李亞軍 夏 巖
(華南理工大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510641)
常壓下,LNG的儲(chǔ)存溫度低至-160℃左右。在儲(chǔ)存和運(yùn)輸LNG過(guò)程中,不論是儲(chǔ)罐還是管線,都不可能做到絕對(duì)的熱絕緣,在內(nèi)外巨大溫差的推動(dòng)下,LNG體系持續(xù)漏熱,這些熱量促使LNG蒸發(fā)為氣體(BOG)。目前世界上大部分LNG接收站采用再冷凝工藝回收BOG[1],即將壓縮后的BOG和LNG送入再冷凝器進(jìn)行換熱,利用LNG的冷能將BOG再液化回收。
LNG接收站一般設(shè)有兩組BOG壓縮機(jī),正常操作時(shí)開啟一組,另外一組備用。中國(guó)某一LNG接收站,設(shè)有兩臺(tái)BOG壓縮機(jī)。在非卸船操作中,開啟一臺(tái)壓縮機(jī);卸船BOG大量增加時(shí)開啟兩臺(tái)。但當(dāng)BOG量達(dá)到高峰時(shí),流量超過(guò)兩臺(tái)壓縮機(jī)的處理量,多余的只能燃燒排放。同時(shí),由于BOG量波動(dòng)大,后續(xù)再冷凝工藝等操作控制難度加大。本文針對(duì)該LNG接收站存在的BOG量波動(dòng)大、能耗高、資源浪費(fèi)等問(wèn)題,在其現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上,對(duì)現(xiàn)有操作進(jìn)行優(yōu)化,以達(dá)到提高BOG蒸發(fā)量的穩(wěn)定性,降低能耗,減少資源浪費(fèi)的目的。
某LNG接收站流程如圖1所示。LNG由低溫運(yùn)輸船由產(chǎn)地運(yùn)往接收站,經(jīng)卸料管線卸載到接收站LNG儲(chǔ)罐,卸船過(guò)程中產(chǎn)生的BOG分成兩股,一股進(jìn)入LNG船上,置換卸出LNG的體積;另一股流經(jīng)緩沖罐后進(jìn)入壓縮機(jī)增壓,加壓后的BOG進(jìn)入再冷凝器。BOG被冷凝后與另外一股LNG混合進(jìn)入高壓泵,再被汽化輸送至高壓管網(wǎng)[2]。非卸船時(shí),接收站設(shè)備和卸料管線需保持在低溫狀態(tài),因此LNG低壓泵將一股LNG自儲(chǔ)罐經(jīng)卸料管線通至碼頭,再由另一條循環(huán)線流回廠區(qū)。
圖1 LNG接收站流程圖Fig.1 LNG receiving and regasification system
LNG接收站在非卸船時(shí),BOG蒸發(fā)的原因主要有3部分:首先,LNG在超低溫下儲(chǔ)存,儲(chǔ)罐持續(xù)漏熱。其次,LNG罐內(nèi)設(shè)有低壓輸送泵,該輸送泵為潛液泵,泵正常工作時(shí),會(huì)有部分電能轉(zhuǎn)化為熱量。再次,保冷循環(huán)中,各類設(shè)備、管線也會(huì)持續(xù)漏熱。
卸船之前,接收站的LNG儲(chǔ)罐須降壓操作,導(dǎo)致部分LNG氣化,同時(shí)接收LNG船上的BOG。卸船時(shí),船上LNG儲(chǔ)罐也會(huì)漏熱;船上卸料泵工作時(shí),也會(huì)有熱量進(jìn)入到LNG中。LNG在卸料管道中流動(dòng)時(shí),與管道之間的摩擦及產(chǎn)生的渦流,將部分靜壓能轉(zhuǎn)化為熱量。以上這些熱量,最終都加入到LNG中,促使LNG蒸發(fā)為BOG。
該LNG接收站運(yùn)行之初年接收量為370萬(wàn)噸,目前增長(zhǎng)到600萬(wàn)噸。接收站現(xiàn)有1個(gè)卸料碼頭和3個(gè)有效容積160 000 m3的LNG儲(chǔ)罐,有兩臺(tái)BOG壓縮機(jī),每臺(tái)壓縮機(jī)電機(jī)功率為500 kW,設(shè)計(jì)流量為3 320 m3/h(6 690 kg/h)[3]。
該LNG接收站氣源復(fù)雜,來(lái)源廣泛,但主要為來(lái)自澳大利亞和卡塔爾的LNG。其中卡塔爾LNG甲烷含量較高,為貧氣;澳大利亞LNG甲烷含量較低,為富氣。2種LNG組成如表1所示。
表1 貧富液組成Table 1 Components of rich and lean LNG
非卸船時(shí),該接收站LNG儲(chǔ)罐壓力約16 kPa(表壓,下同),BOG總量6.3 t/h左右,開啟一臺(tái)BOG壓縮機(jī)即可處理。在卸船開始之前的6個(gè)小時(shí),儲(chǔ)罐壓力緩慢降低到12 kPa左右。降壓的目的是,使接收站儲(chǔ)罐壓力在卸船之前略低于LNG船壓力,便于船上BOG自動(dòng)流向接收站。在降壓的同時(shí),罐內(nèi)LNG成為過(guò)熱液體,BOG量增加,兩臺(tái)壓縮機(jī)均開啟。
LNG船在航行時(shí),儲(chǔ)罐漏熱產(chǎn)生的BOG燃燒用作船動(dòng)力;船到達(dá)接收站后,要進(jìn)行卸船準(zhǔn)備,包括連接、吹掃卸料臂,液貨計(jì)量等。在此階段,船上仍漏熱產(chǎn)生BOG。但停泊后,船上動(dòng)設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn),BOG儲(chǔ)存在船上,導(dǎo)致船儲(chǔ)罐壓力由航行時(shí)的10 kPa逐漸升高到15 kPa左右,高于接收站儲(chǔ)罐的12 kPa,BOG可自動(dòng)上岸。
卸船開始時(shí),卸船速度由200 m3/h逐漸增加到12 000 m3/h,此過(guò)程耗時(shí)75分鐘。接收站儲(chǔ)罐壓力則快速由12 kPa升高到16 kPa左右。卸船的最初階段,BOG量(BOG凈量,已除去補(bǔ)充到船上等,下同)最高可達(dá)16 t/h以上[4]。船上LNG液面下降,壓力迅速降到10 kPa,之后需由接收站補(bǔ)充大量BOG,以維持船壓在10 kPa。此后全速卸船,速度維持在12 000 m3/h,卸船結(jié)束前,再緩慢降速直至卸船結(jié)束。
圖2為從該接收站獲得的某次貧液卸船全過(guò)程的儲(chǔ)罐壓力和BOG量關(guān)系。此艘LNG船容量為147 000 m3,船上的 LNG與接收站儲(chǔ)罐內(nèi)存留的LNG組分相同,皆為表1中卡塔爾貧液LNG,罐頂進(jìn)料。卸船開始的時(shí)間是0 h,結(jié)束于14 h左右。
可以看出,儲(chǔ)罐壓力在卸船前10小時(shí)(-10 h)為16 kPa,BOG量約6.3 t/h。卸船前6小時(shí),儲(chǔ)罐開始降壓,在卸船前1小時(shí)達(dá)到12 kPa;該階段BOG量由6.3 t/h增加到9.3 t/h。之后船上BOG流入接收站儲(chǔ)罐,BOG量在0 h左右達(dá)到16.5 t/h;罐壓也隨之升高到16 kPa以上。隨著卸船速度的增加,接收站向LNG船補(bǔ)充大量BOG,接收站的BOG量迅速下降。全速卸船階段,儲(chǔ)罐壓力約16.1 kPa,BOG量約6.3 t/h。卸船結(jié)束時(shí),罐壓恢復(fù)到16 kPa,BOG量仍是6.3 t/h。
圖2 卸船時(shí)接收站儲(chǔ)罐壓力和BOG量Fig.2 Operation pressure of LNG tanks and BOG volume during ship unloading
由圖2可以看到,BOG在整個(gè)卸船過(guò)程中的波動(dòng)極大。最小量6.3 t/h,最大量16.5 t/h,最大量是最小量的2.6倍以上。BOG高峰期即使兩臺(tái)壓縮機(jī)全開,額定處理量也只有13.38 t/h。不能處理的BOG只能送火炬燃燒,造成了資源極大浪費(fèi),經(jīng)濟(jì)效益受損。
因BOG量劇烈波動(dòng),BOG在再冷凝器中被LNG冷凝時(shí),再冷凝器的液位和壓力就容易出現(xiàn)波動(dòng),操作難度增加。同時(shí),BOG波動(dòng)大,單位BOG處理量的能耗也增加[5]。本文通過(guò)對(duì)BOG蒸發(fā)原因和影響因素深入分析,借助Pro/Ⅱ流程模擬軟件,對(duì)整個(gè)操作進(jìn)行優(yōu)化,以解決實(shí)際操作中存在的上述問(wèn)題。
LNG接收站的BOG量受諸多因素影響,非卸船時(shí),受環(huán)境溫度、光照、外輸量、LNG組成、儲(chǔ)罐壓力等影響;卸船時(shí),除以上因素外,還受進(jìn)料位置、不同密度LNG混合影響。
氣溫、光照的改變,均是改變了傳熱溫差,進(jìn)而改變系統(tǒng)漏熱量。由于LNG的溫度低至-160℃,外界溫度即使在0—40℃范圍內(nèi)變化,再加上光照影響,該接收站的BOG量波動(dòng)也小于30%[4]。
由于接收站下游用戶用氣量波動(dòng)頻繁,外輸量隨季節(jié)和晝夜而變化。外輸量對(duì)于BOG量的影響在于:外輸量大時(shí),開啟的低壓輸送泵數(shù)量多,轉(zhuǎn)化為熱量的電能也會(huì)增加,促進(jìn)BOG的蒸發(fā)。而同時(shí),外輸量大導(dǎo)致罐內(nèi)LNG液面下降更快,需要更多BOG來(lái)填補(bǔ)LNG外輸留下的空間,就會(huì)減少BOG凈量,兩種趨勢(shì)相互抵消。目前接收站最小外輸是360 t/h,最大外輸1 260 t/h,最小外輸時(shí)的BOG量比最大外輸時(shí)多了14.9%。
采用流程模擬軟件PRO/II模擬,分析LNG組分對(duì)BOG量的影響。模擬中采用的熱力學(xué)方法是Soave-Redlich-Kwong(SRK)狀態(tài)方程[6],模擬中的模塊及參數(shù),均以該接收站實(shí)際設(shè)備和參數(shù)為基礎(chǔ)。
由于BOG中氮?dú)夂图淄檎冀^大多數(shù),二者質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和超過(guò)99%,對(duì)BOG蒸發(fā)量影響很大[7]。因此,模擬側(cè)重于甲烷和氮?dú)夂繉?duì)BOG的影響。在表1貧、富液的基礎(chǔ)上,改變甲烷和氮?dú)獾暮?,其它組分含量不變。在非卸船漏熱量一定,罐壓不變時(shí)BOG蒸發(fā)量的模擬結(jié)果如圖3所示。
圖3 非卸船時(shí)BOG量與N2含量的關(guān)系Fig.3 BOG volume with change of nitrogen content in LNG
可以看出,卡塔爾貧液 LNG(含氮摩爾分?jǐn)?shù)0.11%)的BOG量是6 275 kg/h,澳大利亞富液LNG(含氮摩爾分?jǐn)?shù)0.09%)的BOG量是6 228 kg/h。貧、富液的BOG量均隨著氮?dú)夂康脑黾佣黾?。在含氮量相同時(shí),貧液的BOG始終高于富液。在含氮量為零時(shí),貧、富液的BOG量基本相同。
LNG產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展,氣源趨于復(fù)雜化,各種LNG組分含量也不同。不同密度的LNG在儲(chǔ)罐中混合已是不可避免,如果操作不當(dāng),將會(huì)產(chǎn)生分層,繼而產(chǎn)生翻滾和BOG爆發(fā)[8]。LNG儲(chǔ)罐有2個(gè)進(jìn)料口,一個(gè)在罐底,在罐內(nèi)設(shè)有立式導(dǎo)管,引導(dǎo)LNG直達(dá)底部;另一個(gè)在罐頂,即LNG直接由罐頂注入液面。為防止LNG翻滾和BOG爆發(fā)事故的發(fā)生,首先要避免LNG分層,所以原則上LNG進(jìn)料位置是根據(jù)罐內(nèi)和船上LNG密度來(lái)選擇的。如果罐內(nèi)LNG密度較小,船上LNG密度較大,應(yīng)選用罐頂進(jìn)料,使不同密度的LNG自動(dòng)混合均勻,避免發(fā)生分層;反之則從罐底進(jìn)料[9]。圖4為國(guó)外某接收站不同進(jìn)料方式對(duì)BOG量影響關(guān)系。該接收站LNG儲(chǔ)罐屬于低壓罐,正常操作壓力為5—15 kPa。
圖4 BOG蒸發(fā)量與不同進(jìn)料位置的關(guān)系Fig.4 BOG volume vs.feed position
飽和狀態(tài)的LNG吸收熱量之后可發(fā)生下列兩種情況:(1)如壓力保持不變,則一部分液體蒸發(fā)為氣體,以吸收傳入的熱量;(2)如液態(tài)保持不變,則液體的顯熱增加,溫度升高,壓力亦隨之增高。某LNG飽和壓力與焓值關(guān)系如表2。
表2 LNG飽和壓力與焓值的關(guān)系Table 2 Saturated enthalpy of LNG vs.pressure
由表2可知,壓力每提高1 kPa,則飽和液體焓增加0.335 7 kJ/kg。理論上,LNG接收站儲(chǔ)罐操作壓力越高,BOG量越少;相反,降低儲(chǔ)罐操作壓力,BOG量就增加[10]。由圖2也可看到,卸船前,儲(chǔ)罐壓力稍有降低,BOG量就大幅提升。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn):全速卸料階段,如果接收站儲(chǔ)罐壓力與船上LNG儲(chǔ)罐壓力同樣保持在10 kPa,接收站BOG總量可以達(dá)到33.77 t/h。如果岸上儲(chǔ)罐壓力維持在19 kPa左右,BOG凈量就為零。
由于氣溫等因素是客觀條件決定的,不能隨意改變。能夠人為控制的因素只有進(jìn)料位置和儲(chǔ)罐壓力,對(duì)比這兩種影響因素,進(jìn)料位置是由卸船時(shí)的客觀條件決定,不能任意改變,更不能用來(lái)調(diào)節(jié)BOG蒸發(fā)規(guī)律。該接收站LNG儲(chǔ)罐正常操作壓力是5—25 kPa,有足夠的空間進(jìn)行BOG蒸發(fā)規(guī)律的調(diào)節(jié)。因此,通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐操壓力來(lái)提高BOG量的穩(wěn)定性,是最現(xiàn)實(shí)可行的方式。
根據(jù)上文分析,現(xiàn)有操作存在的問(wèn)題,均源于不同操作工況下,BOG量波動(dòng)過(guò)大。綜合上述BOG蒸發(fā)量的影響因素,本文提出了優(yōu)化接收站操作的方法。該方法通過(guò)調(diào)節(jié)接收站LNG儲(chǔ)罐操作壓力,降低BOG量的波動(dòng)程度,即提高BOG量的穩(wěn)定性,來(lái)解決現(xiàn)有操作中存在的問(wèn)題。
上文分析得出LNG儲(chǔ)罐操作壓力對(duì)BOG的蒸發(fā)量影響最大。事實(shí)上,LNG接收站是通過(guò)BOG處理系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐操作壓力的。加大BOG處理系統(tǒng)的處理量,儲(chǔ)罐操作壓力降低;反之儲(chǔ)罐壓力升高。與圖2對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)操作是:-6 h開啟兩臺(tái)壓縮機(jī),處理量超過(guò)漏熱產(chǎn)生的BOG,儲(chǔ)罐壓力在-1 h降到12 kPa。
本文通過(guò)優(yōu)化BOG處理系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐壓力,進(jìn)而改變BOG蒸發(fā)量,最終提高BOG量的穩(wěn)定性。因接收站BOG量受多種因素影響,對(duì)于一次實(shí)際卸船過(guò)程,很難預(yù)測(cè)各種因素的波動(dòng)情況。首先假定其它因素維持不變,只通過(guò)改變儲(chǔ)罐操作壓力,來(lái)提高BOG量的穩(wěn)定性,然后再考慮其他因素綜合影響下的情況。在優(yōu)化模擬中,卸船開始時(shí)接收站儲(chǔ)罐液面高度取10 m,LNG為貧液,外輸量685 t/h,外界溫度30℃,罐頂進(jìn)料。目前該接收站年接收量600萬(wàn)噸,以船容147 000 m3計(jì),平均兩次卸船間隔約97 h。圖5為優(yōu)化的儲(chǔ)罐操作壓力與BOG蒸發(fā)量的關(guān)系,圖中操作時(shí)間-5—92 h共97小時(shí)為一個(gè)卸船周期。
圖5 優(yōu)化的BOG蒸發(fā)量和儲(chǔ)罐壓力Fig.5 BOG volume and operation pressure of LNG tanks in optimized system
優(yōu)化后,卸船操作與現(xiàn)有操作保持一致,圖5中0—14 h卸船,1.5—13 h為全速卸船(12 000 m3/h)階段。優(yōu)化操作后,在全速卸船階段,將儲(chǔ)罐壓力保持在16.0 kPa(現(xiàn)有操作16.1 kPa),在此壓力下,BOG總量為6.69 t/h,開啟一臺(tái)BOG壓縮機(jī)。14—87 h屬于非卸船狀態(tài),雖然漏熱產(chǎn)生的BOG只有6.3 t/h,但將壓縮機(jī)的處理量仍保持6.69 t/h不變,儲(chǔ)罐壓力持續(xù)下降,79 h降低到10.85 kPa。之后調(diào)整處理量為6.3 t/h,儲(chǔ)罐壓力維持10.85 kPa不變。新一輪的卸船開始時(shí),儲(chǔ)罐壓力迅速上升,最高時(shí)可達(dá)19.8 kPa,罐內(nèi)液體成為過(guò)冷液體,可將船上來(lái)的BOG冷凝。在此過(guò)程中,BOG量由6.3 t/h升高到6.69 t/h。新一輪卸船達(dá)到全速時(shí),罐壓降至16.0 kPa,BOG量仍為6.69 t/h,整個(gè)過(guò)程只需開啟一臺(tái)壓縮機(jī)。
現(xiàn)有操作中,BOG壓縮機(jī)處理量長(zhǎng)時(shí)間保持在6.3 t/h,而沒有達(dá)到一臺(tái)壓縮機(jī)的額定處理量6.69 t/h。待卸船BOG大量增加時(shí),只能開啟備用壓縮機(jī)。在優(yōu)化的操作中,放棄了產(chǎn)生多少BOG即處理多少BOG的思路,而是將BOG處理量保持在壓縮機(jī)的額定處理量6.69 t/h,直到儲(chǔ)罐壓力降到所需值。優(yōu)化操作中,卸船前降壓到10.85 kPa,較現(xiàn)有操作壓力(12 kPa)低,此時(shí)降壓的目的不只是讓船上BOG自動(dòng)上岸,同時(shí)也是升壓后快速冷凝BOG的需要。而且罐壓最高值19.8 kPa也高于現(xiàn)有操作,但仍在5—25 kPa的正常操作范圍內(nèi)。備用壓縮機(jī)只是在臺(tái)風(fēng)來(lái)襲等非正常操作工況下開啟。
優(yōu)化前后,在一個(gè)卸船和非卸船操作周期中,加入到LNG的總熱量是相同的,產(chǎn)生的BOG總量也相同。優(yōu)化操作只是通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐壓力,讓BOG在一個(gè)卸船周期中,更加均勻地蒸發(fā),從而提高BOG量的穩(wěn)定性。
影響B(tài)OG蒸發(fā)量的各種因素(如氣溫)總是在變化著,它們對(duì)于BOG的穩(wěn)定性同樣存在影響。上文已經(jīng)分析出,氣溫、光照和外輸量,均是在小范圍內(nèi)影響B(tài)OG蒸發(fā)量。LNG組分對(duì)BOG蒸發(fā)量影響較大,但該接收站LNG的主要來(lái)源中,氮?dú)饽柗謹(jǐn)?shù)均低于0.5%,BOG蒸發(fā)量仍在一臺(tái)壓縮機(jī)處理范圍內(nèi)。進(jìn)料位置對(duì)于BOG蒸發(fā)規(guī)律影響很大,但無(wú)論如何進(jìn)料,只是改變了BOG閃發(fā)的規(guī)律和時(shí)間,而不會(huì)改變總BOG量。罐底進(jìn)料并沒有出現(xiàn)BOG爆發(fā)的情況,BOG高峰期也小于罐頂進(jìn)料的高峰期。
因此,相對(duì)于儲(chǔ)罐操作壓力,其它因素對(duì)BOG蒸發(fā)量影響較小。上述因素發(fā)生變化時(shí),所引起的BOG蒸發(fā)量波動(dòng),均可以通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐操作壓力,來(lái)抵消這些影響;而且所需的壓力調(diào)節(jié)范圍,均在儲(chǔ)罐正常操作壓力范圍之內(nèi)。綜上,雖然接收站BOG蒸發(fā)量受各種因素錯(cuò)綜復(fù)雜地影響,但只要相應(yīng)地調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐的操作壓力,均可維持BOG量的穩(wěn)定性。
比較現(xiàn)有操作和優(yōu)化后的操作(圖2和圖5),圖2對(duì)應(yīng)的操作需在短時(shí)間里開啟第二臺(tái)壓縮機(jī),而圖5中BOG量穩(wěn)定性提高,始終在一臺(tái)壓縮機(jī)處理量之內(nèi)。BOG免于燃燒外排,減少資源浪費(fèi),增加經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)保護(hù)了環(huán)境。第二臺(tái)壓縮機(jī)無(wú)需經(jīng)常開啟,能耗降低。
BOG量的穩(wěn)定性提高,也給后續(xù)操作工藝帶來(lái)好處:用來(lái)冷凝BOG的LNG量也趨于穩(wěn)定,再冷凝器的液位和壓力波動(dòng)減小,操控更加容易;接收站其他設(shè)備乃至整個(gè)接收站運(yùn)行更加平穩(wěn),故障率降低。在后續(xù)再冷凝中,因操作穩(wěn)定,冷凝單位BOG的能耗降低。
LNG接收站的 BOG量受氣溫、光照、外輸量、LNG組成、儲(chǔ)罐壓力、卸船與非卸船以及進(jìn)料位置等影響。日常操作時(shí)BOG較少且相對(duì)穩(wěn)定,在卸船之前降壓至卸船之初,BOG量會(huì)迅速增加。通過(guò)分析影響B(tài)OG蒸發(fā)量的各類因素和維持BOG蒸發(fā)量穩(wěn)定性的可行性,確定儲(chǔ)罐操作壓力是對(duì)其影響最大并且可調(diào)控的因素。
對(duì)中國(guó)某一接收站現(xiàn)有BOG系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐操作壓力進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明,在各種復(fù)雜工況下,通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐操作壓力,均可維持接收站BOG量的穩(wěn)定性。因此可解決該接收站目前存在的資源浪費(fèi)、能耗高等問(wèn)題。
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