LNG加氣站BOG排放量的理論計算與實測

高 勇， 吳俊杰， 屈 戈

(華潤燃氣(鄭州)市政設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州450006)

1 概述

自2002年國內(nèi)首座LNG加氣站建成投運，經(jīng)過近10 a的發(fā)展，從2010年開始國內(nèi)LNG加氣站逐步走上了快車道，2012年及2013年，加氣站建設(shè)的年增長率分別為208%、130%。2012年至2015年為河南省內(nèi)LNG加氣站的高速建設(shè)期，至2018年底，河南省內(nèi)建設(shè)有LNG加氣站近200座。

國內(nèi)的LNG加氣站建設(shè)是優(yōu)先于汽車發(fā)展的，通過對河南省部分LNG加氣站的調(diào)研及2座加氣站的定期監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)LNG加氣站的快速建設(shè)與LNG汽車發(fā)展不匹配，近幾年LNG汽車保有量基本沒有增長，造成LNG加氣領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)“站多車少”的局面。

在此情況下，LNG加氣量過少，在儲罐中儲存時間較長，同時零星充裝導(dǎo)致設(shè)備及工藝管道頻繁預(yù)冷，產(chǎn)生大量的BOG。BOG超壓放散會造成能源浪費，天然氣中的甲烷等烴類氣體屬于溫室氣體，會對環(huán)境產(chǎn)生影響。BOG的回收不僅可以節(jié)約能源，保護環(huán)境，同時還具有一定的經(jīng)濟效益。

2 BOG產(chǎn)生的主要因素

2.1 儲罐、設(shè)備及工藝管道與外界的換熱

LNG加氣站的工藝系統(tǒng)主要由儲罐、泵橇、加氣機及工藝管道組成，本文將泵橇和加氣機稱為設(shè)備。工藝流程分為卸車、儲罐增壓、儲罐調(diào)飽和、設(shè)備預(yù)冷、加氣等環(huán)節(jié)[1]。

LNG加氣站中的LNG主要在儲罐中儲存，少量在設(shè)備及工藝管道中，其溫度在-140 ℃左右，與環(huán)境溫度存在較大的溫差。儲罐、設(shè)備及工藝管道即使采取了絕熱措施，仍存在與外界的熱交換，LNG吸收外界的熱量逐漸增加，會導(dǎo)致LNG的氣化，產(chǎn)生BOG。

在工藝流程的各個環(huán)節(jié)，LNG在儲罐、設(shè)備及工藝管道中輸送，特別是在工藝管道中，相同體積的LNG在管道中接觸的管道內(nèi)表面面積比在儲罐中接觸的儲罐內(nèi)表面面積更大。以60 m3儲罐和 DN 50 mm的鋼管為例，同樣容積的管道表面積是儲罐表面積的50倍，相對儲罐而言，同樣容積的管道，換熱量更大。

2.2 設(shè)備及工藝管道預(yù)冷

當(dāng)LNG加氣站加氣的頻率較低時，為節(jié)約能源，汽車加氣間隔超過一定時間，控制系統(tǒng)會關(guān)閉泵橇至加氣機工藝管道的閥門，使LNG在儲罐與泵橇之間循環(huán)，泵橇保持低溫狀態(tài)。泵橇后的加氣機和管道中LNG不再循環(huán)流動，溫度會逐漸上升，甚至部分氣化。有車輛來加氣時，需要重新預(yù)冷，會產(chǎn)生一定的 BOG[2]。

2.3 LNG汽車車載儲氣瓶產(chǎn)生的氣體

LNG汽車車載儲氣瓶常用的規(guī)格為375 L、450 L兩種，一輛LNG汽車通常配置1～2個車載儲氣瓶。車載儲氣瓶的絕對壓力通常在0.9 MPa左右。LNG汽車需要加氣時，車載儲氣瓶中剩余的LNG約占總?cè)莘e的10%，其余空間充滿了低溫天然氣。在加氣過程中，車載儲氣瓶內(nèi)的氣體通過壓力差回流至LNG加氣站的儲罐內(nèi)，如果儲罐內(nèi)LNG為溫度較低的過冷液體，可通過儲罐下進液管道再液化；如果儲罐內(nèi)LNG為溫度較高的飽和液體，則進入儲罐氣相空間以氣態(tài)存在，這部分車載儲氣瓶內(nèi)氣體應(yīng)按BOG考慮。

2.4 環(huán)境溫度的影響

環(huán)境溫度會對LNG與外界的換熱量產(chǎn)生影響，夏季溫度較高時，傳導(dǎo)至儲罐、設(shè)備及工藝管道的熱量也會較多。根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，環(huán)境溫度升高，LNG加氣站產(chǎn)生的BOG量增加。

3 BOG的數(shù)量

BOG的數(shù)量采用兩種方式得到，一種是理論計算，另一種是實際測量。

3.1 靜態(tài)蒸發(fā)率計算

3.1.1 儲罐LNG靜態(tài)蒸發(fā)率

① 儲罐液氮介質(zhì)測試蒸發(fā)率

靜態(tài)蒸發(fā)率是反映儲罐絕熱性能的重要指標(biāo)，測算依據(jù)為GB/T 18443.5—2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗方法 第5部分：靜態(tài)蒸發(fā)率測量》(以下簡稱GB/T 18443.5—2010)。由試驗測得測試蒸發(fā)率，根據(jù)測試蒸發(fā)率計算靜態(tài)蒸發(fā)率。

測試蒸發(fā)率α0,N是指儲罐充裝液氮達到額定充裝率條件下靜置達到熱平衡后，24 h內(nèi)自然蒸發(fā)損失的液氮質(zhì)量與儲罐內(nèi)容器有效容積下液氮質(zhì)量的比值，單位為d-1。本文的測試環(huán)境條件是，日平均環(huán)境溫度為 293.15 K，環(huán)境壓力為100.420 kPa。

儲罐測試蒸發(fā)率在儲罐制造廠的試驗基地按照GB/T 18443.5—2010第4～7章的試驗方法進行，試驗介質(zhì)為液氮。采用GB/T 18443.5—2010第4.2.2條中的氣體質(zhì)量流量計測量法，測量24 h內(nèi)儲罐中液氮蒸發(fā)后通過質(zhì)量流量計的氣體質(zhì)量流量，根據(jù)GB/T 18443.5—2010第8.1.2條中的公式(2)計算測試蒸發(fā)率。

試驗室測試的LNG儲罐采用與加氣站同規(guī)格儲罐，容積為60 m3，絕熱形式為填充珠光砂，屬于粉末真空絕熱型儲罐。液氮的物性數(shù)據(jù)見GB/T 18443.5—2010附錄 C。經(jīng)計算，得到儲罐的測試蒸發(fā)率α0,N約為0.002 8 d-1。

② 儲罐液氮介質(zhì)靜態(tài)蒸發(fā)率

由測試蒸發(fā)率α0,N，根據(jù)GB/T 18443.5—2010第8.2.2條中的公式(5)，計算儲罐液氮介質(zhì)的靜態(tài)蒸發(fā)率α20,N，單位為d-1。

試驗日平均環(huán)境溫度為293.15 K，環(huán)境壓力為100.420 kPa，該環(huán)境壓力下液氮的飽和溫度為77.28 K，氣化潛熱為199.32 kJ/kg。經(jīng)計算，得出儲罐液氮介質(zhì)的靜態(tài)蒸發(fā)率α20,N與測試蒸發(fā)率α0,N基本相同，約為0.002 8 d-1。

本文中，將溫度為293.15 K、壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的環(huán)境記為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境。

③ 儲罐LNG介質(zhì)靜態(tài)蒸發(fā)率

在實際應(yīng)用中，儲罐的介質(zhì)為LNG。由于GB/T 18443.5—2010未涉及由一種介質(zhì)到另一種介質(zhì)的靜態(tài)蒸發(fā)率的換算，本文根據(jù)液氮和LNG的物性數(shù)據(jù)，通過對兩者的相似模擬分析[3]，由以液氮為介質(zhì)的儲罐靜態(tài)蒸發(fā)率α20,N，推導(dǎo)出以LNG為介質(zhì)的儲罐靜態(tài)蒸發(fā)率α20,LNG。

假設(shè)對于兩種介質(zhì)，儲罐的傳熱系數(shù)相等。在同一儲罐內(nèi)，兩者的傳熱量與儲罐內(nèi)外溫差成正比，見公式(1)。

(1)

式中ΦLNG——靜態(tài)下儲罐中介質(zhì)為LNG時的傳熱量，W

ΦN——靜態(tài)下儲罐中介質(zhì)為液氮時的傳熱量，W

ΔtLNG——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101.325 kPa)下，環(huán)境溫度(293.15 K)與儲罐內(nèi)LNG飽和溫度(111.15 K)的溫差，K，為182 K

ΔtN——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，環(huán)境溫度(293.15 K)與儲罐內(nèi)液氮飽和溫度(77.36 K)的溫差，K，為215.79 K

rLNG——LNG在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、飽和溫度(111.15 K)下的氣化潛熱，kJ/kg，取510 kJ/kg

rN——液氮在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、飽和溫度(77.36 K)下的氣化潛熱，kJ/kg，取199.3 kJ/kg

qm,LNG——靜態(tài)下儲罐內(nèi)LNG在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的日蒸發(fā)質(zhì)量，kg/d

qm,N——靜態(tài)下儲罐內(nèi)液氮在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的日蒸發(fā)質(zhì)量，kg/d

其中，日蒸發(fā)質(zhì)量與儲罐的靜態(tài)蒸發(fā)率和介質(zhì)密度的積成正比，則有公式(2)。

(2)

式中α20,LNG——儲罐介質(zhì)為LNG的靜態(tài)蒸發(fā)率，d-1

α20,N——儲罐介質(zhì)為液氮的靜態(tài)蒸發(fā)率，d-1

ρLNG——LNG在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、飽和溫度下的密度，kg/m3，取424 kg/m3

ρN——液氮在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、飽和溫度下的密度，kg/m3，取807.3 kg/m3

根據(jù)公式(1)和公式(2)，可推導(dǎo)出公式(3)。

(3)

根據(jù)公式(1)和公式(2)給出的已知條件，可計算得出公式(4)。

α20,LNG=0.63α20,N

(4)

更精細地分析，儲罐內(nèi)外溫差不同，介質(zhì)不同，儲罐的傳熱系數(shù)是不同的。當(dāng)考慮傳熱系數(shù)不同時，公式(4)應(yīng)寫作公式(5)。

(5)

式中KLNG——儲罐中介質(zhì)為LNG時傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

KN——儲罐中介質(zhì)為液氮時傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

根據(jù)文獻[4]的數(shù)據(jù)得出，對同一儲罐，介質(zhì)為LNG時傳熱系數(shù)等于介質(zhì)為液氮時傳熱系數(shù)的1.05倍，見公式(6)。

KLNG=1.05KN

(6)

根據(jù)公式(5)和公式(6)，可以推導(dǎo)出考慮傳熱系數(shù)不同時，儲罐中介質(zhì)為LNG時的靜態(tài)蒸發(fā)率，見公式(7)。

α20,LNG=0.66α20,N

(7)

上述測試的儲罐液氮介質(zhì)的靜態(tài)蒸發(fā)率α20,N為0.002 8 d-1，代入公式(7)，可計算出儲罐LNG介質(zhì)的靜態(tài)蒸發(fā)率α20,LNG為0.001 8 d-1。

3.1.2 設(shè)備、工藝管道LNG靜態(tài)蒸發(fā)率

加氣站常用的設(shè)備(泵橇、加氣機)均采用真空絕熱，工藝管道絕熱形式主要為真空絕熱、聚異三聚氰酸酯(PIR)絕熱兩種。設(shè)備、工藝管道容積較小，按照儲罐蒸發(fā)率的測試方式，無法靜置達到熱平衡。因此，采用如下測試原理進行測試。

利用儲罐的測試裝置，采用差值法進行測試。測量原理參照GB/T 18443.5—2010第4章的氣體質(zhì)量流量計法，以儲罐測試蒸發(fā)率試驗裝置為基準(zhǔn)系統(tǒng)，測出日蒸發(fā)質(zhì)量qm1(單位為 kg/d)，增加被測設(shè)備或工藝管道(以下簡稱被檢件)后進行測試，測出日蒸發(fā)質(zhì)量qm2(單位為 kg/d)，然后計算其差值(qm2-qm1)即為被檢件的日蒸發(fā)質(zhì)量qm3(單位為 kg/d)。設(shè)備、工藝管道測試蒸發(fā)率試驗裝置原理見圖1。

圖1 設(shè)備、工藝管道測試蒸發(fā)率試驗裝置原理

具體測試步驟如下：

① 按照儲罐蒸發(fā)率的測試方式搭建一座基準(zhǔn)系統(tǒng)。

② 在氣相管道、液相管道上分別設(shè)置球閥1、球閥2和球閥3。

③ 關(guān)閉球閥2和球閥3，采用氣體質(zhì)量流量計法測出日蒸發(fā)質(zhì)量qm1。

④ 分別安裝被測設(shè)備或工藝管道(即被檢件)，打開球閥2和球閥3，測出增加被檢件后的日蒸發(fā)質(zhì)量qm2。

⑤ 利用兩個日蒸發(fā)質(zhì)量的差值，計算被檢件的日蒸發(fā)質(zhì)量，即qm3=qm2-qm1。

⑥ 根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，利用GB/T 18443.5—2010中第8.1.2條的公式(2)，分別計算每個被檢件的測試蒸發(fā)率α0,N。

⑦ 根據(jù)測試蒸發(fā)率，對于真空絕熱的設(shè)備和管道，利用GB/T 18443.5—2010中第8.2.3條的公式(6)，計算靜態(tài)蒸發(fā)率α20,N；對于PIR絕熱的管道，利用GB/T 18443.5—2010中第8.2.2條的公式(5)，計算靜態(tài)蒸發(fā)率α20,N。

⑧ 根據(jù)本文中的公式(7)，計算出介質(zhì)為LNG時設(shè)備和工藝管道的靜態(tài)蒸發(fā)率α20,LNG。

以河南省高速公路服務(wù)區(qū)定期監(jiān)測的兩座標(biāo)準(zhǔn)三級LNG加氣站為例，儲罐、設(shè)備和工藝管道的規(guī)格型號及布置方式均相同，工藝管道絕熱形式分別為真空絕熱(方案1)和PIR絕熱(方案2)，相應(yīng)的加氣站分別稱為方案1加氣站和方案2加氣站。標(biāo)準(zhǔn)三級LNG加氣站在加氣站中占比最大，每座站內(nèi)主要包含60 m3的LNG儲罐1臺，泵橇1臺，加氣機2臺，相應(yīng)的工藝管道。

在試驗室內(nèi)測試了同規(guī)格型號的泵橇和加氣機的日蒸發(fā)質(zhì)量，測試了不同絕熱形式、不同管徑的工藝管道的日蒸發(fā)質(zhì)量，從而計算出介質(zhì)為LNG時靜態(tài)蒸發(fā)率。其中，儲罐、設(shè)備的靜態(tài)蒸發(fā)率見表1，工藝管道的靜態(tài)蒸發(fā)率見表2。

表1 儲罐、設(shè)備的靜態(tài)蒸發(fā)率

表2 工藝管道的靜態(tài)蒸發(fā)率

3.2 運行工況BOG數(shù)量的計算

3.2.1 儲罐實際日蒸發(fā)量

根據(jù)靜態(tài)蒸發(fā)率α20,LNG，可以計算出運行工況下的實際日蒸發(fā)質(zhì)量。由于BOG是以氣態(tài)存在的，在計算蒸發(fā)量時是以體積計算的。工程上，蒸發(fā)量為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣的體積，單位為 m3/d。本文的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)是指溫度為273.15 K、壓力為101.325 kPa的狀態(tài)。

結(jié)合實際調(diào)研情況，以調(diào)研期間的5月份為例，室外月平均溫度為297.15 K，儲罐絕對壓力在0.6～0.9 MPa范圍波動，平均工作絕對壓力約為0.75 MPa，以此條件計算運行工況下的實際日蒸發(fā)質(zhì)量。

計算依據(jù)為LNG傳熱量與溫差成正比，計算過程見公式(8)。

(8)

式中Φact——運行工況下儲罐中介質(zhì)為LNG時的傳熱量，W

Δtact——月平均溫度(297.15 K)與LNG絕對壓力為0.75 MPa時的飽和溫度(145.15 K)的溫差，K，為152 K

ract——LNG在平均工作絕對壓力(0.75 MPa)、飽和溫度下的氣化潛熱，kJ/kg，取415 kJ/kg

qm,act——運行工況下，儲罐內(nèi)LNG在平均工作絕對壓力(0.75 MPa)、月平均溫度(297.15 K)時實際日蒸發(fā)質(zhì)量，kg/d

根據(jù)靜態(tài)蒸發(fā)率的定義，儲罐的靜態(tài)日蒸發(fā)質(zhì)量也可寫作公式(9)。

qm,LNG=α20,LNGρLNGV

(9)

式中V——LNG儲罐的有效容積，m3

將公式(9)代入公式(8)，可得公式(10)。

(10)

儲罐的容積為60 m3，充滿率為90%，則有效容積為54 m3。將前文中的已知數(shù)據(jù)代入公式(10)，可以計算出運行工況下LNG儲罐的實際日蒸發(fā)質(zhì)量qm,act為42.3 kg/d。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣的密度約為0.72 kg/m3，則可換算得到實際日蒸發(fā)量為58.75 m3/d。

3.2.2 設(shè)備、工藝管道實際日蒸發(fā)量

根據(jù)第3.2.1條的方法和表1、表2的數(shù)據(jù)，可計算出加氣站內(nèi)設(shè)備、工藝管道的實際日蒸發(fā)量。

在計算時，還要同時考慮車載儲氣瓶回收BOG的量。根據(jù)調(diào)研情況，每座加氣站日均加氣車輛為40輛，每輛車上安裝1個車載儲氣瓶，單個車載儲氣瓶容積為475 L，絕對壓力為0.9 MPa，充裝率為90%。根據(jù)筆者實測的數(shù)據(jù)，車輛在加氣時通過加氣機回氣管道回收至加氣站內(nèi)LNG儲罐的BOG的工況體積約占每個車載儲氣瓶容積的20%，儲氣瓶內(nèi)平均溫度為147.15 K。鑒于運行狀況為估算，不考慮壓縮因子，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可計算出40個車載儲氣瓶總的實際日蒸發(fā)量約為63.48 m3/d。

標(biāo)準(zhǔn)三級LNG加氣站5月份實際日蒸發(fā)量見表3。

表3 標(biāo)準(zhǔn)三級LNG加氣站5月份實際日蒸發(fā)量

3.3 運行工況BOG數(shù)量的實測

為了更好地研究運行工況下加氣站的BOG量，筆者對方案1加氣站和方案2加氣站進行現(xiàn)場測試。測試時間為2018年3月1日至7月31日，共153 d。每座加氣站日均加氣量約為1×104m3/d， LNG加氣車輛約40輛/d，運行正常。

LNG儲罐氣相出口后分為3路并聯(lián)，2路為安全放散管道(其中安全閥開啟絕對壓力設(shè)定為1.1 MPa)，1路為BOG總管道，BOG總管道上設(shè)置閥門，接入放散管。為了測量日蒸發(fā)量，增加BOG測量裝置：在BOG總管道閥門后依次安裝BOG加熱器、壓力變送器、溫度變送器、閥門、帶溫壓補償?shù)捏w積流量計后，接入放散管。此時BOG總管道和BOG加熱器之間的閥門常開。當(dāng)壓力變送器測得的絕對壓力超過0.9 MPa時，開啟BOG加熱器后的閥門，排放BOG至放散管。當(dāng)壓力變送器測得的絕對壓力降至0.6 MPa時，關(guān)閉BOG加熱器后的閥門。儲罐和管道的運行絕對壓力比安全閥開啟絕對壓力低，確保在正常運行時儲罐和管道的安全閥不開啟，使所有BOG都通過BOG總管道(以及上述BOG測量裝置)后放散。每天上午9：00讀取流量計數(shù)據(jù)，從而統(tǒng)計出LNG加氣站的實測日蒸發(fā)量，見表4。

表4 標(biāo)準(zhǔn)三級LNG加氣站實際日蒸發(fā)量和實測日蒸發(fā)量

根據(jù)3月—7月每月平均溫度，采用第3.2節(jié)的方法，可計算出標(biāo)準(zhǔn)三級LNG加氣站相應(yīng)各月的實際日蒸發(fā)量，見表4。對表4中的5個月相應(yīng)數(shù)據(jù)取平均值，可得方案1加氣站的平均實際日蒸發(fā)量為139.63 m3/d，平均實測日蒸發(fā)量為267.89 m3/d；方案2加氣站的平均實際日蒸發(fā)量為178.58 m3/d，平均實測日蒸發(fā)量為285.87 m3/d。

方案1加氣站的實測數(shù)據(jù)比計算數(shù)據(jù)高91.86%，方案2加氣站的實測數(shù)據(jù)比計算數(shù)據(jù)高60.04%?？梢?，實測數(shù)據(jù)比計算數(shù)據(jù)偏高較多。結(jié)合調(diào)研的實際情況，分析認為實測數(shù)據(jù)偏高主要是由于運行工況中的LNG是非靜態(tài)的，在運行中頻繁預(yù)冷，加氣頻率無規(guī)律，車載儲氣瓶的壓力、溫度偏高等原因造成的。

通過對河南省內(nèi)其他標(biāo)準(zhǔn)三級LNG加氣站的調(diào)研，運行工況中BOG排放量比上述兩座實測站的排放量更大，主要原因是部分加氣站管道更長，不同程度的絕熱失效，預(yù)冷頻率更高，儲罐內(nèi)液溫較高導(dǎo)致車載儲氣瓶內(nèi)BOG液化率低。部分LNG加氣站產(chǎn)生的BOG數(shù)量甚至為表4中實測統(tǒng)計值的2倍以上。對于不能滿負荷運行的加氣站，平均每座加氣站的BOG排放量基本超過了350 m3/d。

4 結(jié)論

① 分析LNG加氣站BOG產(chǎn)生的主要因素，為儲罐、設(shè)備及工藝管道與外界的換熱、設(shè)備及工藝管道預(yù)冷、LNG汽車車載儲氣瓶產(chǎn)生的氣體、環(huán)境溫度影響。

② 采用氣體質(zhì)量流量計法，通過測試，得到LNG儲罐、泵橇、加氣機、工藝管道以液氮為介質(zhì)的靜態(tài)蒸發(fā)率，給出測試步驟。

③ 考慮各種傳熱影響因素，推導(dǎo)出介質(zhì)為LNG的靜態(tài)蒸發(fā)率是介質(zhì)為液氮的靜態(tài)蒸發(fā)率的0.66倍。給出了基于介質(zhì)為LNG的靜態(tài)蒸發(fā)率的運行工況下實際日蒸發(fā)量的計算方法。

④ 調(diào)研2座標(biāo)準(zhǔn)三級LNG加氣站，提出實測日蒸發(fā)量的測試方法，并進行實測。2座加氣站的實測日蒸發(fā)量比實際日蒸發(fā)量分別高出91.86%和60.04%。