LNG儲(chǔ)罐冷卻過(guò)程中BOG回收量探討

陳 帥 田士章 胡文江 曲培志 宮 明 王旭東

（中石油大連液化天然氣有限公司）

近年來(lái)，由于我國(guó)LNG項(xiàng)目發(fā)展較快，對(duì)LNG的需求量也迅猛增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)，國(guó)內(nèi)LNG的需求量將從2010年的約600×104t增長(zhǎng)到2015年的2 000×104t左右，2020年還會(huì)成倍地增長(zhǎng)［1］。因此，我國(guó)將在長(zhǎng)三角、泛珠三角地區(qū)、環(huán)渤海地區(qū)建設(shè)約10個(gè)LNG接收站，到2020年建成年進(jìn)口量達(dá)5 000×104t以上的LNG接收站［2］。目前國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的LNG接收站有廣東大鵬LNG、福建LNG、上海LNG、江蘇LNG和大連LNG。大型常壓LNG儲(chǔ)罐是接收站最重要的設(shè)備單元，而其冷卻又是整個(gè)儲(chǔ)罐投用過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)最高，難度最大的環(huán)節(jié)［3］，同時(shí)冷卻過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣［4］（BOG，Boil off gas）。對(duì)于已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的LNG接收站而言，在安全、平穩(wěn)地完成后期儲(chǔ)罐冷卻的基礎(chǔ)上，怎樣合理地回收冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的BOG尤為重要。本文以大連LNG接收站后期3號(hào)儲(chǔ)罐冷卻為例，對(duì)儲(chǔ)罐冷卻過(guò)程中的BOG回收量進(jìn)行了討論。

1 實(shí)際BOG回收量

1.1 BOG回收

圖1為大連LNG接收站3號(hào)儲(chǔ)罐冷卻BOG回收簡(jiǎn)圖。當(dāng)卸船豎管充液完成，TANK3氮?dú)庵脫Q排放甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%，同時(shí)其儲(chǔ)罐壓力與TANK1、TANK2壓力相等便可開(kāi)啟XV02閥完成TANK3儲(chǔ)罐與BOG總管對(duì)接，再開(kāi)啟噴淋冷卻管線上的MV01、MV03閥，并調(diào)節(jié)MV02閥開(kāi)度開(kāi)始冷卻。當(dāng)儲(chǔ)罐底部溫度達(dá)到123.15K，儲(chǔ)罐冷卻完成。冷卻產(chǎn)生的BOG（以下簡(jiǎn)稱(chēng)冷卻BOG）與接收站正常運(yùn)行產(chǎn)生的非冷卻BOG（以下簡(jiǎn)稱(chēng)非冷卻BOG）在BOG總管中混合，通過(guò)緩沖罐進(jìn)入壓縮機(jī)加壓后，在再冷凝器中被過(guò)冷LNG冷凝為液體與其旁路的LNG混合，通過(guò)高壓泵加壓、汽化器氣化成天然氣（NG），送入計(jì)量站計(jì)量后外輸至管網(wǎng)。同時(shí)無(wú)法回收的BOG將會(huì)通過(guò)火炬排放，整個(gè)冷卻時(shí)間為95h。

1.2 冷卻初始參數(shù)

冷卻前系統(tǒng)所具有的一些參數(shù)將直接影響冷卻過(guò)程中BOG的回收量，因此在表1中給出了相關(guān)初始參數(shù)數(shù)值。

表1 冷卻初始參數(shù)Table 1 Initial parameters of cooling

1.3 回收問(wèn)題及分析

開(kāi)啟相關(guān)閥門(mén)對(duì)儲(chǔ)罐冷卻，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行壓縮機(jī)入口壓力不斷下降，最后跳車(chē)。啟動(dòng)備用壓縮機(jī)在100%負(fù)荷下運(yùn)行，其入口壓力也下降，降低其運(yùn)行負(fù)荷，壓縮機(jī)入口壓力迅速回升，之后又開(kāi)始逐漸下降，最后跳車(chē)。拆開(kāi)壓縮機(jī)入口過(guò)濾器，發(fā)現(xiàn)上面存在微小冰粒堵塞過(guò)濾器，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)入口壓力下降。

經(jīng)分析確定，是由于TANK3冷卻初期產(chǎn)生較高溫度的冷卻BOG與較低溫度的非冷卻BOG混合，溫度急劇下降導(dǎo)致冷卻BOG中微量水分冷凝成微小冰粒堵塞壓縮機(jī)入口過(guò)濾器，使得整個(gè)壓縮機(jī)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。同時(shí)，從圖1可見(jiàn)：3個(gè)儲(chǔ)罐所產(chǎn)生的BOG都是通過(guò)BOG總管送往壓縮機(jī)處理。當(dāng)出現(xiàn)壓縮機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行時(shí)，冷卻BOG和非冷卻BOG均無(wú)法正常回收。

1.4 回收量計(jì)算

圖2為T(mén)ANK3冷卻過(guò)程中LNG流量（ML）與時(shí)間（t）的關(guān)系曲線。通過(guò)曲線擬合［4］得到t與ML的關(guān)系式，見(jiàn)式（1）。

對(duì)式（1）在t∈［0，95］內(nèi)求定積分，得冷卻過(guò)程LNG總量 ML＿S為1 120t。

在整個(gè)冷卻過(guò)程中，非冷卻BOG也會(huì)正常產(chǎn)生，且流量 MN＿B為正常運(yùn)行流量5.8t／h。通過(guò)冷卻時(shí)間與其相乘得到冷卻過(guò)程中的非冷卻BOG總量 MN＿B＿S為551t。

圖3為冷卻過(guò)程中再冷凝器回收的BOG流量（MR＿B）與時(shí)間（t）的關(guān)系曲線。

對(duì)曲線進(jìn)行分段計(jì)算得出冷卻過(guò)程回收的BOG總量 MR＿B＿S為461t。

從TANK3開(kāi)始冷卻到完成，其罐內(nèi)增加的BOG存儲(chǔ)量ФMT3＿B通過(guò)式（2）計(jì)算為171t。

式中：p為儲(chǔ)罐壓力，121kPa；V 為儲(chǔ)罐體積，160 000m3；Mm為甲烷摩爾質(zhì)量，16.043g／mol；R為摩爾氣體常數(shù)，8.315Pa·m3／（mol·K）；TE為冷卻完成溫度，123.15K；TS為冷卻初始溫度，281.5K。

通過(guò)以上計(jì)算得出，在整個(gè)冷卻過(guò)程中接收站產(chǎn)生的BOG總量為1 671t，實(shí)際回收BOG總量為632t，排放火炬的BOG總量為1 039t，BOG回收率為37.80%。

2 BOG最大回收量

2.1 流程及操作工藝的改進(jìn)

從圖3可以看出，在冷卻初期即使三臺(tái)壓縮機(jī)循環(huán)運(yùn)行，其回收的BOG流量也低于非冷卻BOG量。因此，冷卻初期為了保證整個(gè)工藝的正常平穩(wěn)運(yùn)行和對(duì)非冷卻BOG的正?；厥?，在TANK3出口BOG管線XV02閥前就近設(shè)置一條去火炬的管線，以便將冷卻BOG單獨(dú)排放至火炬（見(jiàn)圖4）。用來(lái)防止含微量水分的冷卻BOG與非冷卻BOG混合降溫后凝結(jié)冰粒影響壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。

在操作過(guò)程中，TANK3溫度高于露點(diǎn)溫度時(shí)，關(guān)閉XV02閥，開(kāi)啟MV05閥，將冷卻BOG直接排放至火炬，既可將微量水分排放，也可保證非冷卻BOG的正?；厥占皦嚎s機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。TANK3溫度低于露點(diǎn)溫度后，開(kāi)啟XV02閥，關(guān)閉MV05閥，將冷卻BOG與非冷卻BOG混合通過(guò)壓縮機(jī)加壓處理，這時(shí)TANK3內(nèi)含有的微量水分會(huì)在儲(chǔ)罐內(nèi)凝結(jié)成微小冰粒，留在儲(chǔ)罐內(nèi)，混合之后的BOG內(nèi)將不再含有微小冰粒，壓縮機(jī)便能正常運(yùn)行。

2.2 最大BOG回收量計(jì)算

大連LNG接收站選用3臺(tái)容積式BOG壓縮機(jī)［6］，表2中列出了其相關(guān)參數(shù)。

表2 BOG壓縮機(jī)參數(shù)Table 2 Parameters of BOG compressor

由此得到壓縮機(jī)最大處理流量 MC＿B（t／h）與其入口BOG溫度TM＿B（K）的關(guān)系式：

由理想氣體狀態(tài)方程［7］得出儲(chǔ)罐存儲(chǔ)BOG量MT＿B（t）與儲(chǔ)罐溫度TT3（K）的關(guān)系式：

圖5為T(mén)ANK3冷卻儲(chǔ)罐溫度TT3與時(shí)間t的關(guān)系曲線。

通過(guò)曲線擬合得到t與TT3的關(guān)系見(jiàn)式（5），其殘差為7.870 4。

由此得出，當(dāng)冷卻時(shí)間為29.3h時(shí)，儲(chǔ)罐溫度降低至露點(diǎn)溫度。

將式（5）帶入式（4）對(duì)時(shí)間微分，求得儲(chǔ)罐儲(chǔ)存BOG增量DMT3＿B與時(shí)間t的關(guān)系見(jiàn)式（6）。

所以冷卻BOG流量MT3＿BO為：

冷卻BOG與非冷卻BOG混合滿足質(zhì)量和能量守恒，即

式中：hC為冷卻 BOG 比焓，kJ／kg；MN＿B為非冷卻BOG流量，t／h；hNC為非冷卻BOG 比焓，kJ／kg；MB＿S為冷卻過(guò)程中 BOG 總流量（MB＿S＝MT3＿BO＋ MN＿B），t／h；hmc為混合后，壓縮機(jī)入口 BOG 比焓，kJ／kg。

通過(guò) Engineer＇s Aide Toolbox 7.0和 MATLAB［5］求得甲烷比焓h隨其溫度T變化的函數(shù)（式（9））和T 隨比焓h 變化的函數(shù)（式（10））。

通過(guò)式（1）～式（10）計(jì)算得到的非冷卻BOG與冷卻BOG混合后的溫度（即壓縮機(jī)入口溫度）比實(shí)際冷卻時(shí)壓縮機(jī)入口溫度低10K左右，因此在式（10）中常數(shù)項(xiàng)加上10作為誤差修正值，即得到式（11）。

通過(guò)式（1）～式（9）和式（11），作出冷卻過(guò)程中t∈［29.3，95］內(nèi) BOG 排放總流量 MB＿S、壓縮機(jī)最大處理流量MC＿B與時(shí)間t的關(guān)系圖（見(jiàn)圖6）。同時(shí)擬合出MC＿B隨時(shí)間t變化的關(guān)系見(jiàn)式（12），其殘差為0.159 52。

2.3 BOG最大回收量所需的最小LNG外輸流量計(jì)算

通過(guò)式（1）～式（9）和式（11）計(jì)算得到：冷卻時(shí)間t在29.3～95h之間，壓縮機(jī)入口溫度TM＿B從268.77K逐漸降至130.16K。根據(jù)大連LNG接收站實(shí)際運(yùn)行情況，壓縮機(jī)100%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，其入口溫度TM＿B比出口溫度（再冷凝器入口BOG溫度）TM＿BOUT（K）低 145K 左右。因此，TM＿BOUT＝TM＿B＋145。由于壓縮機(jī)出口壓力控制在0.8MPa（絕壓），所以通過(guò)溫度進(jìn)行比焓計(jì)算時(shí)，也采用理想氣體溫度與式（9）來(lái)近似計(jì)算。將TM＿B代入式（9）得到進(jìn)入再冷凝器的BOG氣體比焓hM＿BOUT（kJ／kg），其關(guān)系式見(jiàn)式（13）。

通過(guò)大連LNG實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將圖4中S2處的壓力、溫度（混合冷凝后LNG溫度TL＿HP）分別控制在0.82MPa（絕壓）和138.15K是再冷凝器和高壓泵正常運(yùn)行的必要條件。同時(shí)，正常運(yùn)行時(shí)圖4中S1處溫度（混合冷凝前LNG溫度TL＿LP）一般為115.15K。通過(guò)查表［8］和分析得到如表3所示的數(shù)據(jù)。

表3 BOG最大回收所需的最小LNG外輸流量相關(guān)數(shù)據(jù)Table 3 Data of minimum LNG output flow for BOG maximum recovery

通過(guò)以上數(shù)據(jù)，可以得到S2處的LNG比焓hS2＝hsa－Cp（Tsa－TL＿HP）＝－163.99－1.998×（145－138.15）kJ／kg＝ －177.68kJ／kg。根 據(jù)LNG在與BOG冷凝混合時(shí)質(zhì)量、能量守恒得式（14）。

式中：ML＿OUT為壓縮機(jī)入口BOG溫度為T(mén)M＿B時(shí)所對(duì)應(yīng)的BOG最大回收量所需的最小LNG外輸流量，t／h。

通過(guò)式（3）、（13）、（14）作出壓縮機(jī)入口 BOG溫度TM＿B與 ML＿OUT的關(guān)系圖（見(jiàn)圖7）。

由 圖7可知，隨著TM＿B的降低，ML＿OUT值逐漸增大。因此，BOG最大回收所需的最小LNG外輸流量 ML＿OUT＿M(jìn)AX應(yīng)為T(mén)M＿B＝130.16K 時(shí)所對(duì)應(yīng)的ML＿OUT值，通 過(guò) 式 （3）、（13）、（14）計(jì) 算 得 到ML＿OUT＿M(jìn)AX值為333.2t／h。

從圖6可以看出，壓縮機(jī)最大處理流量一直小于BOG排放總流量。當(dāng)LNG外輸量達(dá)到333.2t／h時(shí)，方可達(dá)到BOG的最大回收量。因此對(duì)式（12）在t∈［29.3，95］范圍（露點(diǎn)之下）積分，便可求得此時(shí)間段內(nèi)所回收的BOG總量為866.78 t。加上t∈［0，29.3］時(shí)間段內(nèi)（露點(diǎn)之上）回收的BOG總量為157.18t（29.3×5.8＝169.94），即為整個(gè)冷卻過(guò)程中回收的BOG總量1 036.72t，排放火炬634.28t，BOG回收率高達(dá)62.04%。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)際BOG回收量的計(jì)算，得出冷卻過(guò)程中實(shí)際回收量為632t，回收率為37.8%；保證平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，改進(jìn)工藝和操作后且外輸量達(dá)到333.2t／h時(shí)，回收量可達(dá)1 036.72t，回收率高達(dá)62.04%，比原來(lái)多回收404.72t。以當(dāng)前國(guó)際LNG價(jià)格5 000元／t計(jì)算，可節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本約202萬(wàn)元，較好地達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

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