒng)。BOG處理系統(tǒng)流程示意圖如圖1所示:

BOG收集管道系統(tǒng)包括儲罐BOG與其他含有LNG容器的管道連接、含有LNG的管道與設備的排氣管道連接、LNG槽車和小型LNG運輸船裝載置換氣體的管道連接等。BOG回氣(至LN G運輸船)系統(tǒng)有時還包括鼓風機或增壓壓縮機等設備。

圖1 LNG接收站BOG處理系統(tǒng)流程示意圖注:圖中藍色流程為BOG處理流程

BOG壓縮機主要用于再冷凝工藝,即將LNG接收站內產(chǎn)生的BOG壓縮后送至再冷凝器冷卻為LNG一并外輸。BOG壓縮機采用低溫往復式壓縮機或離心式壓縮機,可通過逐級調節(jié)來實現(xiàn)流量控制,其流量開度由LNG儲罐的壓力來調節(jié),但最大流量受再冷凝器的能力限制。在自動操作模式下,LNG儲罐壓力由絕壓控制器來控制,該控制器可根據(jù)LNG儲罐操作壓力自動選擇壓縮機的運行負荷等級。在手動操作模式下,由操作人員根據(jù)LNG儲罐的操作壓力確定壓縮機的運行負荷等級。

再冷凝器主要有3個功能:①冷凝BOG;②作為LNG高壓輸送泵的入口緩沖容器;③再冷凝器內部的液位高度可滿足 LN G高壓泵入口的氣蝕余量(NPSH)值的要求。再冷凝器由上下兩部分組成:上部為進料塔,蒸發(fā)氣和LNG從再冷凝器的頂部進料后,在進料塔中換熱,BOG被冷凝液化;下部可作為LNG高壓輸送泵的緩沖罐。再冷凝器設有流量比例控制系統(tǒng),根據(jù)蒸發(fā)氣的流量來控制進入再冷凝器的LNG流量,以確保進入高壓輸送泵的LNG處于過冷狀態(tài),同時保證LNG高壓輸送泵不會產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。

2 LNG接收站中BOG的靜態(tài)計算模型

LNG接收站中BOG的產(chǎn)生主要來源于以下7個方面[7]:①LNG儲罐、設備及循環(huán)管線的外界熱量輸入導致的LNG蒸發(fā)氣化;②最大卸船(裝載)流速下的空間置換(LNG船、槽車與槽船等);③卸船時LNG注入LNG儲罐導致的閃蒸;④泵循環(huán)產(chǎn)生的熱量輸入;⑤大氣壓力變化導致的相平衡變化;⑥BOG減溫器中LNG的蒸發(fā)氣化;⑦LNG儲罐內的“翻滾(Roll-over)”。

2.1 外界熱量輸入(VT)

外界熱量輸入包括LNG儲罐、設備及循環(huán)管線等。理論上講,VT應是正常操作工況下的最高環(huán)境溫度、LNG儲罐滿載和最大LNG循環(huán)流速下的最大值。通常計算時,LNG儲罐氣體蒸發(fā)率按照常規(guī)大型LNG儲罐的給定BOG速率考慮,一般而言,LNG儲罐滿罐的日蒸發(fā)率為其質量分數(shù)的0.05%～0.06%。循環(huán)管線的BOG速率應根據(jù)管道尺寸規(guī)格和長度分別進行計算。

2.2 流體置換(VL)

對于LNG接收站,流體置換VL主要包括LNG卸船操作期間LNG儲罐內氣相空間的置換和LNG槽車(槽船等)裝載期間LNG儲罐內液相空間的負置換。在計算時,通?？梢越剖褂美硐霘怏w方程,或使用HYSYS核算準確的BOG物性參數(shù)。

2.3 卸船時LNG注入儲罐導致的閃蒸(VF)

卸船操作時,LNG注入LNG接收站儲罐將發(fā)生閃蒸。閃蒸VF包括LNG船泵做功的熱輸入、卸料臂和卸船管線的環(huán)境熱輸入、LNG儲罐內液位上升不斷“冷卻”罐壁、兩種不同狀態(tài)LNG的混合以及帶壓LNG(相平衡狀態(tài)不同)進入LNG儲罐后“膨脹”導致的閃蒸。

一種較為準確的計算方法是分開計算LN G進入LNG儲罐發(fā)生“膨脹”前后的焓差和“冷卻”管壁帶來的熱輸入:

式中 H1為LNG船艙中的LNG質量焓,kJ;H2為LNG船艙泵的熱輸入,kJ;H3為LNG卸料臂的熱輸入,kJ;H4為 LNG卸料管線的熱輸入,kJ;HT為LNG儲罐中的LN G質量焓,kJ;L為NG氣化潛熱, kJ/kg;CIN為 NG儲罐內壁的熱容,kJ/(kg·K);T0為NG儲罐內壁進料前的溫度,℃;T1為NG儲罐內壁進料后的溫度,℃;M為NG儲罐內壁的質量,kg;t為船時間,h。

另外一種更加簡化的估算方法是假設LNG儲罐內的LN G初始處于相平衡狀態(tài),則:

式中 F為膨脹前LNG溫度比儲罐內泡點溫度高而導致進罐后發(fā)生氣化的LNG比例;C為NG熱容,kJ/ (kg·K);Tb為N G儲罐內壓力下的泡點溫度,K;Tf為儲罐前的LNG溫度,K。

2.4 LNG泵打循環(huán)產(chǎn)生的熱量輸入(VR)

即由于泵做功和打循環(huán)最后回入LNG儲罐的LNG引入熱量VR產(chǎn)生的BOG。其計算較為簡單,即泵做功和循環(huán)產(chǎn)生的熱量與LN G的氣化潛熱之比。

2.5 大氣壓力變化導致的相平衡變化(VA)

由于大氣壓力的突然變化,尤其是當LN G儲罐內的操作壓力較高甚至接近最大操作壓力時,外界大氣壓如果突然降低將會引起LN G儲罐內氣相空間的膨脹和液相空間的過熱蒸發(fā)。反之則有可能導致LN G儲罐內出現(xiàn)類真空狀態(tài)。其中,液相空間過熱蒸發(fā)的情況類似于公式(2)中的 F,故計算方式也基本相同。

當然,對于該液相空間過熱蒸發(fā)引起的BOG的計算也有其他更加準確的方法。根據(jù)H.T.Hasheim關系式[8],可以得出:

式中V為LN G儲罐內的氣相空間,m3;p為LNG儲罐內的操作壓力(絕壓),Pa;dp/dt為大氣壓力變化速率,Pa/h;ps為LNG儲罐內氣液界面的過飽和壓力, Pa;VT1為LNG儲罐滿罐靜態(tài)蒸發(fā)率的一半(即對應于儲罐內僅有20%LNG時的液位),kg/h;A為LNG儲罐內氣液界面面積,m2。

2.6 卸船工況下的回氣和外輸氣體的負置換

在卸船工況下,一部分BOG將返回LNG船以平衡船艙內壓力,計算時應減去LN G船自身蒸發(fā)產(chǎn)生的BOG量。一般而言,LNG船滿艙的日蒸發(fā)率為其質量分數(shù)的0.13%。而正常氣體外輸時,即與LNG儲罐內外輸?shù)腖NG對等體積的BOG量減少了。

2.7 LNG儲罐內發(fā)生“翻滾(Roll-over)”(VB)

由于LNG儲罐內發(fā)生“翻滾”而產(chǎn)生的BOG量計算較為復雜,通常采用CFD模型或其他特殊的計算工具。VB對于一般設計計算BOG產(chǎn)生量的意義并不明顯。但作為估算,根據(jù)過去發(fā)生的實例和相關試驗,有如下大致關系[9]:

3 實例計算

以廣東省某LNG接收終端項目為例,相關參數(shù)為:LNG沸點溫度(常壓下)為-162℃;LNG密度(常壓下)為424.7 kg/m3;LN G氣化潛熱(常壓下)為514 kJ/kg;蒸發(fā)氣密度(標態(tài))為0.669 3 kg/m3;BOG操作溫度為-140℃;LNG儲罐配置為16×104m3(3座);LNG儲罐操作壓力為18 kPa;LNG船艙操作壓力為10 kPa;循環(huán)管線最大熱輸入速率為25 W/ m2;環(huán)境大氣壓力變化速率為5.6 Pa/h;LNG卸船流速為13 200 m3/h;槽車裝車流速為600 m3/h;槽車操作壓力為100 kPa。計算結果如表1所示。

根據(jù)上述計算結果,BOG處理系統(tǒng)對應的最大處理量為20.6 t/h。在考慮BOG壓縮機配備時,為了避免不必要的投資增加,提高設備利用效率,僅需配備2臺BOG壓縮機即可,其中要求單臺壓縮機處理能力滿足非卸船工況下的正常要求,即12.5 t/h,而2臺壓縮機的總處理能力滿足卸船工況下的處理要求。該BOG壓縮機配置方式相應決定了LNG接收站運行操作方式。一旦其中1臺BOG壓縮機發(fā)生故障,仍有1臺壓縮機能夠滿足正常(非卸船)工況下的需求,僅在卸船工況下發(fā)生部分BOG放空,仍是經(jīng)濟合理的。

表1 某LNG接收站BOG產(chǎn)生量靜態(tài)計算結果表

4 結束語

筆者主要探討了設計階段保守估算BOG產(chǎn)生量的完整靜態(tài)計算方法,并結合工程實例進行了計算,提出了BOG壓縮機輸量和能力的合理配置方案。該計算方法主要采用靜態(tài)計算且應用于設計,結果是相當保守的,而在LNG接收終端的生產(chǎn)運營中,BOG的實際產(chǎn)生量會較大程度上小于上述設計量,不設置備用BOG壓縮機的配置方式的合理性更加突出。該計算方法對于國內自主進行LNG接收站的設計有重要的參考意義,對于小型LNG衛(wèi)星站的設計亦有借鑒意義。

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A static-design calculation model of boil-off gas(BOG)handling system of an LNGreceiving terminal

Fu Zihang
(Technical R&D Center,CNOOC Gas&Power Group,Beijing100027,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME 31,ISSUE 1,pp.83-85,1/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The boil-off gas(BOG)handling system is one of the key issues at the design stage of a LNG receiving and re-gasification terminal.Different from such cases that the BOGcan be recovered as a fuel gas in a large-scale LNGplant or that the BOGcan only be vented for faring in loading conditions,the sending-out pressure and the minimal flowing rate,etc.,should be taken into consideration at the design stage of a LNG receiving terminal so that more options will be provided for the recovery,treatment and utilization of BOG.According to two basic conditions of LNG unloading and non-unloading at a terminal,we hereby conservatively calculated the quantity of the possibly produced BOG by introducing an integrative static-design method.Besides,through example calculation,we made a reasonable arrangement proposal for the BOGcompressors so as to realize both technical and economic optimization of a LNG terminal.This calculation method is of great significance in independent designing of LNG terminals and small-scale LNG satellite-stations in China.

LNG,receiving terminal,tank,boil-off gas(BOG),design,calculation,model

付子航,1979年生,高級工程師,碩士;主要從事LNG項目建設和技術研發(fā)工作。地址:(100027)北京市朝陽區(qū)東三環(huán)北路甲2號京信大廈2646室。電話:(010)84522951,13718557712。E-mail:fuzh@cnooc.com.cn

付子航.LNG接收站蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)靜態(tài)設計計算模型.天然氣工業(yè),2011,31(1):83-85.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.01.019

(修改回稿日期 2010-11-13 編輯 何 明)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.01.019

Fu Zihang,engineer,born in 1979,holds an M.Sc.degree,being mainly engaged in the construction and technical researches of LNGprojects.

Add:Room 2837,Jingxin Building,No.Jia 2,North East 3rd Circle Rd.,Chaoyang District,Beijing 100027,P.R.China

Tel:+86-10-8452 2951Mobile:+86-13718557712E-mail:fuzh@cnooc.com.cn