LNG接收站低熱值調(diào)整技術(shù)方案研究

馬繼紅 等

摘要： 本文介紹了天然氣的熱值調(diào)整方法及其必要性，并詳細(xì)介紹了天然氣及其代用品和其他氣體燃料的發(fā)熱量、密度、相對(duì)密度和華白指數(shù)的計(jì)算方法。結(jié)合LNG接收站的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)首次提出低熱值LNG的熱值調(diào)整方案，該方案合理可行，在工程上具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

Abstract： This article describes the calorific value adjustment method of natural gas and its necessary， also describes the calculation method of heat， density， relative density and Wobbe index for natural gas，its substitutes and other fuel gas in detail. Considering the characteristics of LNG terminal， calorific value adjustment process of low calorific value LNG was proposed for the first time in China， the adjustment process is reasonable and feasible，and there are some instructional meaning in realistic engineering.

關(guān)鍵詞： LNG接收站；熱值調(diào)整；摻混；工藝流程

Key words： LNG Terminal；calorific value adjustment；blending；process

中圖分類(lèi)號(hào)：TE8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2013）03-0047-03

0 引言

近幾年，隨著西氣東輸二線、沿海LNG接收站等工程的不斷開(kāi)工以及各地區(qū)天然氣管網(wǎng)的貫通，導(dǎo)致了天然氣供應(yīng)市場(chǎng)的多元化，由于各個(gè)氣源的組成及燃燒特性不同，下游終端用戶的用氣設(shè)施與不同特性天然氣的相互匹配問(wèn)題應(yīng)運(yùn)而生。

根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸?lèi)和基本特性》（GB/T13611—2006），當(dāng)一種燃?xì)庵脫Q另一種燃?xì)鈺r(shí)，只有兩種燃?xì)獾娜A白數(shù)相近（誤差在±2%），才可以保證終端用戶燃具的正常使用。因此，不同特性的燃?xì)庀嗷ヌ娲鷷r(shí)，必須充分考慮燃?xì)庵g的“互換性”和燃具的“適應(yīng)性”，置換氣必須對(duì)基準(zhǔn)氣具有“互換性”，否則將不能保證終端用戶的安全使用。同時(shí)，一些工業(yè)用戶如陶瓷、玻璃及顯像管等生產(chǎn)行業(yè)，生產(chǎn)工藝對(duì)溫度控制要求非常嚴(yán)格，天然氣熱值必須相對(duì)平穩(wěn)（允許天然氣熱值在±0.418MJ/Nm范圍內(nèi)波動(dòng)）。據(jù)此，熱值相差太大的天然氣進(jìn)入管網(wǎng)前必須進(jìn)行熱值調(diào)整。

1 熱值調(diào)整方法

根據(jù)下游管網(wǎng)的要求，熱值調(diào)整分為升高天然氣熱值和降低天然氣熱值兩種方法，具體采用哪種調(diào)整方法需要根據(jù)外來(lái)氣源與基準(zhǔn)氣源的熱值進(jìn)行比較，然后確定調(diào)整方向。

升高天然氣熱值是指向天然氣中摻混高熱值氣體，例如液化石油氣（LPG）、輕烴氣體等，使其熱值升高到基準(zhǔn)值。

降低天然氣熱值分三種不同的方法。第一，是指向天然氣中摻混低熱值氣體，例如氮?dú)猓ㄒ旱?、空氣或其他低熱值氣體等，使其熱值降低基準(zhǔn)值；第二，是指利用輕烴分離，將天然氣中熱值相對(duì)較高的乙烷、丙烷等重組分分離出來(lái)，提高甲烷在天然氣中的相對(duì)比例，使其熱值減低到基準(zhǔn)值；第三，是天然氣摻混，即將不同熱值、不同來(lái)源的天然氣或其他燃?xì)獍聪鄳?yīng)的比例進(jìn)行混合，使其熱值降低到基準(zhǔn)值。

2 熱值計(jì)算方法

2.1 熱值計(jì)量與燃燒狀態(tài) 目前，根據(jù)天然氣（GB 17820-1999）規(guī)范中的相關(guān)條款，我國(guó)天然氣熱值計(jì)量參比條件為101.325kPa（絕壓），20℃。

2.2 計(jì)算范圍 本文計(jì)算范圍包括高位發(fā)熱量、低位發(fā)熱量、壓縮系數(shù)、相對(duì)密度及華白指數(shù)的計(jì)算方法，當(dāng)已知?dú)怏w組成時(shí)，可用本文所述方法計(jì)算任何干天然氣、天然氣代用品以及其他氣體燃料的上述參數(shù)。在實(shí)際燃燒過(guò)程中，煙氣排放溫度均比水蒸氣冷凝溫度高得多，燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣不能冷凝，冷凝潛熱也得不到利用，所以在工程計(jì)算中一般采用低位發(fā)熱量。

2.3 計(jì)算方法

2.3.1 LNG摩爾分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換 通常情況下，氣體采用的是摩爾分?jǐn)?shù)，通過(guò)查表可得到各組分在標(biāo)準(zhǔn)狀況下該摩爾分?jǐn)?shù)所對(duì)應(yīng)的摩爾體積。以組分j為例，組分j的摩爾分?jǐn)?shù)乘以其對(duì)應(yīng)的摩爾體積與各組分摩爾分?jǐn)?shù)乘以各自對(duì)應(yīng)摩爾體積的和的比值即為組分j的體積分?jǐn)?shù)。計(jì)算公式如下：

V■=■ （1）

式中：V■—組分j的體積分?jǐn)?shù)；x■—組分j的摩爾分?jǐn)?shù)；φ■—組分j在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的摩爾體積（查表）。

同理，體積分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)之間的轉(zhuǎn)化可根據(jù)體積分?jǐn)?shù)、壓縮系數(shù)和摩爾分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系進(jìn)行，計(jì)算公式如下：

x■=■ （2）

式中：V■—組分j的體積分?jǐn)?shù)；x■—組分j的摩爾分?jǐn)?shù)；Z■—組分j在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的壓縮因子（查表）。

2.3.2 壓縮因子 由于氣體的非理想性，在計(jì)算體積發(fā)熱量、密度、相對(duì)密度以及華白指數(shù)時(shí)，需要對(duì)氣體體積進(jìn)行修正，通過(guò)使用壓縮因子Zmix可對(duì)氣體的非理想性來(lái)進(jìn)行修正。天然氣壓縮因子計(jì)算方法分兩種，一種是利用已知?dú)怏w的詳細(xì)摩爾組成來(lái)計(jì)算，又稱為AGA8-92DC計(jì)算方法；另一種是利用可獲得的高位發(fā)熱量、相對(duì)密度、CO2和H2含量等非詳細(xì)的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，又稱為SGERG-88計(jì)算方法。由于LNG接收站天然氣中N2、CO2和C2H6的含量較低，本文計(jì)算采用前者，計(jì)算公式如下：

Z■=1-■x■×■■ （3）

式中：Z■—混合氣體的壓縮因子；x■—組分j的摩爾分?jǐn)?shù)；b■—求和因子（查表）。

2.3.3 相對(duì)密度 氣體的相對(duì)密度是指該氣體密度與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0℃和101.325kPa）下干燥空氣密度（為1.293kg/m3，或1.293g/L）的比值。理想氣體和真實(shí)氣體的相對(duì)密度計(jì)算如公式（4）和（5）所示：

d■=■x■×■ （4）

式中：d■—理想氣體的相對(duì)密度；x■—組分j的摩爾分?jǐn)?shù)；M■—標(biāo)準(zhǔn)組成干空氣的摩爾質(zhì)量（查表）。

d=■ （5）

式中：d—真實(shí)氣體的相對(duì)密度；Z■—標(biāo)準(zhǔn)組成干空氣的壓縮因子。

2.3.4 高、低位發(fā)熱量及華白指數(shù) 規(guī)定量的氣體在空氣中完全燃燒時(shí)所釋放出的熱量稱為發(fā)熱量，本文單位采用MJ/m3，天然氣的發(fā)熱量分為高位發(fā)熱量和低位發(fā)熱量。高位發(fā)熱量是指燃燒后所生成產(chǎn)物的溫度與天然氣初始溫度相同，燃燒生成的水完全冷凝成水；低位發(fā)熱量是指燃燒后所生成產(chǎn)物的溫度與天然氣初始溫度相同，但燃燒生成的水蒸氣保持氣相。混合氣體的理想發(fā)熱量可以由單一氣體的理想發(fā)熱量根據(jù)混合法則按下式進(jìn)行計(jì)算：

H■=■H■■V■ （6）

式中：H■—天然氣的理想高位發(fā)熱量或低位發(fā)熱量；H■■—天然氣中各可燃?xì)怏w的理想高位發(fā)熱量或低位發(fā)熱量（查表）。

真實(shí)發(fā)熱量為：

H=■ （7）

式中：H—天然氣的真實(shí)高位發(fā)熱量或低位發(fā)熱量；真實(shí)氣體的華白指數(shù)按下式計(jì)算：

■=■ （8）

式中：■—真實(shí)氣體的華白指數(shù)；H■—天然氣的高熱值。

3 LNG接收站工藝流程

接收站的功能是將從LNG遠(yuǎn)洋低溫輸送船上卸下的LNG儲(chǔ)存并再氣化為燃?xì)馑统鼋o各燃?xì)庥脩簟NG運(yùn)輸船進(jìn)港停泊后，啟動(dòng)船上LNG輸送泵，經(jīng)LNG卸料臂將 LNG輸送到儲(chǔ)罐。儲(chǔ)罐內(nèi)LNG經(jīng)罐內(nèi)泵增壓后進(jìn)入再冷凝器，與來(lái)在自蒸發(fā)氣（以下稱BOG）壓縮機(jī)的蒸發(fā)氣混合后再經(jīng)高壓泵加壓，高壓LNG進(jìn)入氣化器氣化后輸送至至城市管網(wǎng)，主要工藝流程如下：

4 摻混方案選擇

本文所選案例接收站進(jìn)口LNG組分中甲烷含量偏高，熱值比擬進(jìn)管網(wǎng)要低，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，通過(guò)在工藝流程三個(gè)不同位置添加LPG的方法提高出站氣體的熱值，滿足整個(gè)管網(wǎng)的熱值要求，三種方案分別如下：

方案1—?dú)饣髑皳交?/p>

本方案是將LPG儲(chǔ)罐內(nèi)的物料經(jīng)過(guò)高壓泵加壓后進(jìn)入高壓LNG總管，與來(lái)自高壓泵的LNG進(jìn)行混合后進(jìn)入氣化器進(jìn)行加熱氣化，通過(guò)計(jì)量外輸?shù)焦芫W(wǎng)，工藝流程如圖2所示：

方案2—高壓LNG泵前摻混

本方案是通過(guò)LPG儲(chǔ)罐（球罐）的自身壓力將物料輸送至低壓LNG總管，與來(lái)自低壓泵的LNG混合后進(jìn)入高壓泵，氣化后計(jì)量進(jìn)入城市管網(wǎng)。

方案3—外輸總管摻混

本方案是將LPG在氣相外輸壓力下進(jìn)行化，然后與外輸總管的氣體進(jìn)行混合，混合氣體經(jīng)計(jì)量后進(jìn)入城市管網(wǎng)。經(jīng)過(guò)Hysys模擬，如果將LPG（組分如案例中所示，外輸壓力9.2MPaG）氣化，需將其加熱至133℃。

三種方案之間的對(duì)比：

方案2中的LPG在罐內(nèi)處于飽和壓力，在摻混前需將其減壓至低壓LNG的壓力，在輸送過(guò)程中容易氣化，在混合過(guò)程中還要發(fā)生再冷凝，從而增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，且該工藝需要增加新的設(shè)備——LPG高壓（球罐）和配套減壓閥組；方案1使用常溫高壓泵就可以滿足LPG的壓力要求，且不存在氣化現(xiàn)象，對(duì)比可知方案1比方案2更加安全、經(jīng)濟(jì)可行。

方案3需要增加換熱和加熱設(shè)備，且需要大量熱源，與方案1比較其經(jīng)濟(jì)性較差。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，通過(guò)安全性、可行性、經(jīng)濟(jì)性綜合必選，采用方案1所述工藝進(jìn)行熱值調(diào)整。

5 案例分析

以某接收站的物料組成為例，使用上述計(jì)算方法對(duì)接收站出站氣體進(jìn)行熱值調(diào)整，接收站氣（未調(diào)整）、LPG和管網(wǎng)氣的物性參數(shù)如表1所示。

根據(jù)上表中的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下：在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，混合氣中接收站氣體積分?jǐn)?shù)為93.61%、LPG的體積分?jǐn)?shù)為6.39%時(shí)可以滿足管網(wǎng)氣的低熱值要求，折合成質(zhì)量比值，接收站氣和LPG的質(zhì)量比為5.15：1。

華白指數(shù)相同的氣體互換不影響燃?xì)庠罹叩氖褂?，將接收站氣的華白指數(shù)調(diào)整到管網(wǎng)氣的指標(biāo)時(shí)，接收站氣和LPG的質(zhì)量比為5.1：1。

確定混合氣體質(zhì)量比后，可根據(jù)市場(chǎng)需求情況確定LPG儲(chǔ)罐的容量，采用方案1中的外輸工藝可以滿足LNG接收站的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

6 結(jié)論

根據(jù)本文介紹的計(jì)算方法，能夠?qū)μ烊粴饧捌浯闷芬约捌渌鼩怏w燃料的發(fā)熱量、密度、相對(duì)密度和華白指數(shù)進(jìn)行計(jì)算；以某接收站工程的熱值調(diào)整方法為案例，論證了低熱值的條件下在氣化器前摻混LPG可提高出站氣體的熱值，該工藝方案合理可行。

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