LNG調(diào)峰站BOG直輸城市中壓管網(wǎng)工藝研究

廣州燃氣集團有限公司 胡立軍

LNG調(diào)峰站與常規(guī)LNG接收站類似，在運營過程中會產(chǎn)生蒸發(fā)氣(BOG)，不斷產(chǎn)生的 BOG會導致各工藝系統(tǒng)管道壓力升高，如不采取適當方式來處理BOG，將會影響LNG調(diào)峰站的運營安全。目前，國內(nèi)LNG接收站經(jīng)歷了十幾年的發(fā)展，BOG處理工藝技術日趨成熟。在安全平穩(wěn)地處理 BOG的基礎上，研究探討如何利用BOG的處理工藝方案，尤其是直輸進入城市中壓管網(wǎng)的工藝，具有十分重要的意義。

1 BOG的產(chǎn)生

LNG調(diào)峰站一般分為五大工藝區(qū)，包括卸船系統(tǒng)、LNG儲存系統(tǒng)、BOG處理系統(tǒng)、LNG/NG外輸系統(tǒng)和火炬系統(tǒng)，其中BOG處理系統(tǒng)的目的是為了經(jīng)濟而有效地回收LNG調(diào)峰站產(chǎn)生的BOG。BOG的產(chǎn)生主要是由于外界能量的輸入而造成，如泵運轉、外界熱量的傳入、大氣壓的變化、環(huán)境的影響及 LNG送入儲罐時造成罐內(nèi) BOG體積變化等。

2 BOG蒸發(fā)量的計算

受LNG調(diào)峰站五大工藝區(qū)中多種工況的影響，BOG蒸發(fā)量的計算也較為復雜。

2.1 基本參數(shù)

LNG調(diào)峰站BOG蒸發(fā)量的計算中需要的基本參數(shù)，如表1所示。

表1 BOG基本參數(shù)

2.2 自然蒸發(fā)量

自然蒸發(fā)量主要是受太陽輻射、大氣吸熱等熱量的流入，使LNG儲罐和LNG船持續(xù)漏熱而產(chǎn)生的蒸發(fā)量。國內(nèi)全容式 LNG儲罐一般執(zhí)行國際標準，標準為日蒸發(fā)量不超過0.05%。LNG調(diào)峰站自然蒸發(fā)量M1的計算公式為：

式中：M——自然蒸發(fā)量，kg/h；

NT——儲罐數(shù)量，個；

ρ——LNG密度，kg/m3；

VT——儲罐容積，m3。

在正常操作或非操作工況下，外界環(huán)境溫度高于 LNG調(diào)峰站各低溫管線內(nèi)溫度，因此調(diào)峰站內(nèi)低壓泵、高壓泵和開架式氣化器等系統(tǒng)內(nèi)低溫管線，以及冷循環(huán)保冷的液相低溫管線都不同程度上存在漏熱現(xiàn)象。LNG調(diào)峰站自然蒸發(fā)量M2的計算公式為：

式中：L——管道長度，m；

D——管徑，mm；

δ——保冷層厚度，mm；

W——工藝管道吸熱強度，W/m2；

γ——LNG氣化潛熱，kJ/kg。

2.3 卸船置換蒸發(fā)量

理論上LNG卸船時，液態(tài)的LNG進入LNG儲罐會同時置換出儲罐上部的BOG，兩者的體積應該相同。但實際上進入LNG儲罐的液態(tài)LNG會將儲罐上部的部分BOG液化，這種現(xiàn)象與再冷凝器原理類似。此時蒸發(fā)量M3的計算公式為：

式中：Qc——卸料速率，m3/h；

Mv——蒸發(fā)氣摩爾質量，g/mol；

T0——標準狀態(tài)溫度，K；

pT——儲罐氣相壓力，kPa；

TT——儲罐氣相溫度，K；

p0——標準狀態(tài)壓力，kPa。

2.4 卸料及氣相返回蒸發(fā)量

對于LNG船上的LNG，在卸裝時由于和儲罐內(nèi) LNG溫度不同會出現(xiàn)瞬間的閃蒸現(xiàn)象，如圖 1所示?？蛇x取船上LNG、儲罐進料管道出口和儲罐LNG液面的A、B、C三點進行計算。

圖1 LNG卸船閃蒸

對A和B點，由熱力學第一定律的穩(wěn)定流動能量方程得：

式中：hA——船上A點的LNG焓，kJ/kg；

hB——儲罐進料管道出口B點的LNG焓，kJ/kg；

m0——LNG質量，kg；

q——卸料過程的吸熱量，kJ/kg；

wp——船上的泵對單位質量LNG所做的功，kJ/kg；

zB－zA—— A、B兩點LNG液面高差，m 。

據(jù)此，LNG進入儲罐閃蒸產(chǎn)生的BOG量M5的計算公式為：

式中：hC——儲罐內(nèi)C點的LNG焓，kJ/kg；

hB——儲罐進料管道出口 B 點的 LNG焓，kJ/kg。

冷凝罐體產(chǎn)生BOG蒸發(fā)量M6的計算公式為：

式中：cT——儲罐內(nèi)罐比熱容，kJ/kg；

ρ T——儲罐內(nèi)罐密度，kg/m3；

VUT——卸船過程內(nèi)罐管壁冷卻體積，m3；

ΔT——內(nèi)罐罐壁冷卻溫差，℃；

t——卸料時間，h。

返回 LNG船的BOG蒸發(fā)量M10的計算公式為：

式中：pc——LNG船上氣相壓力，kPa；

Vc——LNG船容量，m3。

2.5 外輸及冷循環(huán)蒸發(fā)量

若外輸和冷循環(huán)過程中高壓泵對 LNG所做的功全部轉化為LNG的能量，隨著循環(huán)LNG返回儲罐，則單臺高壓泵每小時做功產(chǎn)生返回儲罐的BOG蒸發(fā)量MHPP的計算公式為：

式中：Fz——LNG高壓泵正常輸送時的效率，%；

Qz——LNG高壓泵正常輸送時的流量，m3/h；

Qbl——保冷循環(huán)流量，m3/h；

tz——1小時的時間，3 600 s。

實際計算中，F(xiàn)z通常取LNG高壓泵正常輸送時的最小效率Fmin，同樣，Qz也取其正常輸送時的最小流量Qmin。

LNG儲罐外輸產(chǎn)生的BOG蒸發(fā)量M11的計算公式為：

式中：Gws——LNG調(diào)峰站正常運行時的外輸量，kg/h。

2.6 大氣壓變化BOG蒸發(fā)量

大氣壓變化對BOG蒸發(fā)量的影響有以下兩種：一種為外界氣壓下降，儲罐內(nèi)外的表壓增大，壓縮機將抽出“增加”的BOG，計算公式為：

式中：Vzf——按空罐計算的由大氣壓變化每小時產(chǎn)生的BOG體積，m3/h；

dp/dt——氣壓變化速率，kPa/h。

另一種為罐內(nèi)表壓增加，罐內(nèi)增發(fā)氣量隨之增加，該閃蒸氣量計算公式為：

式中：ps——飽和蒸汽壓力，Pa；

S——儲罐內(nèi)罐截面積，m2。

以上式(1)至式(12)僅是對正常情況下 LNG 調(diào)峰站 BOG蒸發(fā)量進行的估算，一些特殊情況下BOG的蒸發(fā)量需要進行專項針對性計算。

3 常用的BOG處理工藝

LNG調(diào)峰站BOG處理方法主要有：BOG直接壓縮工藝、BOG再冷凝液化工藝、BOG間接熱交換再液化工藝和蓄冷式再液化工藝等四種，其中BOG直接壓縮工藝和BOG再冷凝液化工藝為目前多用的BOG處理方法。

3.1 BOG直接壓縮工藝

BOG直接壓縮工藝是指 LNG儲罐中產(chǎn)生的BOG通過壓縮機直接加壓至外輸管網(wǎng)所需的壓力，以高壓天然氣進入輸氣管網(wǎng)供下游客戶使用，如圖2所示。該工藝適用于外輸管網(wǎng)壓力較小(2～3 MPa)的LNG接收站。

圖2 BOG直接壓縮工藝流程

3.2 BOG再冷凝液化工藝

BOG再冷凝器液化工藝中，LNG與BOG在再冷凝器中直接接觸混合傳熱傳質，其工藝流程見圖3。BOG壓縮后從再冷凝器的頂部與接近再冷凝器頂部用來冷凝BOG的一路LNG同時進入再冷凝器內(nèi)進行直接接觸混合，進入再冷凝器的BOG全部被液化，冷凝液與進入再冷凝器下部的 LNG一起經(jīng)LNG泵加壓進入氣化器氣化輸送至高壓管網(wǎng)。

圖3 再冷凝器液化工藝流程

4 BOG直輸中壓管網(wǎng)工藝

LNG調(diào)峰站采用的BOG處理工藝方案有直接輸出中壓管網(wǎng)和再冷凝兩種，詳細工藝流程見圖4。

圖4 LNG調(diào)峰站工藝流程

BOG直接輸出中壓管網(wǎng)工藝和再冷凝工藝并無本質上的區(qū)別，僅在BOG的處理過程中有所不同。直接輸出中壓管網(wǎng)工藝是將BOG壓縮到外輸壓力后直接送至輸氣管網(wǎng)。再冷凝工藝是將 BOG壓縮到較低的壓力(通常為0.7 MPa)后，與從LNG儲罐送出的LNG在再冷凝器中混合。由于LNG加壓后處于過冷狀態(tài)，可以使BOG再冷凝，然后經(jīng)高壓輸送泵加壓后送到氣化器氣化后外輸。最終采用何種工藝方案主要取決于外輸管網(wǎng)的要求。以下詳細介紹BOG直接輸出中壓管網(wǎng)工藝。

4.1 BOG直輸系統(tǒng)組成

BOG首先經(jīng)氣液分離罐后，流入壓縮機進行壓縮，壓縮后的BOG經(jīng)過升溫、調(diào)壓、計量后進入中壓管網(wǎng)，直接輸送給下游用戶。BOG直輸系統(tǒng)包括城市中壓管網(wǎng)、中壓外輸計量系統(tǒng)、復熱系統(tǒng)、BOG壓縮機和BOG氣液分離罐。

4.1.1 城市中壓管網(wǎng)

BOG直輸城市中壓管網(wǎng)工藝需考慮下游城市中壓管網(wǎng)的直徑和設計壓力的匹配度。中壓天然氣輸出界區(qū)壓力一般約為0.4 MPa，天然氣溫度不低于0 ℃，最大輸出流量根據(jù)BOG處理量和下游需求量等因素確定。

4.1.2 BOG壓縮機

首先需綜合考慮LNG儲罐及LNG運輸船的自然蒸發(fā)量、低溫管線BOG蒸發(fā)量、卸船置換BOG蒸發(fā)量、LNG儲罐卸料 BOG蒸發(fā)量及卸料返回LNG船、高低壓泵外輸及冷循環(huán)、大氣壓變化BOG蒸發(fā)量等6個因素來計算BOG壓縮機的處理能力，然后再根據(jù)外輸壓力、溫度及需求量結合壓縮機自身特點綜合考慮，從而選擇適合的BOG壓縮機。

4.1.3 復熱系統(tǒng)

復熱系統(tǒng)主要是為了滿足直輸進入城市中壓管網(wǎng)的天然氣溫度不低于0 ℃的要求。來自BOG壓縮機出口的壓縮BOG，經(jīng)空溫式氣化器復熱升溫后，直接進入中壓天然氣計量系統(tǒng)后外輸至中壓管網(wǎng)。復熱系統(tǒng)一般包括空溫式氣化器和電加熱器，空溫式氣化器和電加熱器串聯(lián)安裝，并設置溫度監(jiān)視、報警及聯(lián)鎖，壓力報警及聯(lián)鎖等裝置。

4.1.4 中壓計量系統(tǒng)

來自BOG壓縮機出口的天然氣，經(jīng)空溫式氣化器復熱后，通過中壓計量站計量、調(diào)壓、加臭后送至中壓外輸管網(wǎng)。計量站上游設有手動取樣口，可離線分析天然氣組分、熱值等。該系統(tǒng)同時預留BOG熱值調(diào)整接口，必要時可增加氣質調(diào)整裝置，以滿足城市中壓燃氣管道氣質要求。

4.1.5 BOG氣液分離罐

來自BOG總管的BOG進入分離罐后，將帶有液相的BOG進行氣液分離，確保進入BOG壓縮機的NG純度和溫度符合壓縮機的要求。

4.2 BOG直輸適用工況

BOG直輸中壓管網(wǎng)工藝即BOG直接壓縮輸入城市的中壓管網(wǎng)，其應用的范圍其實是有限的。LNG調(diào)峰站主要有2種運行工況，即卸船并輸出工況和無卸船只輸出工況，只有在BOG產(chǎn)生量較少的工況時可以適用BOG直輸中壓管網(wǎng)工藝。

在卸船并輸出工況下操作時所產(chǎn)生的BOG量遠遠大于無卸船只輸出工況下產(chǎn)生的BOG量。卸船時，中壓外輸管網(wǎng)較難處理全場所有BOG量，此時宜采用再冷凝處理BOG工藝；在無卸船工況下，可優(yōu)先采用直接輸出中壓管網(wǎng)工藝或兩種工藝結合工藝，是否單獨采用直接輸出中壓管網(wǎng)工藝，需確認下游中壓管網(wǎng)的承受能力是否滿足條件。以某城市的中壓管網(wǎng)為例，用氣統(tǒng)計數(shù)據(jù)為每小時最小用氣2 000 m3/h，折合約1.47 t/h，每小時最大用氣量16 850 m3/h，折合12.38 t/h。卸船工況條件下，產(chǎn)生的BOG量約為20 t/h，此時，采用再冷凝工藝來處理回收所有BOG量。無卸船工況條件下，BOG量遠遠小于卸船工況時的量，僅需對下游的中壓管網(wǎng)進行協(xié)調(diào)調(diào)度，采用直接外輸中壓管網(wǎng)工藝來處理回收BOG。為了保證安全，若出現(xiàn)下游中壓管網(wǎng)無法接收的情況，也可以啟動再冷凝器，采取兩種處理工藝結合方式來處理。如果BOG流量持續(xù)高于壓縮機或再冷凝器的處理能力，儲罐和BOG總管的壓力將升高。當壓力超過壓力控制閥的設定值時，過量的BOG將排至火炬燃燒。

5 結語

本文以自然蒸發(fā)、卸船置換蒸發(fā)、卸料蒸發(fā)及BOG返回LNG船、大氣壓變化BOG蒸發(fā)等幾種情況下蒸發(fā)量的計算方式和BOG的處理工藝流程為基礎，分析了LNG調(diào)峰站中BOG直接輸出中壓管網(wǎng)工藝系統(tǒng)的各部分組成及適用工況：當 BOG量較大時，為確保降低能耗和安全，宜采用再冷凝工藝和直接輸出中壓管網(wǎng)工藝相結合；當中壓管網(wǎng)接收能力大于BOG量時，優(yōu)先采用直接輸出中壓管網(wǎng)工藝。