董龍偉

中石化北海液化天然氣有限責(zé)任公司, 廣西 北海 536000

0 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)清潔能源的需求日益增長(zhǎng)。液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)作為一種清潔高效的能源正在被世界各國(guó)推廣應(yīng)用,其在世界各國(guó)所占的能源比重日趨增長(zhǎng)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)天然氣在世界一次能源結(jié)構(gòu)中所占比例為20.5%[2],并以每年3%的速度保持增長(zhǎng)[3]。液化天然氣接收站在儲(chǔ)存LNG過程中由于自身的物性特點(diǎn),會(huì)不斷產(chǎn)生蒸發(fā)氣(Boil-Off Gas,BOG)[4]。BOG處理不及時(shí)會(huì)對(duì)整個(gè)接收站造成重大的安全隱患。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)BOG處理系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究。Park C等人研究了最小LNG外輸工況下BOG的處理量并通過新增換熱設(shè)備的方式降低BOG的處理成本[5]。Querol F等人應(yīng)用Aspen Plus研究了卸船工況下BOG的最大產(chǎn)生量并通過對(duì)比分析得出BOG的再冷凝處理相比于直接壓縮能夠減少50%的能耗[6]。王小尚等人研究了BOG處理的4種工藝方法并針對(duì)青島LNG接收站提出了BOG再冷凝工藝的優(yōu)化措施[7]。當(dāng)前BOG處理系統(tǒng)的研究多集中于整個(gè)工藝外輸系統(tǒng)總能耗的分析。本文將重點(diǎn)研究處理每噸BOG所需增加的能耗進(jìn)行理論分析與數(shù)值計(jì)算。研究成果可為新建LNG接收站BOG處理系統(tǒng)的選擇提供依據(jù)。

1 BOG的產(chǎn)生

目前,國(guó)內(nèi)LNG接收站多采用地面全包容式混凝土穹頂罐[8]。LNG在儲(chǔ)存與運(yùn)輸過程中由于儲(chǔ)罐與LNG管線保冷材料的冷損失、設(shè)備運(yùn)行散熱以及接卸船時(shí)LNG物料的置換等均會(huì)造成BOG的產(chǎn)生[9-10]。

1.1 LNG儲(chǔ)罐自然蒸發(fā)產(chǎn)生BOG的量

儲(chǔ)罐在正常儲(chǔ)存LNG過程中,由于保冷材料的冷損失以及儲(chǔ)罐內(nèi)外環(huán)境溫度的差異導(dǎo)致LNG吸收外部熱量氣化產(chǎn)生BOG氣體。工程計(jì)算中通常采用式(1),計(jì)算產(chǎn)生的BOG的量M1[11]。

(1)

式中:M1為儲(chǔ)罐自然蒸發(fā)產(chǎn)生BOG的量,kg/h;A為L(zhǎng)NG的靜態(tài)蒸發(fā)率,一般取0.05%;Ve為儲(chǔ)罐內(nèi)LNG的存儲(chǔ)量,m3;ρLNG為L(zhǎng)NG的密度,kg/m3。

1.2 LNG輸送管道吸熱產(chǎn)生的BOG的量

管道在輸送LNG時(shí),由于保冷管線與外界環(huán)境存在熱傳導(dǎo)、熱輻射等方式的換熱,管線內(nèi)部的LNG因吸收外界環(huán)境的熱量氣化產(chǎn)生BOG,其產(chǎn)生量M2的計(jì)算公式如下[12]:

(2)

式中:M2為L(zhǎng)NG輸送管道吸熱產(chǎn)生BOG的量,kg/h;Sj為站內(nèi)LNG管道的表面積,m3;γ為L(zhǎng)NG的氣化潛熱,kJ/kg;t0為管道輸送LNG的運(yùn)行時(shí)間,h;Q為單位面積保冷層的冷損失量,W/m2,Q可以通過式(3)計(jì)算[13]。

(3)

式中:D0為裸管道的外徑,m;D1為管道保冷層的外徑,m;λ為保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K),通常取 0.012 1 W/(m·K)[14];T0為管道外表面的溫度,K;T1為環(huán)境溫度,K。

1.3 接卸船過程中產(chǎn)生BOG的量

在接卸LNG運(yùn)輸船期間,LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐將置換出儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間的BOG[15]。在不考慮新舊物料參混時(shí)產(chǎn)生BOG量的前提下,可以采用式(4)計(jì)算卸料置換產(chǎn)生BOG的量M3。

(4)

式中:M3為卸料置換產(chǎn)生BOG的量,kg/h;QLNG為卸料時(shí)的全速流量,m3/h;MV為混合BOG的摩爾質(zhì)量,g/mol;T為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度,273.15 K;TT為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐頂部氣相空間的溫度,K;p為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,101.325 kPa;pT為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐頂部氣相空間的壓力,kPa。

在進(jìn)行槽車充裝時(shí),同樣可以采用式(4)計(jì)算LNG裝車時(shí)置換產(chǎn)生BOG的量。

1.4 高低壓泵運(yùn)行過程中產(chǎn)生BOG的量

儲(chǔ)罐內(nèi)低壓泵對(duì)LNG升壓后通過保冷循環(huán)管線再次進(jìn)入到儲(chǔ)罐內(nèi)部,低壓泵對(duì)LNG所做的功將最終轉(zhuǎn)換為熱量被LNG吸收[16]。單臺(tái)低壓泵做功產(chǎn)生的BOG的量可以用式(5)計(jì)算[11]。

(5)

式中:ML為單臺(tái)低壓泵運(yùn)行產(chǎn)生BOG的量,kg/h;WZ為低壓泵正常工作時(shí)的功率,kW;tz為低壓泵的運(yùn)行時(shí)間,3 600 s;Qb為保冷循環(huán)流量,t/h;QZ為低壓泵正常輸送的量,t/h。

低壓LNG經(jīng)過高壓泵增壓后一部分進(jìn)入高架式海水汽化器氣化后外輸,另一部分通過零輸出保冷循環(huán)管線返回儲(chǔ)罐。高壓泵對(duì)返回儲(chǔ)罐LNG所做的功最終轉(zhuǎn)化成熱量被LNG吸收。單臺(tái)高壓泵做功產(chǎn)生BOG的量同理可以采用式(5)計(jì)算。

1.5 不同工況下LNG接收站產(chǎn)生BOG的量

根據(jù)LNG接收站的工藝狀況不同,可將LNG接收站運(yùn)行分為8種工況。本文以廣西某LNG接收站為例,進(jìn)行不同工況下BOG產(chǎn)生量的計(jì)算。相關(guān)參數(shù)如下:4座16×104m3的LNG儲(chǔ)罐,高液位為33 m,低液位為3 m,罐內(nèi)壓力為18.8 kPa,LNG常壓下沸點(diǎn)為-162 ℃,密度為425 kg/m3,氣化潛熱為523.4 kJ/kg,BOG的操作溫度為-126.7 ℃。其中,LNG與BOG組分的摩爾百分比,見表1。卸船工況下全速卸料速度為11 147 m3/h,槽車充裝速度為720 m3/h,LNG管線的表面積為4 077 m3。碼頭與槽車的保冷循環(huán)流量為79.5 t/h。零輸出循環(huán)管線的保冷循環(huán)流量為10.3 t/h。根據(jù)以上參數(shù),對(duì)LNG接收站在不同工況下BOG的產(chǎn)生量進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表2。

由表2分析可知,在卸船期間產(chǎn)生大量的BOG,當(dāng)儲(chǔ)罐處于較高液位時(shí)槽車正常外輸?shù)墓r下BOG產(chǎn)生量最大為29.2 t/h。該LNG接收站在正常工況下非卸船模式,BOG的產(chǎn)量在3.1～8.4 t/h之間。

表1 LNG與BOG的組分表 (%)

表2 LNG接收站不同工況下BOG的產(chǎn)生量表 t/h

2 BOG的工藝處理

2.1 BOG處理方式

目前,國(guó)內(nèi)外處理BOG的方式主要為以下四種類型:直接壓縮BOG外輸、BOG再冷凝外輸、BOG間接熱交換再液化、蓄冷式再液化[17-18]。其中,直接壓縮BOG外輸分為直接壓縮高壓外輸和直接壓縮低壓外輸;BOG再冷凝外輸又可分為再冷凝低壓外輸,再冷凝高壓外輸。直接壓縮BOG外輸、BOG再冷凝外輸處理方式為多數(shù)國(guó)內(nèi)LNG接收站所采用。直接壓縮BOG外輸即工藝區(qū)產(chǎn)生的BOG通過BOG總管輸送到低壓BOG壓縮機(jī)壓縮至0.75 MPa,然后送入高壓壓縮機(jī)壓縮至7.74 MPa,通過匯管與汽化器來(lái)的天然氣匯合后進(jìn)行高壓外輸。工藝流程見圖1,其中虛線框內(nèi)代表直接壓縮BOG低壓外輸給下游低壓用戶。

圖1 直接壓縮BOG(高壓/低壓)外輸工藝流程圖

BOG再冷凝外輸即工藝區(qū)產(chǎn)生的BOG通過BOG總管輸送到低壓BOG壓縮機(jī)壓縮至0.75 MPa,然后送入再冷凝器,低壓總管的LNG一部分進(jìn)入再冷凝器對(duì)BOG進(jìn)行液化,經(jīng)液化后通過低壓總管匯入高壓泵入口,通過高壓增壓至7.5 MPa送入汽化器進(jìn)行氣化后外輸,工藝流程見圖2，其中虛線框內(nèi)代表BOG再冷凝低壓外輸?shù)墓に嚵鞒獭?/p>

圖2 BOG再冷凝(高壓/低壓)外輸工藝流程圖

通過文獻(xiàn)分析對(duì)比,直接壓縮外輸與再冷凝外輸?shù)膬?yōu)缺點(diǎn)見表3[19- 20]。

表3 直接壓縮BOG外輸與BOG再冷凝外輸?shù)膶?duì)比表

2.2 BOG處理量對(duì)能耗的影響

以廣西某LNG接收站為例,通過模擬計(jì)算研究不同BOG處理量時(shí),處理1 t BOG所需增加消耗的能耗(即平均能耗,單位kW/t)見圖3。

a) 設(shè)備能耗

b) 設(shè)備平均能耗圖3 BOG處理量對(duì)能耗的影響曲線圖

分析圖3可知,隨著BOG處理量的增加,設(shè)備的總能耗不斷增加。相比于其它設(shè)備,壓縮機(jī)在處理不同BOG量時(shí)其能耗增加量更大，這是由于壓縮氣體過程中,一部分功轉(zhuǎn)換成熱量損失掉，處理BOG所需的平均能耗隨BOG處理量的增加逐漸增多。以廣西某LNG接收站為例,最小BOG處理量的平均能耗與最大BOG處理量的平均能耗相差17.9 kW/t。當(dāng)BOG產(chǎn)生量大于25 t時(shí),其平均能耗增幅速度減緩并趨于穩(wěn)定。當(dāng)前工況下,該穩(wěn)定值為20.1 kW/t。

2.3 再冷凝器的工作壓力對(duì)能耗的影響

a) 設(shè)備能耗

再冷凝器在工作過程中其壓力的調(diào)整對(duì)整個(gè)工藝運(yùn)行的平穩(wěn)性影響較大。本文將從能耗的角度對(duì)再冷凝器的工作壓力進(jìn)行分析,確定再冷凝器的工作壓力。以LNG接收站在正常工況非卸船模式下BOG的產(chǎn)量為8.4 t/h為參數(shù),進(jìn)行不同壓力下設(shè)備能耗的計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見圖4。

b) 設(shè)備平均能耗圖4 再冷凝器的工作壓力對(duì)能耗的影響曲線圖

分析圖4可知,再冷凝器的工作壓力對(duì)BOG處理設(shè)備的總能耗影響較小。隨著再冷凝器工作壓力的增加,壓縮機(jī)出口壓力增大其對(duì)應(yīng)的能耗增加。由于再冷凝器工作壓力的增大,高壓泵入口的壓力增加,在高壓外輸壓力保持不變的前提下,高壓泵的能耗降低。分析圖4-b)可知,BOG處理設(shè)備的平均能耗隨再冷凝器壓力的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。在不考慮工藝運(yùn)行條件限制的前提下,再冷凝器存在最佳工作壓力。當(dāng)前工況下,再冷凝器的最佳工作壓力為0.95 MPa。對(duì)比分析BOG處理設(shè)備的平均能耗可以獲知,平均能耗的最大值與最小值僅相差0.28 kW/t,對(duì)其影響較小。再冷凝器日常運(yùn)行中考慮到工藝操作的平穩(wěn)性,一般將其運(yùn)行壓力控制在0.75～0.9 MPa。

2.4 BOG再冷凝工藝的改進(jìn)

再冷凝器在實(shí)際運(yùn)行過程中,其氣液的質(zhì)量比一般為1∶10(即液化1 t BOG需要約10 t的LNG)。這是由于BOG經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后溫度可達(dá)75 ℃,在未經(jīng)冷卻的前提下直接進(jìn)入再冷凝器進(jìn)行液化,需要大量的LNG對(duì)其進(jìn)行冷卻、液化[21]。LNG經(jīng)過高壓泵增壓后進(jìn)入汽化器進(jìn)行氣化,LNG進(jìn)入海水汽化器的溫度越高其氣化所需要的海水流量越低。為了降低BOG進(jìn)入再冷凝器的溫度,增加進(jìn)入海水汽化器LNG的溫度,減少LNG的用量,降低泵的能耗。綜合分析,可以采用增設(shè)BOG冷換器設(shè)備的方式來(lái)實(shí)現(xiàn),見圖5。

圖5 BOG再冷凝工藝的改進(jìn)流程圖

BOG再冷凝工藝改進(jìn)后,分別模擬計(jì)算不同BOG處理量時(shí)的設(shè)備能耗，見圖6。

a) 工藝改進(jìn)后設(shè)備能耗

b) 工藝改進(jìn)后設(shè)備平均能耗圖6 BOG再冷凝工藝改進(jìn)后的能耗對(duì)比曲線圖

分析圖6可知,隨BOG處理量的增大,單臺(tái)設(shè)備的能耗與設(shè)備總能耗均呈一次函數(shù)增長(zhǎng)。與BOG再冷凝工藝改進(jìn)前不同,平均能耗在改進(jìn)后均小于改進(jìn)前。隨著BOG處理量的增加,改進(jìn)工藝前、后平均能耗的差值逐漸增大。以廣西某LNG接收站為例,最小BOG處理量2.2 t時(shí)平均能耗相差0.24 kW/t,最大BOG處理量29.2 t時(shí)平均能耗相差2.88 kW/t。因此,增設(shè)BOG冷換器后,可以減少BOG處理設(shè)備的平均能耗,進(jìn)而減少LNG接收站工藝處理的用電量。

3 結(jié)論

1)BOG處理設(shè)備的平均能耗,隨BOG處理量的增加而增大,且平均能耗增幅速度逐漸減緩并趨于穩(wěn)定。

2)再冷凝器的工作壓力對(duì)BOG處理設(shè)備的平均能耗影響較小,存在最優(yōu)壓力值使平均能耗降到最低。當(dāng)前工況最優(yōu)壓力值為9.5 MPa。一般考慮工藝因素,再冷凝器的壓力值控制在0.75～0.9 MPa。

3)增設(shè)冷換器能夠降低BOG處理設(shè)備的平均能耗,且BOG處理量越大,其平均能耗降低越多。

4)平均能耗作為參數(shù)的計(jì)算結(jié)果可以為新建LNG接收站BOG處理系統(tǒng)的選擇及其工藝優(yōu)化提供依據(jù)。