大氣壓對(duì)液化天然氣罐群接收站設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)的影響

（中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028）

隨著國(guó)家天然氣產(chǎn)供儲(chǔ)銷體系建設(shè)的加快，液化天然氣（LNG）在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中的比例快速增長(zhǎng)，各地區(qū)開始了LNG罐群接收站的建設(shè)與規(guī)劃，單個(gè)接收站項(xiàng)目中的儲(chǔ)罐數(shù)量越來越多。如福建某LNG項(xiàng)目、浙江某LNG項(xiàng)目擴(kuò)建后均有6臺(tái)16萬m3儲(chǔ)罐，天津某LNG項(xiàng)目二期建設(shè)后將擁有2臺(tái) 3萬 m3儲(chǔ)罐、1臺(tái) 16萬 m3儲(chǔ)罐、6臺(tái) 22萬 m3儲(chǔ)罐，山東龍口某LNG項(xiàng)目一期將建設(shè)6臺(tái)22萬m3儲(chǔ)罐。在今后一段時(shí)期內(nèi)，罐群規(guī)模的接收站建設(shè)將是LNG行業(yè)發(fā)展的一大趨勢(shì)[1]。

LNG在接收站內(nèi)受熱后會(huì)產(chǎn)生甲烷含量很高的蒸發(fā)氣（BOG）。BOG產(chǎn)生量直接決定了接收站核心設(shè)備——BOG低壓壓縮機(jī)和再冷凝器的配置。若BOG產(chǎn)生量計(jì)算偏小，低壓壓縮機(jī)配置不足，則實(shí)際生產(chǎn)過程中接收站內(nèi)設(shè)備無法處理過量的BOG，將導(dǎo)致BOG通過火炬放空，造成大量資源浪費(fèi)。若BOG產(chǎn)生量計(jì)算偏大，則低壓壓縮機(jī)和再冷凝器能力過大，設(shè)備能力冗余，接收站運(yùn)行能耗較高，會(huì)降低BOG壓縮機(jī)壽命。而罐群接收站所具有的多碼頭、多儲(chǔ)罐及多槽車等特點(diǎn)，決定了其BOG產(chǎn)生量較大。因此，準(zhǔn)確計(jì)算BOG的產(chǎn)生量對(duì)于LNG罐群接收站的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

1 LNG罐群接收站BOG產(chǎn)生量計(jì)算原理及存在問題

1.1 計(jì)算原理

在我國(guó)LNG罐群接收站迅猛發(fā)展的十余年間，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者結(jié)合工程實(shí)例對(duì)BOG產(chǎn)生量的計(jì)算進(jìn)行了深入研究[2-7]，GB/T 22724—2008《液化天然氣設(shè)備與安裝 陸上裝置設(shè)計(jì)》[8]中也介紹了陸上液化天然氣設(shè)備的設(shè)計(jì)方法。歸納而言，LNG接收站BOG產(chǎn)生量的計(jì)算原理是，分別計(jì)算出接收站內(nèi)BOG的產(chǎn)生值和減小值，將兩者的差值作為接收站內(nèi)BOG的設(shè)計(jì)值。BOG產(chǎn)生的主要因素有卸料置換、儲(chǔ)罐漏熱、管道漏熱、裝槽車/小船置換、罐內(nèi)泵的熱輸入以及大氣壓變化，BOG量減小的主要因素是氣態(tài)外輸。

關(guān)于BOG產(chǎn)生量的詳細(xì)計(jì)算方法可以參考文獻(xiàn)[2-11]，文中不再贅述。

1.2 存在問題

在LNG罐群接收站內(nèi)的儲(chǔ)罐數(shù)量偏少（2～3臺(tái)）時(shí)，BOG產(chǎn)生量為20～30 t/h。如福建漳州某LNG接收站一期建設(shè)2臺(tái)LNG儲(chǔ)罐時(shí)，最大BOG產(chǎn)生量為21.7 t/h；二期再建1臺(tái)LNG儲(chǔ)罐時(shí)，最大BOG產(chǎn)生量為24.1 t/h。該項(xiàng)目中設(shè)置了3臺(tái)壓縮能力為12.5 t/h的低壓BOG壓縮機(jī)，2用1備，以滿足BOG處理要求。

當(dāng)LNG罐群接收站規(guī)模越來越大時(shí)，BOG產(chǎn)生量增長(zhǎng)較大，主要原因?yàn)?，①罐群接收站?nèi)一般會(huì)設(shè)置雙碼頭甚至3、4座碼頭，多碼頭同時(shí)卸料工況下BOG產(chǎn)生量增大。②當(dāng)儲(chǔ)罐、槽車數(shù)量增多后，儲(chǔ)罐、罐內(nèi)低壓泵及槽車的整體漏熱量將增加。③為滿足工藝要求，接收站內(nèi)管道長(zhǎng)度和尺寸加大，漏熱也隨之增加。

在進(jìn)行多個(gè)LNG接收站項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)儲(chǔ)罐數(shù)量越多時(shí)，因大氣壓變化引起的BOG產(chǎn)生量占BOG總產(chǎn)生量的比例越來越大，會(huì)對(duì)BOG低壓壓縮機(jī)的配置產(chǎn)生較大影響。

2 大氣壓變化對(duì)罐群接收站BOG產(chǎn)生量的影響

2.1 計(jì)算數(shù)據(jù)

以河北某LNG罐群接收站為例，對(duì)大氣壓變化對(duì)接收站BOG產(chǎn)生量的影響進(jìn)行分析。該接收站分為一階段、二階段和三階段進(jìn)行建設(shè)，分別建造4臺(tái)、4臺(tái)、12臺(tái)共20臺(tái)LNG儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐容量均為20萬m3，內(nèi)罐直徑 85 m，內(nèi)罐高42.72 m。一階段建成1座1#碼頭，二階段再增建1座2#碼頭。該LNG項(xiàng)目峰值外輸能力達(dá)到1.6億m3/d，周轉(zhuǎn)能力達(dá)到1 200萬t/a。裝卸主力船型的載運(yùn)能力為175 000 m3，兼顧80 000～267 000 m3載運(yùn)能力的液化天然氣船，設(shè)計(jì)卸料體積流量為12 000 m3/h，正常卸料體積流量為10 000 m3/h。極端最高氣溫37.0℃，極端最低氣溫－22.8℃。

2.2 大氣壓變化率選取

大氣壓變化率的選取一般有2種辦法，一種是按 EN 1473—2007 《Installation and Equipment for Liquefied Natural Gas—Design of Shore Installations》[12]的規(guī)定，在無法取得大氣壓變化率時(shí)，按照2 kPa/h進(jìn)行計(jì)算。另一種是按照建設(shè)單位從當(dāng)?shù)貧庀蟛块T獲取的氣壓變化值進(jìn)行計(jì)算。查找該工程項(xiàng)目所在地的氣象資料可知，大氣壓正常變化率為0.5 kPa/h，50 a內(nèi)大氣壓最大變化率為0.74 kPa/h。

2.3 BOG產(chǎn)生量計(jì)算結(jié)果與分析

按照實(shí)際操作情況，將該LNG罐群接收站操作模式劃分為24種，見表1。

表1 河北某LNG罐群接收站操作模式

針對(duì)24種操作模式，分別計(jì)算大氣壓變化率為 0.5 kPa/h、0.74 kPa/h和 2 kPa/h時(shí) 3個(gè)建設(shè)階段LNG罐群接收站的BOG產(chǎn)生量，部分操作模式下各階段的典型計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 大氣壓變化率不同時(shí)部分操作模式下河北某LNG罐群接收站各建設(shè)階段BOG產(chǎn)生量計(jì)算結(jié)果 t/h

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，在大氣壓變化率為0.5 kPa/h時(shí)，各階段的BOG產(chǎn)生量最大值分別為24.0 t/h、41.0 t/h、88.5 t/h；而在大氣壓變化率數(shù)值為0.74 kPa/h時(shí)，各階段的BOG產(chǎn)生量最大值分別為 29.1 t/h、49.9 t/h、113.6 t/h；在大氣壓變化率為2 kPa/h時(shí)，各階段的BOG產(chǎn)生量最大值分別為 57.1 t/h、107.2 t/h、253.9 t/h。 同時(shí)對(duì)單臺(tái)儲(chǔ)罐因大氣壓變化引起的BOG產(chǎn)生量也分別進(jìn)行了計(jì)算，在大氣壓變化率分別為0.5 kPa/h、0.74 kPa/h、2 kPa/h時(shí)單臺(tái)儲(chǔ)罐的BOG產(chǎn)生量分別為 2.49 t/h、3.75 t/h、10.7 t/h。 當(dāng)整個(gè)接收站儲(chǔ)罐建設(shè)完成達(dá)到20臺(tái)時(shí)，各階段因大氣壓引起的BOG產(chǎn)生量占接收站BOG總量的比例分別為19.6%、29.5%、84.3%，可見 20 臺(tái)儲(chǔ)罐時(shí)大氣壓變化引起的BOG產(chǎn)生量占了絕大比例。

福建某LNG接收站地區(qū)的極端大氣壓變化率為0.24 kPa/h，按照上述河北LNG項(xiàng)目配置參數(shù)計(jì)算該接收站的BOG產(chǎn)生量，結(jié)果見表3。

表3 大氣壓變化率為0.24 kPa/h時(shí)福建某LNG接收站BOG產(chǎn)生量計(jì)算結(jié)果 t/h

由表3可以看出，福建某LNG接收站各階段的BOG產(chǎn)生量最大值分別為18.7 t/h、30.4 t/h和62.1 t/h。將此計(jì)算結(jié)果與表2中大氣壓變化率為0.74 kPa/h時(shí)各階段的BOG產(chǎn)生量最大值（29.1 t/h、49.9 t/h、113.6 t/h）進(jìn)行對(duì)比，若以相同的單臺(tái)BOG壓縮機(jī)能力 （12.5 t/h）進(jìn)行配置，所需BOG壓縮機(jī)的數(shù)量均存在差異，三階段時(shí)的差異尤為明顯。以操作模式4為例，計(jì)算得出福建某LNG接收站二階段的BOG量為30.2 t/h，需配置3臺(tái)BOG壓縮機(jī)；而河北某LNG接收站在大氣壓變化率為0.5kPa/h、0.74kPa/h以及2kPa/h時(shí)，BOG的產(chǎn)生量則分別為 40.8 t/h、49.7 t/h、106.9 t/h，需對(duì)應(yīng)配置BOG壓縮機(jī) 4臺(tái)、4臺(tái)、9臺(tái)。即罐群接收站配置相同時(shí)，由于所處地區(qū)大氣壓變化率的不同，接收站BOG壓縮機(jī)和再冷凝器的設(shè)計(jì)也會(huì)存在較大的不同。

3 建議及解決措施

當(dāng)設(shè)計(jì)采用儲(chǔ)罐表壓控制的LNG罐群接收站時(shí)[13]，必須重點(diǎn)考慮大氣壓變化對(duì)其設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)的影響。在設(shè)計(jì)階段，建設(shè)單位應(yīng)積極與氣象部門確認(rèn)項(xiàng)目建設(shè)地的歷史氣象數(shù)據(jù)，基于準(zhǔn)確的大氣壓變化值計(jì)算接收站BOG產(chǎn)生量。在運(yùn)營(yíng)期，當(dāng)發(fā)生臺(tái)風(fēng)等情況大氣壓變化較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減少來船和卸料操作。

對(duì)新建的罐群類接收站，建議采用儲(chǔ)罐絕對(duì)壓力控制方式，避免大氣壓變化的影響，但需克服每次卸船期與習(xí)慣表壓作業(yè)的LNG船方之間的溝通困難問題。

國(guó)內(nèi)LNG接收站中的BOG壓縮機(jī)主要采用的是往復(fù)式壓縮機(jī)[14-20]，單臺(tái)設(shè)備壓縮能力上限為12.5 t/h。在建設(shè)場(chǎng)地受限等情況下，可考慮采用單機(jī)氣量較大且占地面積小的離心壓縮機(jī)[21]。韓國(guó)KOGAS平澤LNG接收站和三涉LNG接收站分別累計(jì)使用了3臺(tái)和6臺(tái)離心壓縮機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行平穩(wěn)，效果良好。