林本卿

基于普遍化壓縮因子對小型LNG儲罐蒸發(fā)氣的計算研究

林本卿

（中海油海南天然氣利用有限公司， 海南 ?？?570105）

針對小型液化天然氣（LNG）儲罐，基于普遍化壓縮因子圖，在LNG儲罐工作壓力范圍內，對理想氣體狀態(tài)方程加以修正，建立LNG儲罐工作壓力與壓縮因子的關系，從而計算小型LNG儲罐內蒸發(fā)氣（BOG）質量，并提出改進的計算方法和BOG回收利用方案建議。

LNG儲罐；壓縮因子；BOG蒸發(fā)；質量計算

天然氣是一種混和物，其組分因氣田產氣不同，以甲烷為主，以N及C2～C5的飽和烷烴類為輔，同時還含有少量的氦、氧、二氧化碳及硫等成分。LNG（Liquefied Natural Gas），即液化天然氣，是指對天然氣原料進行預處理，脫除其中的各類雜質，并通過低溫工藝冷卻所形成低溫的液體混合物。LNG為無色無味無毒無腐蝕性的液體，它的密度為0.425 t·m-3左右，燃點是650 ℃，沸點為-162.5 ℃，爆炸極限為5.0%～15％，壓縮系數(shù)約為0.74～0.82。LNG液化后體積可以縮小為氣態(tài)天然氣體積的1/600，因便于儲存廣泛利用在交通、生活各個領域。此外，LNG攜帶的冷量還可以進行回收利用，應用于發(fā)電、空調、冷鏈、輪胎粉碎等多個領域。

1 LNG儲存

LNG常規(guī)的儲存方法包括常壓儲存和帶壓儲存，采用什么儲存方式，主要取決于儲存量的大小。例如，使用16萬m3大型儲罐可以儲存約6萬t LNG，設計壓力常壓；在LNG加氣站，則使用60 m3小型儲罐儲存24 t LNG，設計壓力1.2 MPa；LNG槽車使用54 m3小型儲罐儲存20 t LNG，設計壓力0.8 MPa等。LNG鋼制儲罐型式可以分為立式和臥式，由于立式儲罐占地面積較小，適用于儲存量較小場合，臥式則較大；立式儲罐要考慮風載，而臥式儲罐則不需要，但地下儲罐需要考慮抗浮措施；臥式儲罐儲存液位較低，因此可以忽略液柱靜壓力，立式儲罐儲存液位較高，要考慮液體靜壓；在液位較低時，立式儲罐氣相空間溫度變化較大，臥式則要小很多。儲罐是LNG產業(yè)終端核心存儲容器，其存儲容積的精確標定對計算終端站點LNG庫存有重要意義[1]。本文研究對象為帶壓儲存的小型LNG臥式儲罐，不考慮儲罐氣相空間溫度場變化。

2 LNG蒸發(fā)

LNG儲存在低溫儲罐中，由于真空度和物質換熱原因，罐內LNG儲存會不斷吸收外界熱量，從而導致部分LNG氣化為氣態(tài)，這種氣體就是蒸發(fā)氣（BOG，Boil Off Gas）。LNG蒸發(fā)氣會導致儲罐壓力升高，造成罐內LNG液體不穩(wěn)定，對終端用戶也不利于儲存和使用，是LNG產業(yè)重點關注研究的對象。BOG的組成主要取決于LNG的組分，對于理論純甲烷，在溫度低于-107 ℃的蒸發(fā)氣密度等于空氣密度。在日常生產過程中，由于溫度不斷升高，部分液體不斷氣化，直至壓力達到甲烷在相應溫度下的飽和壓力為止。因此，在LNG組分不變的情況下，溫度越高，BOG的量越大。在儲罐儲存及生產運行過程中，由于儲罐保溫失效或漏熱等作用，罐內將會蒸發(fā)一定量的BOG。

在對天然氣儲存量盤點計算過程中，常常只計算儲罐內液相天然氣而忽視了氣相BOG的質量，這不利于天然氣儲存量及安全管理。因此，如何準確計算BOG質量是LNG產業(yè)重要內容。陳銳瑩等[2]對液化天然氣儲罐靜置過程中的日蒸發(fā)率進行全三維仿真模擬計算；趙金睿等[3]對儲罐內液化天然氣取樣化驗計算密度值進行多項式擬合篩選，從而計算LNG質量。但該方法對LNG組分、溫度變化不具有普遍適用性；李清等[4]及王友良[5]分別對船舶用儲罐和加氣站儲罐LNG存量分析計算，未考慮BOG蒸發(fā)量。本文擬通過分析小型LNG儲罐內BOG的體積、壓力、溫度、壓縮因子等各項參數(shù)關系，建立BOG質量計算模型，為LNG加氣站、氣化站等小型LNG儲罐的BOG計算提供參考。

3 計算推導

由于LNG儲罐為密閉空間，且對于中小型儲罐氣相空間的溫度變化不明顯，因此本次計算不考慮溫度場導致密度變化因素。

在LNG儲罐內，BOG的質量等于密度和氣相空間體積的乘積，也就是：

得出

據(jù)此，綜合公式（1）、（2）、（3），得到LNG儲罐BOG質量公式如下：

4 壓縮因子

壓縮因子是針對真實氣體的PVT性質中，應用較為廣泛而且是最為直接、準確的狀態(tài)方程，代表實際氣體與理想氣體的偏離程度，對理想氣體狀態(tài)方程加以修正，如公式（2）所示。顯然，可見壓縮因子量綱是一。對于理想氣體，在任何溫度和壓力條件下均為1。在<1時，真實氣體的摩爾體積（V）比同等條件下理想氣體的摩爾體積小，更易于壓縮；在>1時，真實氣體的摩爾體積比同等條件下理想氣體的摩爾體積大，更難于壓縮。由于反映出真實氣體壓縮的難易程度，所以將它稱為壓縮因子。實際氣體僅在壓力較低（<1.0 MPa）、溫度較高（在10～20 ℃時）的情況下近似滿足理想氣體狀態(tài)方程式。當壓力很高或溫度很低時，則要引入壓縮因子。

由于在標準參比條件下的壓縮因子由天然氣組分變化引起的變化非常小，趨近于1，可以忽略不計[6]。本文研究的對象BOG在生產運行過程中處于低溫狀態(tài)（約-120～-160 ℃），因此，只需要考慮壓縮因子對BOG密度的影響，即可相對準確計算出BOG質量。

普遍化壓縮因子圖是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制的表示壓縮因子與對比壓力、對比溫度關系的曲線圖。壓縮因子的確定流程一般為：利用給定的壓力和溫度，分別求出對比壓力P和對比溫度T，再通過圖1查詢相應的壓縮因子。該圖是1936年華生和史密斯利用二氧化碳（CO2）、氮（N）、氨（NH3）、甲烷（CH4）、丙烷（C2H6）和戊烯（C5H10）的實驗數(shù)據(jù)繪制，1954年納爾遜和奧伯特提高了精度。

圖1 華生和史密斯繪制的普遍化壓縮因子圖

5 結果分析

對于某液化廠提供的氣質報告（甲烷83%，=18.87 g·mol-1），在=60 m3臥式儲罐液位為500 mm時，根據(jù)液位對照表LNG=26.24 m3，常數(shù)=8.314 J·mol-1·K-1。根據(jù)設備廠家資料，LNG儲罐設計壓力為1.44 MPa，工作壓力1.2 MPa，在正常生產過程中由于熱量侵入原因，儲罐壓力均在0.1～1.2 MPa內波動。因此，隨機截取該壓力范圍內壓力和相應飽和溫度參數(shù)，并計算對比壓力和對比溫度，即可在圖1中查到壓縮因子，并根據(jù)公式（3）得出BOG質量結果如表1所示。

表1 不同飽和蒸汽壓力下壓縮因子和BOG質量

通過上述計算過程與結果，可以看出：

1）從溫度與壓力關系可以看出，在LNG儲罐工作壓力1.2 MPa范圍內，溫度越高，壓力也就越大，因此，提高LNG儲罐保溫效果和周轉率有利于降低BOG蒸發(fā)量。

2）LNG儲罐內BOG質量與儲罐容積、液位高度、氣質組分、壓力、溫度及其對應壓縮因子等參數(shù)有關。

3）按LNG密度等于430 kg·m-3計，液位高度500 mm的液態(tài)LNG質量為11 283.2 kg，BOG質量在0.87 MPa壓力時占儲罐內天然氣總重量的14.45%，因此在計算LNG儲罐內天然氣總量是不可忽略BOG質量。

6 BOG回收

BOG產生因素很多，從源頭上有儲罐選型、卸車、儲存、設計、設備管理等各個環(huán)節(jié)[7-8]。如在LNG儲罐頂部設置一套BOG回收系統(tǒng)，在罐內壓力達到某個設定值時，BOG管道氣動閥打開，抽取罐內BOG，使罐內壓力維持在安全范圍內[9]。對于不可避免產生的BOG氣體，回收利用將有助于企業(yè)降本增效和節(jié)能降耗，推動燃氣企業(yè)高質量發(fā)展。BOG產生后，其溫度已經高于LNG，要想回收利用，有以下幾種方法：一是利用制冷工藝對BOG進行再液化，這種方法需要投資制冷裝置，適用于BOG產生量大的場合；二是通過回氣到儲罐底部對BOG進行再冷凝，但需要考慮多次進行再冷凝會造成原本穩(wěn)定的LNG蒸發(fā)，因此適用于有一定周轉率的場合；三是采用壓縮機增壓方式變成CNG儲存在氣瓶組，將BOG從1 MPa左右增壓到22 MPa，但有實踐表明，該方法不但投資改造大，耗電也大，經濟性較差。LNG大型儲罐則設置；四是就近接入城鎮(zhèn)燃氣管道，只需投資1臺氣化計量加臭一體裝置即可，但LNG成本高于城鎮(zhèn)居民用氣，需要與城鎮(zhèn)燃氣管道所屬企業(yè)協(xié)商熱值系數(shù)問題。

由此可見，無論采用何種BOG回收方式，都需要對原有工藝系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，根據(jù)不同的運營特點，并計算BOG回收利用的投資和收益，才能確定出一個合理的解決方案。

7 結論與建議

本文根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程并利用普遍化壓縮因子加以修正，結合小型LNG儲罐氣相空間及生產參數(shù)特點，推導估算出BOG質量，適用于LNG加氣站、氣化站等小型LNG儲罐應用場景。其他氣質組分、儲罐容積或液位高度情況下也可以依此計算。同時，就BOG回收利用提出適用于不同場合的措施，為LNG高效利用提供解決方案。

如對BOG質量有更加精確的結果需求，建議從以下幾個方面加以改進：一是儲罐內液位、壓力、充裝質量之間換算都是以一個固定的密度值進行[10]，未考慮組分、溫度對液相密度的影響，也就造成了氣相空間BOG的誤差；二是對于大型LNG儲罐或立式LNG儲罐，氣相空間存在相對明顯的溫度場，需要考慮溫度梯度與密度關系；三是對壓力與BOG蒸發(fā)量的關系擬合成公式，制作成計算器，以適應不同條件下BOG質量計算。

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Calculation and Research on Evaporation Gas of Small LNG Storage Tank Base on the Generalized Compression Factor

（CNOOC Hainan Natural Gas Utilizing Co., Ltd., Haikou Hainan 570105, China）

Based on the graph of the generalized compression factor, the ideal-gas equation for small-type LNG tank during its working pressure was rectified, the relation between working pressure of LNG tank and the compression factor was established,and the quality of boil off gas (hereinafter referred to as BOG in short) in the LNG tank was calculated, improved calculation method and BOG recovery solutions were also proposed.

LNG tank; Compression factor; Boil off gas; Quality calculation

2022-01-27

林本卿（1987-），男，海南儋州人，工程師，碩士研究生，2013年畢業(yè)于中國石油大學（北京）石油與天然氣工程專業(yè)，研究方向：天然氣終端利用項目開發(fā)、建設管理。

TQ052

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1004-0935（2022）06-857-04