橇裝式液化天然氣加氣站泄放氣體處理及其加熱器計(jì)算

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(1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司， 上海 201518；2.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

橇裝式液化天然氣加氣站泄放氣體處理及其加熱器計(jì)算

雒淑娟1，2，孫俊勝1，2，劉福錄1，2，任永平1，2，張鵬1，2，門建斌1，2，張兵1，2

(1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司， 上海 201518；2.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

液化天然氣在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中會(huì)產(chǎn)生一定量的泄放氣體。對(duì)橇裝式液化天然氣加氣站泄放氣體的兩種處理方法進(jìn)行了簡單介紹。通過比較后得知，泄放氣體經(jīng)過斯特林制冷機(jī)再液化后可實(shí)現(xiàn)二次利用，也能體現(xiàn)節(jié)能減排的要求，同時(shí)從不同工況下最大安全泄放量，加熱器換熱面積和長度，星型翅片管排列方式等方面對(duì)泄放氣體加熱器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。

加熱器； 液化天然氣; 泄放氣體; 安全泄放量

液化天然氣(liquefied natural gas，簡稱LNG)主要成分是甲烷，其熱值高，充分燃燒后對(duì)環(huán)境污染小，是地球上最干凈的化石能源之一,作為一種新型能源被廣泛應(yīng)用于人們的生活中，世界各國也大力推廣使用LNG。LNG不僅適用于城市公交車，而且適用于大型客運(yùn)貨車、長途運(yùn)輸?shù)妮喆蛙囕v等，這些需求促進(jìn)了LNG加氣站的發(fā)展[1]。

近年來，我國LNG產(chǎn)業(yè)也實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，根據(jù)加氣站設(shè)備類型將其劃分為橇裝式LNG加氣站、LNG固定加氣站、加氣合建站和船用LNG加氣站。橇裝式LNG加氣站是將LNG儲(chǔ)罐、泵池、加氣機(jī)、汽化器及管道等工藝設(shè)備集成在集裝箱里形成的一種氣站，具有運(yùn)輸方便、建站周期短及安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)得到了普遍應(yīng)用。

加氣站泄放氣體( Escape Air Gas，簡稱EAG)主要來源于LNG儲(chǔ)罐上的超壓排放，對(duì)其排放量國家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范中并沒有硬性的規(guī)定。筆者出于環(huán)保及節(jié)能方面考慮，總結(jié)出了兩種EAG的處理方法及泄放量的計(jì)算公式，以供同行借鑒。

1 EAG簡介

在工作狀態(tài)下，LNG與外界進(jìn)行熱交換。LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG溫度升高，發(fā)生氣化，增大了LNG儲(chǔ)罐的內(nèi)壓力。為了保護(hù)LNG儲(chǔ)罐正常運(yùn)轉(zhuǎn)，避免爆炸危險(xiǎn)，必須開啟閥門排氣泄壓，由此產(chǎn)生了EAG[2]。

橇裝式LNG加氣站放空介質(zhì)基本都屬于低溫氣體，直接排放將有以下4種危害：①氣體下沉易與空氣形成爆炸混合物，具有爆炸危害。②浪費(fèi)能源。③破壞大氣中的臭氧層，其破壞程度大約為氟利昂的25倍[3]。④引起全球溫室效應(yīng)，其危害程度大約是二氧化碳的20倍[4]。

橇裝式LNG加氣站EAG的泄放量為LNG儲(chǔ)罐及其管線上所有安全閥泄放量的總和，但LNG儲(chǔ)罐上安全閥的泄放量最大，在非火災(zāi)和絕熱層完好且處于正常真空的狀態(tài)下，體積為60 m3的LNG儲(chǔ)罐安全閥的泄放量約為2.0 kg/h。

2 EAG處理方法

2.1傳統(tǒng)處理方式——直接排放

對(duì)橇裝式LNG加氣站系統(tǒng)中產(chǎn)生出的EAG，常見的處理方法為直接排放法，即將泄放氣體集中到一個(gè)管線中經(jīng)過EAG加熱器加熱后直接排放到大氣環(huán)境中，其工藝流程圖見圖1。

圖1 EAG直接排放工藝圖

設(shè)置EAG加熱器的主要目的是，由于泄放氣體密度大于空氣，直接排放至空氣將會(huì)向下積聚，與空氣混合形成爆炸物，造成爆炸危害。因此，可以對(duì)放散氣體先進(jìn)行加熱，使其排放溫度高于-107 ℃，密度小于空氣密度，EAG不再下沉，然后通過阻火器、消音器引入高空放散。

直接排放式的優(yōu)點(diǎn)是放散氣體經(jīng)加熱后直接排放，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。缺點(diǎn)是對(duì)臭氧層有破壞，會(huì)污染環(huán)境，浪費(fèi)能源。

2.2新型處理方式——液化儲(chǔ)存法

2.2.1工作原理

LNG加氣站的EAG經(jīng)管路匯集后進(jìn)入EAG液化裝置，經(jīng)過液化后變?yōu)長NG，再通過泵或者自身重力返回到LNG儲(chǔ)罐，實(shí)現(xiàn)了EAG 的二次回收利用[5]。

EAG液化裝置由低溫斯特林制冷機(jī)、控制系統(tǒng)及管道附件系統(tǒng)這3部分組成[6]。斯特林制冷機(jī)是一種以氦氣或氫氣為工質(zhì)，在封閉的系統(tǒng)中應(yīng)用回?zé)嵩韺?shí)現(xiàn)氣體制冷循環(huán)以獲得低溫和冷量的制冷設(shè)備[7]。

參照文獻(xiàn)[8]中提供的斯特林制冷機(jī)組成系統(tǒng)，并且將這種斯特林制冷機(jī)應(yīng)用到EAG再液化儲(chǔ)存方案中。使用單級(jí)制冷機(jī)提供所需的制冷量，使EAG溫度降至-196 ℃變?yōu)橐簯B(tài)，再通過低溫潛液泵輸送到LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行儲(chǔ)存，從而實(shí)現(xiàn)二次利用。

2.2.2工作流程

將EAG收集到EAG緩沖罐中。當(dāng)緩沖罐的壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)打開閥門，啟動(dòng)斯特林制冷機(jī)，將EAG進(jìn)行液化后，通過低溫潛液泵輸送并儲(chǔ)存至LNG儲(chǔ)罐內(nèi),也可輸入加氣站LNG儲(chǔ)罐或直接給汽車加液[9]。

LNG 加氣站EAG回收再液化系統(tǒng)工藝流程示意圖見圖2，LNG槽車殘液回收系統(tǒng)工藝流程示意圖見圖3。

LNG槽車體積大約為50 m3。槽車在加氣站卸液后，槽車仍保留0.3～0.4 MPa的壓力，還有80～150 kg的LNG殘液可回收。

2.3兩種方法對(duì)比

采用液化儲(chǔ)存法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了EAG的零排放,減少了對(duì)大氣的污染,節(jié)約能源，缺點(diǎn)是工藝較復(fù)雜，投資回收周期較長。

圖2 EAG再液化工藝流程示圖

圖3 LNG槽車殘液回收系統(tǒng)示圖

目前，市場上最常見的是在EAG排放口設(shè)置EAG加熱器。但是討論EAG加熱器計(jì)算的資料甚少，筆者根據(jù)自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提出了一種設(shè)計(jì)計(jì)算方法，供讀者參考。

3 EAG加熱器設(shè)計(jì)計(jì)算

常見的EAG加熱器是由鋁合金材質(zhì)的8星型翅片管通過集合管連接而成，利用空氣的自然對(duì)流作為熱源，星型翅片管及EAG加熱器主要結(jié)構(gòu)示意圖見圖4、圖5，圖中，L1為單根翅片管的長度，a為星型翅片管翅片高度，b為星型翅片管翅片厚度，d0為光管外徑，m。

圖4 星型翅片管示圖

圖5 EAG加熱器結(jié)構(gòu)簡圖

此EAG加熱器優(yōu)點(diǎn)：①?zèng)]有額外的動(dòng)力和能源消耗，性能穩(wěn)定，維護(hù)簡單。②翅片間采用可拆式連接，內(nèi)應(yīng)力小。③結(jié)構(gòu)緊湊，排列均勻，占地面積小。④高效節(jié)能，翅片間距大，通風(fēng)條件好，化霜迅速，換熱效率高。

EAG加熱器設(shè)計(jì)步驟：①計(jì)算加氣站的最大安全泄放量Ws。②計(jì)算EAG加熱器需要提供的換熱面積A，確定星型翅片管的總長度L0(L0=NL1,其中，N為星型翅片管的數(shù)量)。③根據(jù)星型翅片管長度和空間位置的特殊要求，確定EAG加熱器星型翅片管的排列方式。

3.1最大安全泄放量Ws計(jì)算

根據(jù)GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》[9]、GB/T 18442.6—2011《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第6部分：安全防護(hù)》[10]、TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[11]，筆者總結(jié)出LNG儲(chǔ)罐在以下兩種工況時(shí)的最大安全泄放量的計(jì)算。

LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)示意圖見圖6，其中L內(nèi)為LNG儲(chǔ)罐內(nèi)殼總長，L外為LNG儲(chǔ)罐外殼總長，D0為LNG儲(chǔ)罐內(nèi)殼與外殼內(nèi)徑的平均值，Di內(nèi)為LNG儲(chǔ)罐內(nèi)殼內(nèi)徑，Di外為LNG儲(chǔ)罐外殼內(nèi)徑，m。

圖6 LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)尺寸示圖

3.1.1工況一

對(duì)介質(zhì)為易爆液化氣體或者位于有可能發(fā)生火災(zāi)環(huán)境下工作的非易爆液化氣體容器，有完整的絕熱保溫層時(shí)，在火災(zāi)條件下保溫層不被破壞。此工況下盛裝LNG儲(chǔ)罐最大安全泄放量的計(jì)算公式如下：

(1)

其中

Ar=πD0(L+0.3D0)

L=L外-(L外-L內(nèi))/2

D0=(Di外+Di內(nèi))/2

式中，Ws1為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下LNG儲(chǔ)罐的安全泄放量(體積流量)，m3/h；t為泄放壓力下介質(zhì)的飽和溫度，℃；λ為常溫下絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Ar為LNG儲(chǔ)罐的受熱面積，m2；δ為LNG儲(chǔ)罐的保溫層厚度，m；q為在泄放壓力下液體的汽化潛熱，kJ/kg；L為LNG儲(chǔ)罐外殼總長減去罐體中軸線處兩端夾層厚度的平均值。

3.1.2工況二

在非火災(zāi)和絕熱層完好且處于正常真空狀態(tài)工況下，盛裝LNG儲(chǔ)罐的最大安全泄放量計(jì)算公式如下：

Ws2=5.1Φi/q

(2)

其中

Φi=Φ1+Φ2+Φ3

式中，Ws2為標(biāo)準(zhǔn)狀況下容器的安全泄放量，m3/h；Φi為由熱壁傳入冷壁的漏熱量總和，Φ1為通過儲(chǔ)罐絕熱材料傳入的熱流量，Φ2為通過內(nèi)容器支撐件傳入的熱流量，Φ3為通過真空夾層管道傳入的熱流量，W。Φi、Φ2、Φ3的計(jì)算見GB/T 18442.6—2011附錄A 中的A.1.1。

3.1.3Ws取值

LNG儲(chǔ)罐的最大安全泄放量介于兩種工作工況之間，在進(jìn)行設(shè)備安全閥選型時(shí)應(yīng)按照最苛刻條件考慮，一般取Ws=Ws1。

EAG加熱器的處理量和安全閥的泄放量一致，其最大處理量可近似等于安全閥的最大泄放量。

3.2EAG加熱器換熱面積A、長度L0計(jì)算[12-15]

根據(jù)文獻(xiàn)[12]可知EAG加熱器長度L0為：

(3)

根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知：

(4)

其中

Q=cpρWs(t2-t1)

式中，n為翅片圓周數(shù)量；A為EAG加熱器換熱面積，m2；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀況下液化天然氣的密度，可取ρ=0.71 kg/m3； Δtm為進(jìn)出口的對(duì)數(shù)平均溫差，K；K為EAG加熱器傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；cp為比定壓熱容，kJ/(kg·K)；t1為EAG加熱器進(jìn)口溫度，t2為EAG加熱器出口溫度，t為環(huán)境溫度，K。

3.3示例參數(shù)及結(jié)果

60 m3LNG儲(chǔ)罐內(nèi)殼的設(shè)計(jì)溫度-196 ℃，設(shè)計(jì)壓力1.44 MPa，規(guī)格(內(nèi)徑×厚度×長度)2 500 mm×8 mm×12 660 mm，材質(zhì)為S30408；外殼的設(shè)計(jì)溫度50 ℃，設(shè)計(jì)壓力-0.1 MPa，規(guī)格(內(nèi)徑×厚度×長度)3 000 mm×10 m×13 560 mm，材質(zhì)為Q345R。泄放壓力為1.42 MPa時(shí)，介質(zhì)飽和溫度t=-15 ℃，汽化潛熱q=380 kJ/kg。采用真空粉末絕熱，保溫層厚度δ=0.24 m，導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.030 W/(m· K)。

計(jì)算過程：①將L=13 110 mm、D0=2 750 mm、Ar=120 m2帶入式(1)得Ws1=140 m3/h。②選擇處理量Ws=150 m3/h的空溫式加熱器1臺(tái)，取加熱器進(jìn)口溫度t1=135 K,出口溫度t2=253 K,環(huán)境溫度t=293 K。根據(jù)文獻(xiàn)[11]可計(jì)算K，一般取鋁制EAG加熱器的傳熱系數(shù)K=7 W/(m2·K)、將cp=2.506 kJ/(kg·K)、n=8、d0=0.002 8 m、a=0.002 m、b=0.086 m帶入式(3)、式(4)得Q=8 748 W、Δtm=86 K、A=15 m2、L0=10 m。③取L1=2 m， 計(jì)算出N=L0/L1=5。

4 結(jié)語

目前市場上應(yīng)用最廣泛的泄放氣處理方法是直接排放，但不符合節(jié)能減排要求。筆者建議采用EAG經(jīng)過斯特林制冷機(jī)再液化的方法實(shí)現(xiàn)二次利用，能夠更好地解決資源浪費(fèi)和安全環(huán)保的問題。液化儲(chǔ)存工藝可有效減少能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，解決天然氣排放造成的噪聲污染和環(huán)境污染，消除天然氣排放時(shí)帶來的安全隱患。

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(CHEN Guo-bang. The Latest Low Temperature Refrigeration Technology [M]. Beijing : China Machine Press，1994．)

(許編)

OperationofSkidMountedLiquefiedNaturalGasFillingStationEscapeAirGasandCalculationofEscapeAirGasHeater

LUOShu-juan1，2,SUNJun-sheng1，2,LIUFu-lu1，2,RENYong-ping1，2,ZHANGPeng1，2,MENJian-bin1，2,ZHANGBing1，2

(1.Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co. Ltd., Shanghai 201518, China;2.Lanpec Technologies Limited, Lanzhou 730070, China)

During the process of liquefied natural gas(LNG)storage and transportation, escape air gas (EAG) will be released. Two treating methods of EAG from skid-mounted LNG fueling station were introduced, and comparison of the two methods shows that EAG reutilization can be achieved through the Stirling refrigerator re-liquefaction technology and further energy conservation and emission reduction can be obtained. Simultaneously, EAG heater design calculation method covering the maximum safety relief amount, heat exchange area and length of LNG heater and arranging mode of star type fin pipe etc. was introduced.

heater; liquefied natural gas; escape air gas; required relief capacity

TQ050.2； TE969

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.010

1000-7466(2017)04-0053-05①

2017-02-16

雒淑娟(1988-)，女，甘肅天水人，助理工程師，學(xué)士，主要從事從事壓力容器設(shè)計(jì)工作。