鄧　林

武漢鍋爐集團(tuán)超順鍋爐設(shè)備制造有限公司　武漢　430070

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LNG接收站BOG計(jì)算與壓縮機(jī)能力配置

鄧林*

武漢鍋爐集團(tuán)超順鍋爐設(shè)備制造有限公司武漢430070

摘要分析BOG的生成機(jī)理，研究BOG的單元計(jì)算法。重點(diǎn)對(duì)LNG卸船產(chǎn)生BOG計(jì)算進(jìn)行分析，主要包含LNG卸船功熱輸入、船罐置換和冷卻罐壁。結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)BOG工況組合進(jìn)行分析和計(jì)算，并對(duì)比實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)BOG壓縮機(jī)的能力配置進(jìn)行探討，提出具體原則。

關(guān)鍵詞LNG接收站BOG計(jì)算壓縮機(jī)卸船

蒸發(fā)氣BOG(Boil Off Gas)的計(jì)算在LNG接收站設(shè)計(jì)中占有重要地位。BOG計(jì)算量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致BOG處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力過(guò)量，增大建設(shè)成本；BOG計(jì)算量過(guò)小，BOG處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力不足，導(dǎo)致站內(nèi)BOG的大量放空，不僅浪費(fèi)能源產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還污染環(huán)境。

1LNG接收站

LNG接收站一般包括LNG卸船系統(tǒng)、LNG儲(chǔ)罐與低壓泵系統(tǒng)、BOG處理系統(tǒng)、LNG高壓泵系統(tǒng)、LNG氣化系統(tǒng)、NG計(jì)量/調(diào)壓系統(tǒng)、LNG槽車裝車系統(tǒng)、火炬系統(tǒng)和公用工程系統(tǒng)，典型流程見(jiàn)圖1。

圖1　典型LNG接收站流程示意圖

2BOG的計(jì)算方法

正常工況下，LNG接收站產(chǎn)生BOG的過(guò)程主要包含LNG卸船功熱輸入、船罐置換、冷卻罐壁、儲(chǔ)罐自然蒸發(fā)、大氣壓變化、保冷循環(huán)低壓泵功率輸入、管道吸熱、LNG裝車和氣化外輸?shù)葐卧?/p>

2.1LNG卸船功熱輸入

卸船時(shí)，LNG船和儲(chǔ)罐通過(guò)卸船管線和BOG返回管線相互連通，組成一個(gè)整體系統(tǒng)，從系統(tǒng)的角度考慮，只有外界對(duì)系統(tǒng)的功熱輸入才能產(chǎn)生BOG。因此，對(duì)于LNG船而言，BOG的產(chǎn)生只能是卸船泵的功率輸入和LNG船上的自然蒸發(fā)。

卸船泵的有效功率輸入用于克服卸船管路的阻力損失、轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)NG的勢(shì)能和內(nèi)能，功率損耗則完全轉(zhuǎn)化為熱量被LNG吸收蒸發(fā)氣化變成BOG。LNG在卸料管道中流動(dòng)時(shí)，經(jīng)歷摩擦和亂流阻力，又會(huì)將部分有效功率轉(zhuǎn)化為熱量被LNG吸收蒸發(fā)氣化變成BOG[1]。這部分功率損耗較小，且難于量化，一般進(jìn)行粗略估算，由于LNG船和儲(chǔ)罐自然蒸發(fā)產(chǎn)生BOG計(jì)算比較保守，因此也可將這部分功率損耗忽略。另外，進(jìn)入儲(chǔ)罐的低溫卸船LNG會(huì)將罐內(nèi)部分BOG冷凝，但這部分折減BOG量的計(jì)算較為困難，目前只能忽略，因而使得計(jì)算結(jié)果偏保守。

對(duì)于LNG船上的自然蒸發(fā)，計(jì)算方法與儲(chǔ)罐自然蒸發(fā)相同，由于計(jì)算過(guò)程中一直采用LNG船滿容積，因此計(jì)算結(jié)果偏保守。

式中，W1為卸船產(chǎn)生BOG的質(zhì)量流量，t/h；ρLNG,船艙為船艙LNG的密度，kg/m3；V船艙為L(zhǎng)NG船的容積，m3；BOR船艙為L(zhǎng)NG船的日蒸發(fā)率，%；N卸船泵為卸船泵數(shù)量，臺(tái)；P卸船泵為卸船泵額定功率，kW；η卸船泵為卸船泵額定效率，%；ηx為卸料摩擦和亂流轉(zhuǎn)化熱量占卸船泵額定功率的百分比，%，一般取5%；rLNG,儲(chǔ)罐為儲(chǔ)罐LNG的潛熱，kJ/kg。

2.2船罐置換

LNG卸船時(shí)，儲(chǔ)罐壓力略高于船艙壓力，從微觀過(guò)程看，不同的操作壓力必然導(dǎo)致不同的氣液平衡狀態(tài)，就會(huì)產(chǎn)生LNG與BOG之間的相互轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致BOG量的改變。從宏觀上看，對(duì)于這部分BOG量，可以采用卸船體積置換的方法計(jì)算。

式中，W2為船罐置換產(chǎn)生BOG的質(zhì)量流量，t/h；ρBOG,儲(chǔ)罐為儲(chǔ)罐BOG的密度，kg/m3；ρBOG,船艙為船艙BOG的密度，kg/m3；V卸船為L(zhǎng)NG卸船體積流量，m3/h。

2.3冷卻罐壁

LNG儲(chǔ)罐氣相空間BOG的溫度由下到上呈線性分布，氣液分界面處溫度與液相LNG的主體溫度相同，約為-162℃，而吊頂下部溫度則為-140℃左右，內(nèi)罐罐壁溫度的分布特性與氣相BOG基本相同(圖2)。LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐后，罐內(nèi)液位不斷上升，原來(lái)暴露于氣相空間溫度較高的內(nèi)罐罐壁隨之與低溫LNG相接觸，內(nèi)罐罐壁得到冷卻，放出的熱量則被LNG吸收，蒸發(fā)氣化變成BOG。因此，可以基于熱量和物料衡算的原理建立計(jì)算公式[2]，從實(shí)際工程角度來(lái)看，這也是一種可以接受的估算方法。

2.4儲(chǔ)罐自然蒸發(fā)

因?yàn)闇夭畹拇嬖?，外界環(huán)境會(huì)通過(guò)保冷層不斷地向儲(chǔ)罐內(nèi)部傳遞熱量，因此不可避免地導(dǎo)致處于平衡態(tài)的LNG吸熱蒸發(fā)氣化變成BOG。由于儲(chǔ)罐傳熱過(guò)程的復(fù)雜性，因此對(duì)于儲(chǔ)罐自然蒸發(fā)產(chǎn)生BOG的計(jì)算，實(shí)際工程中一般按照罐容乘以日蒸發(fā)率BOR進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。顯然，計(jì)算結(jié)果偏保守，但從實(shí)際工程的角度來(lái)看，這種穩(wěn)妥的做法仍然是合理的。

圖2　罐壁冷卻

式中，W4為儲(chǔ)罐自然蒸發(fā)產(chǎn)生BOG的質(zhì)量流量，t/h；N儲(chǔ)罐為儲(chǔ)罐數(shù)量，座；ρLNG為L(zhǎng)NG的密度，kg/m3；V儲(chǔ)罐為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐的罐容積，m3；BOR儲(chǔ)罐為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐的日蒸發(fā)率，%。

國(guó)際上一般定義和采用滿罐容量時(shí)的日蒸發(fā)率，根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)，儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率一般介于0.05%～0.1%之間，對(duì)于16萬(wàn)方全容儲(chǔ)罐，日蒸發(fā)率一般取0.05%[7]。

2.5大氣壓變化

正常操作時(shí)，只考慮大氣壓的常規(guī)變化，產(chǎn)生的BOG需由BOG壓縮機(jī)處理，但由于BOG量很小，一般可忽略。事故工況時(shí)，如50年一遇的大氣壓急劇變化，產(chǎn)生的BOG則通過(guò)火炬燃燒放空。由于氣象條件一般可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，因此LNG卸船可以避開(kāi)該工況，產(chǎn)生的BOG就可以通過(guò)卸船備用BOG壓縮機(jī)處理，可盡量減少BOG的放空，從而挽回經(jīng)濟(jì)損失。

EN1473指出大氣壓變化產(chǎn)生BOG包含氣相空間的膨脹量VAG和液相空間的過(guò)熱蒸發(fā)量VAL，但只給出了VAG的具體計(jì)算公式，而對(duì)于VAL則只是簡(jiǎn)要指出一種估算方法，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中不具有可操作性，并且在計(jì)算VAG時(shí)，采用空罐的最大氣相空間體積，這是一種保守估計(jì)的方法，實(shí)際工程設(shè)計(jì)計(jì)算是可以接受的。

與其他單元產(chǎn)生BOG的量相比，大氣壓變化

產(chǎn)生BOG的量相對(duì)較小，并且LNG船和儲(chǔ)罐自然蒸發(fā)計(jì)算結(jié)果比較保守。因此為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，實(shí)際工程計(jì)算中常將VAL忽略。

VA=VAG+VAL

式中，W5為大氣壓變化產(chǎn)生BOG的質(zhì)量流量，t/h；N儲(chǔ)罐為儲(chǔ)罐數(shù)量，座；ρBOG,儲(chǔ)罐為儲(chǔ)罐BOG的密度，kg/m3；VA為大氣壓變化產(chǎn)生BOG的體積流量，m3/h；VAG為氣相空間的膨脹量，m3/h；VAL為液相空間的過(guò)熱蒸發(fā)量，m3/h；V為空罐的最大氣相空間體積，m3；p為儲(chǔ)罐的絕對(duì)操作壓力，Pa；dp/dt為大氣壓變化率，Pa/h。

2.6保冷循環(huán)低壓泵功率輸入

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，非卸船期間需開(kāi)啟一臺(tái)低壓泵專門用于LNG接收站保冷循環(huán)，由于低壓泵用于LNG循環(huán)，因此低壓泵輸入功率則全部轉(zhuǎn)化為熱量被LNG吸收蒸發(fā)氣化變成BOG，可以基于熱量和物料衡算的原理建立準(zhǔn)確的計(jì)算公式[8]。

式中，W6為保冷循環(huán)低壓泵功率輸入產(chǎn)生BOG的質(zhì)量流量，t/h；PLP為低壓泵的額定功率，kW；rLNG,儲(chǔ)罐為儲(chǔ)罐LNG的潛熱，kJ/kg。

2.7管道吸熱

卸船管道和保冷循環(huán)管道中LNG沿途吸收的熱量，在隨LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐后，部分LNG閃蒸變成BOG。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般采用環(huán)境通過(guò)保冷層外表面?zhèn)魅牍艿赖脑试S熱流密度乘以管道保冷層外表面積來(lái)計(jì)算BOG。

式中，W7為卸船管道吸熱產(chǎn)生BOG的質(zhì)量流量，t/h；q為環(huán)境通過(guò)保冷層外表面?zhèn)魅牍艿赖脑试S熱流密度，一般取0.025kW/m2；S為管道保冷層外表面積，m2；rLNG,儲(chǔ)罐為儲(chǔ)罐LNG的潛熱，kJ/kg。

2.8LNG裝車

裝車時(shí)，LNG從儲(chǔ)罐流出，進(jìn)入槽車，而B(niǎo)OG則由槽車流出，返回儲(chǔ)罐。這部分BOG量包含槽車的自然蒸發(fā)和體積置換。另外，低溫的LNG進(jìn)入槽車后，會(huì)將部分BOG冷凝，但由于計(jì)算較為困難，因此將這部分折減的BOG忽略，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏保守。

式中，W8為L(zhǎng)NG裝車產(chǎn)生BOG的質(zhì)量流量，t/h；N槽車為槽車數(shù)量，臺(tái)；ρLNG,槽車為槽車LNG的密度，kg/m3；V槽車為L(zhǎng)NG槽車的容積，m3；BOR槽車為L(zhǎng)NG槽車的日蒸發(fā)率，%；ρBOG,槽車為槽車BOG的密度，kg/m3；ρBOG,儲(chǔ)罐為儲(chǔ)罐BOG的密度，kg/m3；V裝車為L(zhǎng)NG槽車裝車體積流量，m3/h。

2.9氣化外輸

氣化外輸時(shí)，罐內(nèi)液位降低，氣相空間增大，從而能夠容納相同外輸體積的BOG，即相對(duì)“減少”了BOG的生成量[10]。

式中，W9為氣化外輸相對(duì)“減少”BOG的質(zhì)量流量，t/h；ρBOG,儲(chǔ)罐為儲(chǔ)罐BOG的密度，kg/m3；V氣化外輸為儲(chǔ)罐氣化外輸LNG體積流量，m3/h。

3工程實(shí)例

以國(guó)內(nèi)某一大型LNG接收站工程項(xiàng)目為例，設(shè)計(jì)規(guī)模6.5×103kt/a，4座16萬(wàn)方全容儲(chǔ)罐。

3.1工況組合

首先按照非卸船和卸船對(duì)操作進(jìn)行分類。LNG卸船功熱輸入、船罐置換和冷卻罐壁過(guò)程只能發(fā)生在卸船期間。保冷循環(huán)低壓泵功率輸入只能發(fā)生在非卸船期間。儲(chǔ)罐自然蒸發(fā)、大氣壓變化、管道吸熱，無(wú)論是否卸船均會(huì)同時(shí)客觀地發(fā)生。LNG裝車和氣化外輸為獨(dú)立主觀發(fā)生過(guò)程，因此可自由組合。工況組合及BOG設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)LNG接收站實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，卸船時(shí)最大BOG量為22.53t/h，利用單元計(jì)算法核算得出的BOG量為21.4500t/h，兩者基本吻合。由表1可知，實(shí)際卸船時(shí)最大BOG量介于卸船工況BOG設(shè)計(jì)最小量18.7266t/h和最大量25.5509t/h之間。

表1　工況組合BOG設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果(貧液)

因此，以上兩點(diǎn)證實(shí)了BOG單元計(jì)算法的可靠性。

3.2BOG壓縮機(jī)的能力配置原則

隨著運(yùn)行工況和操作條件等不同，LNG接收站BOG的產(chǎn)生量是不斷變化的，而且變化范圍較寬。由于BOG壓縮機(jī)一般為超低溫壓縮機(jī)，價(jià)格昂貴，功率較大，為了減少貴重設(shè)備投資，提高利用率，降低運(yùn)行能耗，因而在進(jìn)行BOG壓縮機(jī)的能力配置時(shí)，一般按如下原則考慮：

(1)根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，一般要求BOG壓縮機(jī)運(yùn)行負(fù)荷可以按0—25%—50%—75%—100%進(jìn)行調(diào)節(jié)，可降低運(yùn)行能耗。

(2)由于卸船工況為偶爾操作，可減少卸船備用BOG壓縮機(jī)的數(shù)量和能力，一般只配置一臺(tái)卸船備用壓縮機(jī)。

(3)由于非卸船工況為經(jīng)常操作，非卸船期間最好只開(kāi)啟一臺(tái)BOG壓縮機(jī)，即可處理最大BOG量。

(4)滾動(dòng)發(fā)展的大型LNG接收站項(xiàng)目，還應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目后期發(fā)展預(yù)留考慮。

(5)應(yīng)結(jié)合廠家制造技術(shù)和設(shè)備價(jià)格，合理確定壓縮機(jī)的數(shù)量和能力。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析和推理，提出BOG的計(jì)算方法，即單元計(jì)算法，具有簡(jiǎn)單、直觀和適用的特點(diǎn)，在LNG接收站BOG設(shè)計(jì)計(jì)算中具有一定優(yōu)勢(shì)。結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比，證實(shí)了單元計(jì)算法的可靠性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)BOG壓縮機(jī)的能力配置進(jìn)行探討，提出具體原則，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

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(收稿日期2015-06-09)

*鄧林：高級(jí)工程師。2007年畢業(yè)于天津大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)獲碩士學(xué)位。主要從事石油、化工和天然氣工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)與咨詢工作。

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