液化天然氣工廠蒸發(fā)氣量計(jì)算及處理工藝研究

廖 勇 白宇恒 鐘志良 朱 兵 蘇理林 康 智 田東民

1中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041；

2.中國(guó)石油塔里木公司庫(kù)車勘探開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理部，新疆 庫(kù)爾勒 841000

0 前言

天然氣是一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，近年來(lái)隨著環(huán)境質(zhì)量越來(lái)越受重視，將天然氣作為車船動(dòng)力能源的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。鑒于此，我國(guó)各地開始興建液化天然氣（LNG）工廠，但天然氣液化成本極高，目前降低LNG工廠的投資成本成為L(zhǎng)NG工廠建設(shè)時(shí)重點(diǎn)考慮的一個(gè)因素[2]。準(zhǔn)確計(jì)算并合理處理LNG生產(chǎn)、儲(chǔ)存過(guò)程中產(chǎn)生的BOG是降低LNG工廠生產(chǎn)成本的重要環(huán)節(jié)。

目前眾多學(xué)者和行業(yè)內(nèi)工程師對(duì)LNG接收站運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的BOG量的計(jì)算及處理工藝進(jìn)行了深入研究。2000年楊曉東等人[3]對(duì)LNG接收站BOG再回收利用的方法進(jìn)行了定性分析和定量計(jì)算，給出了LNG接收站BOG再回收利用方法的使用建議；2006年劉浩等人[4]運(yùn)用廣義伯努利方程定性分析和定量計(jì)算，比較了LNG接收站BOG處理方式的優(yōu)劣；2008年陳雪等人[5]對(duì)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的BOG進(jìn)行了理論動(dòng)態(tài)模擬研究，建立了儲(chǔ)罐內(nèi)流體的計(jì)算模型；2011年呂俊等人[6]對(duì)LNG接收站在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的BOG進(jìn)行了理論分析并給出了計(jì)算方法；2011年付子航[7-8]先后提出了靜態(tài)模型和半經(jīng)驗(yàn)化的BOR動(dòng)態(tài)模型，可更方便、有效地預(yù)測(cè)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的BOG量；2012年李兵等人[9]提出了LNG接收站BOG處理工藝的不足并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。

在LNG工廠生產(chǎn)和儲(chǔ)存過(guò)程中，BOG的產(chǎn)生原理與LNG接收站有較大區(qū)別；LNG接收站內(nèi)BOG的處理工藝更不適用于LNG工廠。針對(duì)目前LNG工廠BOG量計(jì)算及處理工藝研究的欠缺，系統(tǒng)地分析了LNG工廠內(nèi)BOG產(chǎn)生的原理并給出了計(jì)算方法，同時(shí)根據(jù)LNG工廠的特點(diǎn)，討論了BOG的處理工藝。

1 BOG產(chǎn)生原理分析

LNG工廠內(nèi)的工藝流程分為三塊：一是天然氣凈化，包括原料氣增壓、脫硫脫碳和脫水脫汞；二是凈化天然氣的低溫液化，目前國(guó)內(nèi)外常用的天然氣液化技術(shù)有階式制冷循環(huán)技術(shù)、混合冷劑循環(huán)技術(shù)、膨脹制冷技術(shù)，天然氣液化投資大、能耗高，應(yīng)根據(jù)工廠實(shí)際情況綜合比較各制冷技術(shù)的優(yōu)劣來(lái)確定合適的制冷工藝；三是LNG低溫儲(chǔ)存及裝車，從天然氣液化塊輸出的LNG壓力較高，溫度略高于LNG常壓儲(chǔ)存的飽和溫度，經(jīng)過(guò)JT閥節(jié)流回收壓能并將其轉(zhuǎn)化為冷能，使LNG溫度進(jìn)一步降低至常壓儲(chǔ)存的飽和溫度，然后輸送至儲(chǔ)罐儲(chǔ)存，LNG工廠生產(chǎn)的LNG一般由LNG槽車運(yùn)至用戶。

通過(guò)LNG工廠工藝可知，以JT閥為界，閥前的工藝過(guò)程屬于冷量輸入過(guò)程，閥后為冷量損失過(guò)程，正常生產(chǎn)工況下，導(dǎo)致BOG產(chǎn)生的因素包含：JT閥節(jié)流效應(yīng)，LNG儲(chǔ)罐漏熱效應(yīng)，LNG儲(chǔ)罐進(jìn)料置換效應(yīng)，大氣壓變化效應(yīng)，管道漏熱效應(yīng)，LNG循環(huán)泵熱效應(yīng)，LNG裝車泵熱效應(yīng)，LNG槽車來(lái)的泄放氣，LNG儲(chǔ)罐出料置換效應(yīng)。

2 BOG量理論計(jì)算方法

采用物理原理對(duì)以上影響因素進(jìn)行理論分析，結(jié)合工程實(shí)踐，給出適合工程應(yīng)用的BOG量計(jì)算方法。

2.1 JT閥節(jié)流效應(yīng)

焦耳-湯姆遜節(jié)流膨是指流體在絕熱條件下其始末態(tài)分別保持壓力恒定的等焓膨脹過(guò)程，對(duì)于真實(shí)氣體焓是溫度和壓力的函數(shù)，當(dāng)節(jié)流膨脹壓力降低時(shí)，為了維持過(guò)程等焓，溫度相應(yīng)變化。

工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)用工藝模擬計(jì)算軟件是計(jì)算節(jié)流效應(yīng)最簡(jiǎn)便的方法。以HYSYS工藝模擬軟件為例，首先根據(jù)天然氣液化工況創(chuàng)建一股流體，輸入物流參數(shù)，然后添加一個(gè)節(jié)流閥，再創(chuàng)建一股節(jié)流后的流體，并定義節(jié)流后的壓力為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐工作壓力，運(yùn)行軟件即可求得因JT閥節(jié)流效應(yīng)產(chǎn)生的BOG量為Q1。

2.2 LNG儲(chǔ)罐漏熱效應(yīng)

LNG在儲(chǔ)罐中以低溫微正壓狀態(tài)儲(chǔ)存，外部有絕熱保冷措施，但不可避免熱量仍以傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等方式傳入罐內(nèi)，導(dǎo)致部分LNG汽化。

眾多學(xué)者對(duì)LNG儲(chǔ)罐的漏熱量從傳熱機(jī)理上進(jìn)行分析，并給出計(jì)算方法[7-9]，在儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)階段具有指導(dǎo)意義，可保證儲(chǔ)罐在最苛刻的滿罐工況下，LNG儲(chǔ)罐的汽化率滿足國(guó)際通用要求。國(guó)際上對(duì)LNG低溫儲(chǔ)罐汽化率的控制要求見表1[10]。

表1 LNG低溫儲(chǔ)罐汽化率控制要求

LNG儲(chǔ)罐漏熱效應(yīng)產(chǎn)生的BOG量可按式（1）計(jì)算：

式中：Q2為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐漏熱效應(yīng)產(chǎn)生的BOG量，kg/h；VL為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐容量，m3；ε為L(zhǎng)NG低溫儲(chǔ)罐汽化率，%，見表 1； ρL為儲(chǔ)罐內(nèi) LNG 密度，kg/m3。

2.3 LNG儲(chǔ)罐進(jìn)料置換效應(yīng)

儲(chǔ)罐儲(chǔ)存壓力為微正壓，LNG注入儲(chǔ)罐，導(dǎo)致罐內(nèi)LNG液位上升，液面上層空間的BOG需及時(shí)排出以維持儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存壓力，注入LNG的體積即為排出BOG的體積，計(jì)算公式為：

式中：Q3為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐進(jìn)料置換出的BOG量，kg/h；VI為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐進(jìn)料速度，m3/h；ρB為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐內(nèi)BOG氣體的密度，kg/m3。

2.4 大氣壓變化效應(yīng)

LNG低溫儲(chǔ)罐為非承壓儲(chǔ)罐，罐頂安全閥、呼吸閥等排氣閥門的起跳壓力基本接近儲(chǔ)罐的操作壓力，大氣壓下降，儲(chǔ)罐需排出部分BOG以維持儲(chǔ)罐的工作壓力。根據(jù)GB/T 22724-2008《液化天然氣設(shè)備與安裝陸上裝置設(shè)計(jì)》，因大氣壓下降儲(chǔ)罐需排出的BOG量可按式（3）計(jì)算：

式中：Q4為大氣壓下降時(shí)LNG儲(chǔ)罐需排出的BOG量，kg/h；VB為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐氣相空間體積，最大值為儲(chǔ)罐容量的80%，m3；pB為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐的工作壓力，Pa；dpB/dt為大氣壓的變化率，該數(shù)據(jù)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿鈮鹤兓闆r確定，沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)可取2 000 Pa/h。

2.5 管道漏熱效應(yīng)

LNG工廠內(nèi)裝車系統(tǒng)管道尺寸較大，相當(dāng)于小型儲(chǔ)罐，管道的傳熱面積很大，由管道漏熱產(chǎn)生的BOG量不容忽略，可按式（4）計(jì)算：

式中：Q5為管道漏熱產(chǎn)生的BOG量，kg/h；α為管道漏熱系數(shù)，最大值為25 W/m2[9]；Ap為所有低溫管道的總表面積，m2；γ為管內(nèi)流體汽化潛熱，kJ/kg。

2.6 LNG循環(huán)泵熱效應(yīng)

工廠生產(chǎn)的LNG由槽車運(yùn)至用戶，LNG工廠裝車只能在白天進(jìn)行，夜間需啟動(dòng)1臺(tái)LNG裝車泵打循環(huán)，使裝車設(shè)備及管線維持低溫，LNG循環(huán)流量由單臺(tái)裝車泵的流量確定。LNG循環(huán)泵熱效應(yīng)產(chǎn)生的BOG量為：

式中：Q6為L(zhǎng)NG循環(huán)泵熱效應(yīng)產(chǎn)生的BOG量，kg/h；We為L(zhǎng)NG裝車泵電機(jī)功率，kW；γ為L(zhǎng)NG汽化潛熱，kJ/kg。

2.7 LNG裝車泵熱效應(yīng)

裝車時(shí)裝車泵對(duì)LNG做功，最終轉(zhuǎn)化為熱能被LNG吸收汽化，LNG裝車泵熱效應(yīng)產(chǎn)生的BOG量可按式（6）計(jì)算：

式中：Q7為L(zhǎng)NG裝車泵熱效應(yīng)產(chǎn)生的BOG量，kg/h；We為L(zhǎng)NG裝車泵電機(jī)功率，kW；n為裝車泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，臺(tái)； γ為L(zhǎng)NG汽化潛熱，kJ/kg。

2.8 LNG槽車來(lái)的泄放氣

槽車裝車前，槽車儲(chǔ)罐內(nèi)充滿BOG，安全閥設(shè)定壓力為0.7 MPa，在裝車前需將槽車內(nèi)的BOG排出，使槽車儲(chǔ)罐壓力泄放至裝車壓力125 kPa.a。槽車泄放的BOG量可按式（7）計(jì)算：

式中：Q8為裝車時(shí)從LNG槽車來(lái)的BOG量，kg/h；VT為槽車容量，m3；ρB1為泄壓前槽車罐內(nèi)BOG密度，kg/m3；ρB2為泄壓后槽車儲(chǔ)罐內(nèi)BOG密度，kg/m3。

2.9 LNG儲(chǔ)罐出料置換效應(yīng)

裝車時(shí)從儲(chǔ)罐抽出LNG，罐內(nèi)LNG液位下降，為了維持儲(chǔ)罐微正壓的操作壓力，BOG排出量減少。由于LNG儲(chǔ)罐出料置換效應(yīng)而減少的BOG排出量可按式（8）計(jì)算：

式中：Q9為因LNG儲(chǔ)罐出料置換效應(yīng)而減少的BOG排出量，kg/h；VO為裝車流量，m3/h；ρB為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐內(nèi)BOG密度，kg/m3。

由于以上因素產(chǎn)生的BOG量不能簡(jiǎn)單疊加，應(yīng)根據(jù)不同的運(yùn)行工況及當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，合理確定影響因素，以準(zhǔn)確計(jì)算相應(yīng)運(yùn)行工況下BOG的總量QB，常見工況有4種。

a）當(dāng)?shù)卮髿鈮悍€(wěn)定，白天工廠正常運(yùn)行，BOG總量 應(yīng)為：

b）當(dāng)?shù)卮髿鈮悍€(wěn)定，晚上工廠正常運(yùn)行，BOG總量應(yīng)為：

c）當(dāng)?shù)卮髿鈮悍€(wěn)定，白天工廠停產(chǎn)檢修，BOG總量應(yīng)為：

d）當(dāng)?shù)卮髿鈮悍€(wěn)定，晚上工廠停產(chǎn)檢修，BOG總量應(yīng)為：

3 BOG處理工藝

綜上可知，影響LNG工廠BOG量的因素眾多、組成復(fù)雜、工況多變。處理工藝的選擇往往需要結(jié)合項(xiàng)目周邊燃?xì)夤芫W(wǎng)情況、全廠熱力平衡等因素選擇合理的方案，使工廠建設(shè)和運(yùn)行成本綜合最低。

針對(duì)LNG工廠，BOG的處理方案主要有5種：

a）增壓后進(jìn)管網(wǎng)外輸；

b）做工廠供熱設(shè)備的燃料氣；

c）再液化；

d）多級(jí)增壓作為CNG外輸；

e）再冷凝增壓裝車外輸或L-CNG汽化裝車外輸。

采用上述5種處理方案都需綜合考慮以下3個(gè)影響因素：

a） BOG中的氮?dú)夂渴欠癖幌掠喂に嚪桨杆邮?。如BOG增壓后回冷箱再液化，工藝氣中的氮含量會(huì)逐漸積聚，為了避免浪費(fèi)液化能量需設(shè)置脫氮裝置或定期進(jìn)行高含氮BOG放空。

b）BOG的波動(dòng)性是否能被下游工藝方案所接受。如采用管網(wǎng)外輸方案時(shí)，下游是小規(guī)模的城市低壓管網(wǎng)，一天內(nèi)用氣波動(dòng)性較大，用氣低峰時(shí)，管網(wǎng)容納能力有限，需要增設(shè)高壓球罐或管束儲(chǔ)氣設(shè)施。

c）BOG的低熱值是否能被接受。如采用增壓復(fù)熱后的BOG做燃料氣或城市燃?xì)鈺r(shí)，需要核算極端低熱值時(shí)，是否會(huì)造成相關(guān)用氣設(shè)備熄火，如果存在安全風(fēng)險(xiǎn)就需要增設(shè)調(diào)熱值設(shè)備，調(diào)整BOG的熱值以保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

根據(jù)LNG工廠工藝特點(diǎn)，分析了影響B(tài)OG量的因素，采用物理理論分析了各影響因素引起B(yǎng)OG量變化的原理，綜合理論計(jì)算和工程實(shí)踐，給出了LNG工廠BOG量系統(tǒng)的計(jì)算方法。該方法已得到實(shí)際工程的驗(yàn)證，應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況作全面考慮。LNG工廠BOG的處理工藝，應(yīng)結(jié)合工廠內(nèi)外的實(shí)際情況，選擇最優(yōu)方案。準(zhǔn)確地計(jì)算BOG量，選擇適宜的BOG處理工藝，可減少天然氣的放空和對(duì)環(huán)境的污染，降低LNG工廠的能耗和運(yùn)行成本，避免生產(chǎn)事故的發(fā)生。

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