LNG接收站蒸發(fā)氣(BOG)的靜態(tài)計算

宋鵬飛，陳峰，侯建國

LNG接收站蒸發(fā)氣(BOG)的靜態(tài)計算

宋鵬飛，陳峰，侯建國

(中海石油氣電集團技術(shù)研發(fā)中心，北京100027)

BOG估算量影響壓縮機、再冷凝器、低壓泵、火炬等關(guān)鍵設(shè)備的配置，是LNG接收站工藝計算的核心部分之一。LNG接收站BOG量的靜態(tài)計算方法被用于在設(shè)計前期階段保守估算BOG量，此法通過調(diào)整可適用于多種規(guī)模類型的LNG接收站，也適用與浮式氣化船和陸上儲罐相結(jié)合的接收終端類型。

BOG；靜態(tài)計算；LNG接收站；壓縮機

常壓下LNG儲存溫度為-162℃，由于卸船、環(huán)境溫度變化、大氣壓變化、管內(nèi)泵電機運轉(zhuǎn)等外界能量的輸入，會產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣(BOG)[1]。LNG接收站通過BOG處理系統(tǒng)對BOG進行回收，目前世界上大部分LNG接收站采用再冷凝工藝回收BOG[2]。BOG處理系統(tǒng)是直接影響到LNG接收站生產(chǎn)運營的安全性、經(jīng)濟性和環(huán)境保護的全廠性關(guān)鍵系統(tǒng)[3]。

BOG的計算量不僅是壓縮機、再冷凝器、低壓泵、火炬等LNG接收站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備配置的基本設(shè)計參數(shù)，還對LNG儲罐的安全運行、全廠壓力系統(tǒng)設(shè)計、整體能耗等有重要影響[4]。LNG接收站BOG的靜態(tài)計算需要分別找出接收站在不同的操作模式下BOG的產(chǎn)生量和減小量，不同工況下兩者的差值的最大值作為接收站內(nèi)BOG保守設(shè)計量。

1 計算原理

BOG的產(chǎn)生因素主要有以下6項：儲罐、管線漏熱、裝槽車、裝船、卸料及泵的熱輸入、大氣壓變化。BOG減小因素主要是氣態(tài)外輸引起。

1.1 儲罐及管線漏熱

儲罐漏熱產(chǎn)生BOG量(kg/h)=[儲罐數(shù)量×儲罐罐容(m3)×日蒸發(fā)率÷24]×BOG密度(kg/m3)

管線漏熱的計算主要是在保冷循環(huán)過程中管線的漏熱。保冷循環(huán)計算涉及的管線主要有：卸料管線、槽車管線、小船外輸管線、低壓泵至再冷凝器管線、再冷凝器至高壓泵管線、高壓泵至氣化器管線、排凈管線。

管線漏熱產(chǎn)生BOG的量(kg/h)=各管道漏熱量之和(kJ/h)÷氣化潛熱(kJ/kg)

管道漏熱量(J/h)=管道表面積(m2)×單位面積熱導(dǎo)率(J/(h·m2))

1.2 裝車

儲罐內(nèi)LNG置換可容納的BOG質(zhì)量流量(kg/h)=槽車裝料速率(m3/h)×儲罐BOG的密度(kg/m3)

槽車回氣的質(zhì)量流量(kg/h)=槽車裝車速率(m3/h)×槽車內(nèi)BOG的密度(kg/mv)

槽車裝車置換BOG量(kg/h)=槽車回氣的質(zhì)量流量(kg/h)-罐內(nèi)LNG置換可容納的BOG質(zhì)量流量(kg/h)

1.3 裝船

裝船產(chǎn)生的BOG量包括以下幾部分：裝船置換、裝船閃蒸及小船自蒸發(fā)氣引起。

1.3.1 裝船置換

小船內(nèi)壓力按實際情況考慮。

儲罐內(nèi)LNG置換可容納的BOG質(zhì)量流量(kg/h) =小船裝料速率(m3/h)×儲罐BOG的密度(kg/mv)

小船回氣的質(zhì)量流量(kg/h)=小船裝料速率(m3/h) ×小船內(nèi)BOG的密度(kg/m3)

小船裝料置換BOG量(kg/h)=小船回氣的質(zhì)量流量(kg/h)-罐內(nèi)LNG置換可容納的BOG質(zhì)量流量(kg/h)

1.3.2 裝船閃蒸

裝船產(chǎn)生BOG量主要包括以下幾部分：焓差引起、小船艙內(nèi)罐壁冷卻引起、小船和儲罐高差引起。

(1)焓差引起

裝料臂總漏熱(kJ/h)=每個裝料臂熱輸入(kJ/h)×裝料臂數(shù)量

裝料泵的熱量輸入(kJ/h)=裝料速率(m3/h)×儲罐內(nèi)LNG的密度(kg/m3)×重力加速度(g=9.8m/s2)×泵的揚程(m)÷泵效率÷1000

裝料操作的總熱輸入量(kJ/h)=裝料臂總漏熱(kJ/h)＋裝料管線熱輸入(kJ/h)＋裝料泵的熱量輸入(kJ/h)

儲罐與小船焓差引起的熱量變化(kJ/h)﹦[儲罐LNG的焓值(kJ/kg)-小船LNG的焓值(kJ/kg)]×小船裝料的質(zhì)量流量(kg/h)

其中：小船裝料的質(zhì)量流量(kg/h)=裝料速率(m3/h)×儲罐LNG密度(kg/m3)

進小船前的總熱量輸入(kJ/h)=儲罐與小船焓差引起的熱量變化(kJ/h)＋裝料操作的總熱輸入量(kJ/h)

焓差引起的BOG量(kg/h)=進小船前的總熱量輸入(kJ/h)÷小船內(nèi)LNG的潛熱(kJ/kg)

(2)小船艙內(nèi)罐壁冷卻引起

把小船的容積等同于容積相當(dāng)?shù)膬蓿缓蟀凑諆薜挠嬎惴椒ㄓ嬎沆什钜鸬腂OG。

所需冷卻的鋼板體積(m3)=內(nèi)罐鋼板厚度(m)×儲罐周長(m)×卸料儲罐的數(shù)量×單個儲罐的卸料高度(m)

罐壁冷卻的熱輸入(kJ)=所需冷卻的鋼板體積(m3)×Ni9鋼的密度(kg/m3)×Ni9鋼的比熱容(kJ/(kg·℃)) ×管壁溫降(℃)

罐壁冷卻的BOG產(chǎn)生量(kg/h)=罐壁冷卻的熱輸入(kJ)/罐內(nèi)LNG潛熱(kJ/kg)/卸料時間

(3)小船與儲罐高度差引起

因高度差需要的熱量輸入(J/h)=裝料速率(m3/h) ×儲罐LNG密度(kg/m3)×重力加速度(g=9.8m/s2)×高度差(m)/1000

高度差引起的BOG量(kg/h)=因高度差需要的熱量輸入(kJ/h)/小船LNG的潛熱(kJ/kg)

1.3.3 小船自蒸發(fā)氣引起

小船自蒸發(fā)產(chǎn)生BOG量(kg/h)=小船容積(m3)× 2%×小船日蒸發(fā)率÷24×小船LNG密度(kg/m3)

說明：2%為小船卸料后艙內(nèi)的LNG比例，在運輸途中產(chǎn)生BOG

1.4 卸料

卸料產(chǎn)生BOG量主要包括以下部分：卸料置換、卸料閃蒸、儲罐自蒸發(fā)。與裝小船的計算方法和過程基本類似，在此不再重復(fù)。

1.5 泵的熱輸入

泵的熱輸入=高壓泵熱輸入＋低壓泵熱輸入(1)高壓泵熱輸入

高壓泵的輸出流率(kg/h)=LNG氣態(tài)外輸流率(kg/h)＋高壓泵總孔流率(kg/h)＋ORV總孔流率(kg/h)

高壓泵對回流LNG的熱輸入(kJ/h)=單個高壓泵的熱輸入(kW)×高壓泵的開機數(shù)量×[高壓泵總孔流率(kg/h)＋ORV總孔流率(kg/h)]÷高壓泵的輸出流率(kg/h)×3600

高壓泵熱輸入引起的BOG量(kg/h)=高壓泵對回流LNG的熱輸入(kJ/h)÷罐內(nèi)LNG的潛熱(kJ/kg)

(2)低壓泵熱輸入

管線保冷循環(huán)量(kg/h)=管線漏熱量之和(kJ/h)/經(jīng)過低壓泵加壓后的LNG比熱容(kJ/(kg·℃))÷4℃

備注：此處管線漏熱量之和不同的工況有不同的組合；4℃表示保冷循環(huán)的LNG溫升。

低壓泵對回流LNG的熱輸入(kJ/h)=單個低壓泵的熱輸入(kW)×低壓泵的開機數(shù)量×[低壓泵的總孔流率(kg/h)＋高壓泵總孔流率(kg/h)＋ORV總孔流率(kg/h)]/低壓泵的輸出流率(kg/h)×3600

低壓泵熱輸入引起的BOG量(kg/h)=低壓泵對回流LNG的熱輸入(kJ/h)/罐內(nèi)LNG的潛熱(kJ/kg)

1.6 氣壓變化引起

氣壓變化引起的BOG量=氣體膨脹引起B(yǎng)OG量＋氣壓變化引起B(yǎng)OG量

(1)氣體膨脹

BOG產(chǎn)生量(kg/h)=罐容(m3)×罐數(shù)量/儲罐絕對壓力(kPa)×氣壓變化率(kPa/h)×儲罐BOG密度(kg/ m3)

(2)氣壓變化

BOG產(chǎn)生量(kg/h)=系數(shù)K(kg/h·m2·9.81Pa)×氣液面面積(所有罐m2)×[(△Ps+10.02×dp/dt)(4/3)-△Ps(4/3)]

△Ps=所有罐BOG蒸發(fā)量(kg/h)÷系數(shù)K(kg/(h· m2·9.81Pa))÷所有罐氣液面面積(m2)

1.7 氣態(tài)外輸(BOG減小因素)

BOG減少量(kg/h)=氣態(tài)外輸量(kg/h)÷儲罐LNG密度(kg/m3)×儲罐BOG密度(kg/m3)

2 計算舉例

2.1 計算基礎(chǔ)

某大型陸上LNG接收站工程建設(shè)規(guī)模為700萬t/a，建設(shè)6座16萬m3LNG儲罐及相應(yīng)配套氣化外輸設(shè)施。項目除氣態(tài)外輸和槽車液態(tài)外輸外，考慮對小型LNG船舶反輸作業(yè)。

計算將分別采用富氣和貧氣作為設(shè)計基礎(chǔ)，計算接收站在不同的操作模式下產(chǎn)生的BOG量，并取最大BOG量工況作為BOG處理系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計基礎(chǔ)。

2.2 計算結(jié)果

經(jīng)過分別對二期各工況下富氣和貧氣的BOG設(shè)計量進行計算，在富氣情況，無氣態(tài)外輸、卸料、無槽車外輸、無小船外輸工況下BOG設(shè)計量最大，計算結(jié)果為28.5t/h。

3 結(jié)語

靜態(tài)的BOG計算是一種量化預(yù)測BOG量的手段，不同的LNG接收站根據(jù)環(huán)境參數(shù)、規(guī)模、經(jīng)濟性等因素調(diào)整計算方法。比如，計算中臺風(fēng)引起的BOG量較大，此項計算結(jié)果對BOG系統(tǒng)設(shè)備的能力配置影響大，計算太過保守可能會造成接收站正常運行時壓縮機、再冷凝器等BOG處理系統(tǒng)的設(shè)備配置能力偏大，投資增大、設(shè)備能力利用率不高等問題。

靜態(tài)BOG計算是目前LNG接收站工藝設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一，可適用于多種規(guī)模類型的陸上LNG接收站，也可通過調(diào)整后適用于浮式氣化船和陸上儲罐相結(jié)合的接收終端類型的BOG量預(yù)測。

[1]李亞軍,夏巖.LNG接收站BOG蒸發(fā)量的影響因素及穩(wěn)定性[J].低溫工程,2012,(4):38-43.

[2]呂俊,張昌維.LNG接收站BOG壓縮機處理能力計算及選型研究[J].化工設(shè)計,2011,21(1):14-16,30.

[3]劉浩,金國強.LNG接收站BOG氣體處理工藝[J].化工設(shè)計,2006,16(1):13-16.

[4]付子航.LNG接收站蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計計算模型[J].技術(shù)工程,2011,31(6):85-88.

Static calculation of BOG for LNG terminal

SONG Peng-fei,CHEN Feng,HOU Jian-guo
(Research and Development Center of CNOOC Gas and Power Group,Beijing 100027,China)

The estimation of the boil off gas(BOG),as one of the key parts of the process calculation of LNG terminal,could influence the capacity and number of key equipment like the compressor,recondenser,low pressure pump,etc.The static calculation method of BOG in LNG terminals was applied to estimate the amount of BOG in the early design stage,and it could be adjusted to be applicable for a variety of type LNG terminals,including the terminal which combined the floating regasification ship and the land storage tanks.

BOG;static calculation;LNG terminal;compressor

TE8

：A

：1001-9219(2016）01-48-03

2015-03-12；作者簡介：宋鵬飛(1985-)，男，學(xué)士，工程師，從事LNG接收站設(shè)計及非常規(guī)天然氣技術(shù)研究工作，電話010-56759126、13401100243，電郵songpf@cnooc.com.cn。