高耗點LNG加注站BOG產(chǎn)生原因及降低措施分析

＊王冕冕

（中國石化銷售股份有限公司浙江杭州石油分公司 浙江 310007）

1.研究背景

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG），其主要化學(xué)成分是甲烷，它無色、無味、無毒且無腐蝕性，LNG是由原料天然氣經(jīng)一系列低溫液化工藝處理后獲得，體積相當(dāng)于標(biāo)況下氣態(tài)天然氣體積的1/625，LNG燃燒后對空氣污染非常小，而且釋放的熱量大，國內(nèi)已形成LNG液化廠、接收站、加注站及配套冷能利用項目等完善產(chǎn)業(yè)鏈[1-3]。

根據(jù)一座位于公交停堡基地LNG加注站（后文均簡稱A站）營運(yùn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，該站從2016年10月22日（投運(yùn)第一天）至2016年12月31日期間，進(jìn)液量為112940kg，銷售量為84132.9kg，損耗量為28807.1kg，損耗率為34.24%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過公司規(guī)定的損耗限值（±5%以內(nèi)）。該站投運(yùn)前期日均銷售量為1200kg，約12天進(jìn)一次液，進(jìn)液后儲罐壓力在0.38MPa左右，下一次進(jìn)液前儲罐壓力通常達(dá)到0.9MPa左右，不得不采取自動或手動放散措施降低系統(tǒng)壓力以確保儲罐安全和進(jìn)液作業(yè)正常進(jìn)行。從公司其他投運(yùn)的LNG加注站營運(yùn)情況來看，在日加氣量不大的情況下，氣站BOG放散量也較高，單站最高損耗率達(dá)到44.5%。BOG的放散一方面容易在加注站周邊形成可燃?xì)怏w空間，安全風(fēng)險指數(shù)增加，另一方面造成能源浪費，嚴(yán)重影響加注站的經(jīng)濟(jì)效益，此外BOG中主要成分為甲烷，而甲烷是一種溫室效應(yīng)很強(qiáng)的氣體，導(dǎo)致站點碳排放量顯著增加，與當(dāng)前低碳發(fā)展目標(biāo)相沖突。因此，分析BOG產(chǎn)生的來源，并提出一套措施降低高損耗站點放散量顯得尤為重要。

2.BOG產(chǎn)生來源分析

LNG加注站通常將LNG儲存在儲罐中，運(yùn)行時經(jīng)絕熱措施處理的管道輸送至潛液泵、加液機(jī)等設(shè)備中。

LNG通過槽車運(yùn)輸至加注站，通常采用增壓汽化器或潛液泵將槽車中的LNG卸入加注站低溫儲罐中，當(dāng)有車輛前來加注時，通過潛液泵和加液機(jī)將LNG通過經(jīng)絕熱措施處理的管道充裝至車載LNG氣瓶[4-8]。標(biāo)準(zhǔn)加注站以LNG儲罐、加注機(jī)為主體，包括LNG卸車系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、儲罐增壓系統(tǒng)、加氣系統(tǒng)和站控系統(tǒng)等，工藝流程圖見圖1。

圖1 LNG加氣站工藝流程圖

加注站在運(yùn)行過程中設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)會產(chǎn)生一部分熱量，此外儲罐和管線等設(shè)施設(shè)備不可避免與外界存在熱量交換，由于LNG具有極易氣化的特點，對于飽和的LNG液體，任何一點溫度升高和壓力下降均導(dǎo)致LNG液體氣化形成BOG，加注站產(chǎn)生BOG有如下幾個環(huán)節(jié)。

（1）進(jìn)液環(huán)節(jié)。進(jìn)液即卸液，是指將槽車運(yùn)輸來的LNG液體轉(zhuǎn)移至加注站儲罐的過程，一般的卸液方式有三種：自增壓卸液、泵卸液、增壓器和泵聯(lián)合卸液。不論采取哪種方式卸液方式，LNG必須通過低溫管線，盡管管線也采取了低溫隔絕方式（一般采用絕熱材料包裹結(jié)構(gòu)或真空結(jié)構(gòu)），在輸送過程中，也無法隔絕與外界環(huán)境熱交換，會產(chǎn)生一部分BOG。當(dāng)LNG加注站采用低溫潛液泵提供動力卸液時，BOG產(chǎn)生來源于兩部分，一部分為泵池預(yù)冷會消耗少量的LNG液體氣化形成BOG，另一部分為潛液泵運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生熱量導(dǎo)致LNG氣化形成BOG，此環(huán)節(jié)產(chǎn)生量與起泵次數(shù)、泵運(yùn)轉(zhuǎn)時長有關(guān)聯(lián)[9-12]。

（2）銷售環(huán)節(jié)。銷售環(huán)節(jié)即將LNG液體加注到車載氣瓶的過程。加液過程除低溫輸送管道和低溫卸液泵產(chǎn)生BOG（此環(huán)節(jié)同卸液過程）外，由于LNG車載氣瓶壓力過高，往往需要通過回氣槍向儲罐系統(tǒng)卸放BOG以確保加注作業(yè)正常進(jìn)行。通常一個375L的氣瓶殘余氣量約為3Nm3，此部分氣體一部分遇儲罐低溫LNG液化，通常大部分經(jīng)站內(nèi)集中放散管排放。此外，如果加氣車輛少，兩次加氣間隔時間長，往往還需要對泵和管線等設(shè)備進(jìn)行預(yù)冷，預(yù)冷也會損耗一部分LNG生成BOG，這部分BOG通常也會回到儲罐[13-15]。

（3）存儲環(huán)節(jié)。存儲環(huán)節(jié)BOG產(chǎn)生主要體現(xiàn)在儲罐自然蒸發(fā)。LNG儲罐一般為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯采用耐低溫的奧氏體不銹鋼材料，外襯采用低合金鋼材料，中間夾層采取填充保冷材料如珠光砂并抽真空絕熱。受限于當(dāng)前工藝水平，設(shè)備尚無法達(dá)到絕對真空絕熱狀態(tài)，此外受材料質(zhì)量、環(huán)境溫度以及光照等多重因素的影響夾層存在漏氣的可能性，上述均會導(dǎo)致儲罐與外界發(fā)生熱交換，形成BOG。同時如儲罐中尚有剩余液體，且沒有新購入LNG進(jìn)行補(bǔ)充，加注站需要在較高壓力運(yùn)行一段時間，當(dāng)壓力超過控制上限，不得不采取手動或自動方式開閥放散，直到新購入的LNG卸入才能將儲罐的壓力降低。其產(chǎn)生量通?？筛鶕?jù)靜態(tài)蒸發(fā)率來估算，一般儲罐日蒸發(fā)率在0.2%左右，最高不得超過0.3%，排放BOG是加注站最大的損耗[16-17]。

除工藝環(huán)節(jié)外，BOG的產(chǎn)生量也受氣源物性參數(shù)的影響。LNG重組分越多，沸點越高，其蒸氣壓越高，當(dāng)LNG氣源重組分較多時，儲罐的壓力較高，溫度相對也高，當(dāng)儲罐卸入新的LNG時，增加了LNG蒸發(fā)量。另外氣源初期溫度較高，會造成系統(tǒng)壓力高位運(yùn)行，壓力上升至減壓排氣壓力的空間減小，縮短了氣液存放的周期；壓力較高的氣液注入車載氣瓶后不能較好進(jìn)行降壓，需要回氣方可正常充裝作業(yè)，惡化了整個系統(tǒng)，這些均導(dǎo)致BOG產(chǎn)生量的增加。

3.應(yīng)對措施

目前我公司LNG加注站大部分建設(shè)在城市建成區(qū)或沿城市主要道路。有與加油站合建的，有建設(shè)在公交停堡基地內(nèi)的，主要替代柴油車輛，如公交車、大型貨車等。新投運(yùn)的加注站受日加氣量少（不到設(shè)計加氣量10%）、加氣時間零散導(dǎo)致加注站損耗率居高不下，針對這類高損耗站點可采取如下幾種對策。

（1）從增加客戶著手，加快液體周轉(zhuǎn)。LNG天然氣的使用客戶主要是以公交車、大型貨車為主，首先公司要充分利用政府推廣發(fā)展清潔能源的契機(jī)，積極與公交公司以及大型車隊合作，爭取更多的車輛柴改氣，搶占先機(jī)，擴(kuò)大市場份額，加快液體周轉(zhuǎn)，減少LNG存儲時間，從根本上減少BOG的產(chǎn)生及放散。

（2）從進(jìn)液源頭著手，合理選擇氣源。由于液化工藝和原料氣組分不同，不同的氣源液溫、熱值不同。當(dāng)前我國氣源大致可分為4個檔次，分別為：①氣 源溫度在-162℃左右，壓力約0.1MPa以下；②氣源溫度在-152℃左右，壓力約0.2MPa左右；③氣源溫度在-140℃左右，壓力約0.38MPa左右；④氣源溫度在-130℃左右，壓力約0.5MPa左右。在投運(yùn)前期加注車輛不足的情況下盡量選擇一二類氣源，更優(yōu)質(zhì)的氣源可減少LNG氣化生成BOG，從源頭上控制來減少BOG的產(chǎn)生。

（3）從卸車工藝著手，采取分卸方式。日均加氣量越少，LNG周轉(zhuǎn)時間越長，LNG通過儲罐、潛液泵等設(shè)備及工藝管道與外界發(fā)生的熱交換就會越多，相應(yīng)產(chǎn)生的BOG數(shù)量也越多。通過統(tǒng)籌考慮日銷液量、運(yùn)輸成本等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，可采取鄰近氣站一車兩站分卸方式，使單站儲罐及時補(bǔ)充較低溫的LNG，儲罐內(nèi)的一部分BOG液化，減少BOG放散量，從而降低了損耗率。高華偉等人通過建立數(shù)學(xué)模型，表明儲罐的充裝間隔時間在4d及以內(nèi)，可以大量減少BOG的放散。該措施在筆者所在公司A加注站得到了證實。該公司自2017年1月份至4月份均采取了一車兩站分卸模式，5月份受加液車輛增加采取分卸和卸整車相結(jié)合方式，月平均卸液次數(shù)為6次（每5天卸一次液），平均每次卸液量為8828kg，月平均銷售量為55300kg，月平均損耗量為2280kg，損耗率為4.1%，處于正常損耗范圍。

（4）從檢查設(shè)備著手，檢測管線真空度。所有的管線、儲罐都要進(jìn)行良好保冷措施。如在卸液作業(yè)過程中，槽罐車與儲氣罐的連接管非保冷管材，可以看到卸液時連接管上結(jié)了一層厚厚的霜，此現(xiàn)象為連接管周圍的水蒸氣遇冷放熱凝結(jié)形成霜，熱量被帶入管線和儲罐系統(tǒng)，無形中產(chǎn)生BOG。定期檢查管線、管件等設(shè)施設(shè)備表面結(jié)霜情況可判斷設(shè)施是否內(nèi)漏或真空度失效，再結(jié)合現(xiàn)場實際情況開展真空度檢測。針對A站損耗率高的情況，加注站安排維護(hù)商進(jìn)行真空度檢測，真空度值為8Pa，超出正常標(biāo)準(zhǔn)值5Pa，后續(xù)開展抽真空維護(hù)。不定期檢測真空度也不失為降低氣站損耗的一個對策。其次，通過加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，降低故障率，從而減少維修造成的反復(fù)排空、預(yù)冷、加注操作損耗；在潛液泵卸車收尾階段，通過適當(dāng)降低潛液泵運(yùn)轉(zhuǎn)頻率可將槽車殘液最大限度吸收等。

（5）從排放去向著手，增加回收工藝。BOG回收方式一般有兩種，站內(nèi)回收和站外回收。站內(nèi)回收即通過設(shè)備使BOG液化再重新回到儲罐的過程，該方法主要缺點是投資成本大，且針對日均銷售量少的高損耗站點不能從根本上解決問題，故不推薦此種回收方式。站外回收是將站內(nèi)產(chǎn)生的BOG通過氣化調(diào)壓計量裝置回到城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的過程。具體流程為LNG加注站產(chǎn)生的BOG回到儲罐，通過空溫式氣化器或電復(fù)熱器換熱成為常溫氣體后，根據(jù)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)壓力機(jī)制經(jīng)過調(diào)壓器調(diào)壓后進(jìn)入城市管網(wǎng)。此回收方法特點是設(shè)備投資少（只投資調(diào)壓計量加臭裝置，投資額約5萬元）、能耗低（僅計量和加臭需要小功率用電（約1kW）），且為間歇式運(yùn)行）操作方便，尤其對附近有城市管網(wǎng)的高損耗點有利。以A加注站為例，站內(nèi)設(shè)置60m3儲罐一只，管線長度100m左右，日均損耗量為230kg，相當(dāng)于344Nm3天然氣，以每標(biāo)準(zhǔn)立方的回收價格1.8元計算，回收收入是619元，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，如不采取回收，該部分BOG全部放散至大氣中，采用IPCC缺省排放因子估算日二氧化碳排放當(dāng)量為4.83t。該措施缺點是站外附近沒有城市管網(wǎng)就沒法回收。

圖2 BOG回收工藝流程圖

4.結(jié)論

本文綜合分析了高耗點站BOG產(chǎn)生的原因，針對已投營站點，從設(shè)計源頭進(jìn)行大規(guī)模工藝改造不現(xiàn)實，本文從具體站點運(yùn)營實際出發(fā)，分別從增加加注車輛、選擇更優(yōu)質(zhì)氣源、采取一車兩站分卸方式、檢測管線真空度以及從排放去向著手增加回收工藝五個方面提供措施建議，采取氣化回收到城市管網(wǎng)等措施，在很大程度上降低了損耗率，使初始平均損耗率在40%回到標(biāo)準(zhǔn)損耗范圍內(nèi)（±5%），降低了安全風(fēng)險指數(shù)，減少了資源損耗，降低了碳排放量。