LNG接收站蒸发气处理系统静态设计计算模型

付子航

中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心

LNG接收站蒸发气处理系统静态设计计算模型

付子航

中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心

BOG(Boil-Off Gas)系统是LNG接收站设计阶段中必须重点考虑的关键问题之一。与大型LNG液化工厂中主要考虑BOG提供燃料气和LNG装船工况下BOG直接通过火炬燃烧情况完全不同,LNG接收站设计中则应结合气化外输压力、最小外输流量等不同项目特点,对于BOG的回收、处理和利用有更多的选择。为此,按照LNG接收站卸船和非卸船两种基本工况划分,对设计阶段保守估算BOG产生量引入完整的静态计算方法,通过实例计算,提出了BOG压缩机的合理配置方案,以期实现技术与经济两方面的优化。该计算方法对于国内自主进行LNG接收站的设计具有参考意义,对于小型LNG卫星站的设计亦有借鉴意义。

LNG 接收站 储罐 BOG 设计 计算 模型

一个典型的LNG接收站包括7大组成部分:LNG卸船系统(含码头、靠泊等)、LNG储罐、LNG气化器、LNG罐内泵和外输泵系统、蒸发气处理系统(Boil-Off Gas,以下简称BOG)、公用工程与安全控制系统、基础设施等[1-3]。其中,BOG系统是与LNG接收站各主要生产单元紧密相关的一个全厂性系统,直接影响到LNG接收站生产运营的安全性、经济性与环境保护,因而成为LNG接收站设计阶段中必须重点考虑的关键问题之一。与大型LNG液化工厂中主要考虑BOG提供燃料气和LNG装船工况下BOG直接通过火炬燃烧情况完全不同[4-6],LNG接收站设计中则应结合气化外输压力、最小外输流量等不同项目特点,按照如下优先顺序考虑BOG的回收、处理和利用:①返回LNG船补气;②返回LNG储罐;③再液化,与LNG一并外输;④压缩,与管道高压气一并外输;⑤燃料气利用(厂区内生活、空调、小型发电等自用);⑥火炬燃烧或直接排空。

1 LNG接收站中BOG处理系统的组成

BOG处理系统通常由以下4部分组成:BOG收集管道系统、BOG回气(至LNG运输船)系统、BOG压缩机和再冷凝器系统。BOG处理系统流程示意图如图1所示:

BOG收集管道系统包括储罐BOG与其他含有LNG容器的管道连接、含有LNG的管道与设备的排气管道连接、LNG槽车和小型LNG运输船装载置换气体的管道连接等。BOG回气(至LN G运输船)系统有时还包括鼓风机或增压压缩机等设备。

图1 LNG接收站BOG处理系统流程示意图注:图中蓝色流程为BOG处理流程

BOG压缩机主要用于再冷凝工艺,即将LNG接收站内产生的BOG压缩后送至再冷凝器冷却为LNG一并外输。BOG压缩机采用低温往复式压缩机或离心式压缩机,可通过逐级调节来实现流量控制,其流量开度由LNG储罐的压力来调节,但最大流量受再冷凝器的能力限制。在自动操作模式下,LNG储罐压力由绝压控制器来控制,该控制器可根据LNG储罐操作压力自动选择压缩机的运行负荷等级。在手动操作模式下,由操作人员根据LNG储罐的操作压力确定压缩机的运行负荷等级。

再冷凝器主要有3个功能:①冷凝BOG;②作为LNG高压输送泵的入口缓冲容器;③再冷凝器内部的液位高度可满足 LN G高压泵入口的气蚀余量(NPSH)值的要求。再冷凝器由上下两部分组成:上部为进料塔,蒸发气和LNG从再冷凝器的顶部进料后,在进料塔中换热,BOG被冷凝液化;下部可作为LNG高压输送泵的缓冲罐。再冷凝器设有流量比例控制系统,根据蒸发气的流量来控制进入再冷凝器的LNG流量,以确保进入高压输送泵的LNG处于过冷状态,同时保证LNG高压输送泵不会产生气蚀现象。

2 LNG接收站中BOG的静态计算模型

LNG接收站中BOG的产生主要来源于以下7个方面[7]:①LNG储罐、设备及循环管线的外界热量输入导致的LNG蒸发气化;②最大卸船(装载)流速下的空间置换(LNG船、槽车与槽船等);③卸船时LNG注入LNG储罐导致的闪蒸;④泵循环产生的热量输入;⑤大气压力变化导致的相平衡变化;⑥BOG减温器中LNG的蒸发气化;⑦LNG储罐内的“翻滚(Roll-over)”。

2.1 外界热量输入(VT)

外界热量输入包括LNG储罐、设备及循环管线等。理论上讲,VT应是正常操作工况下的最高环境温度、LNG储罐满载和最大LNG循环流速下的最大值。通常计算时,LNG储罐气体蒸发率按照常规大型LNG储罐的给定BOG速率考虑,一般而言,LNG储罐满罐的日蒸发率为其质量分数的0.05%～0.06%。循环管线的BOG速率应根据管道尺寸规格和长度分别进行计算。

2.2 流体置换(VL)

对于LNG接收站,流体置换VL主要包括LNG卸船操作期间LNG储罐内气相空间的置换和LNG槽车(槽船等)装载期间LNG储罐内液相空间的负置换。在计算时,通常可以近似使用理想气体方程,或使用HYSYS核算准确的BOG物性参数。

2.3 卸船时LNG注入储罐导致的闪蒸(VF)

卸船操作时,LNG注入LNG接收站储罐将发生闪蒸。闪蒸VF包括LNG船泵做功的热输入、卸料臂和卸船管线的环境热输入、LNG储罐内液位上升不断“冷却”罐壁、两种不同状态LNG的混合以及带压LNG(相平衡状态不同)进入LNG储罐后“膨胀”导致的闪蒸。

一种较为准确的计算方法是分开计算LN G进入LNG储罐发生“膨胀”前后的焓差和“冷却”管壁带来的热输入:

式中 H1为LNG船舱中的LNG质量焓,kJ;H2为LNG船舱泵的热输入,kJ;H3为LNG卸料臂的热输入,kJ;H4为 LNG卸料管线的热输入,kJ;HT为LNG储罐中的LN G质量焓,kJ;L为NG气化潜热, kJ/kg;CIN为 NG储罐内壁的热容,kJ/(kg·K);T0为NG储罐内壁进料前的温度,℃;T1为NG储罐内壁进料后的温度,℃;M为NG储罐内壁的质量,kg;t为船时间,h。

另外一种更加简化的估算方法是假设LNG储罐内的LN G初始处于相平衡状态,则:

式中 F为膨胀前LNG温度比储罐内泡点温度高而导致进罐后发生气化的LNG比例;C为NG热容,kJ/ (kg·K);Tb为N G储罐内压力下的泡点温度,K;Tf为储罐前的LNG温度,K。

2.4 LNG泵打循环产生的热量输入(VR)

即由于泵做功和打循环最后回入LNG储罐的LNG引入热量VR产生的BOG。其计算较为简单,即泵做功和循环产生的热量与LN G的气化潜热之比。

2.5 大气压力变化导致的相平衡变化(VA)

由于大气压力的突然变化,尤其是当LN G储罐内的操作压力较高甚至接近最大操作压力时,外界大气压如果突然降低将会引起LN G储罐内气相空间的膨胀和液相空间的过热蒸发。反之则有可能导致LN G储罐内出现类真空状态。其中,液相空间过热蒸发的情况类似于公式(2)中的 F,故计算方式也基本相同。

当然,对于该液相空间过热蒸发引起的BOG的计算也有其他更加准确的方法。根据H.T.Hasheim关系式[8],可以得出:

式中V为LN G储罐内的气相空间,m3;p为LNG储罐内的操作压力(绝压),Pa;dp/dt为大气压力变化速率,Pa/h;ps为LNG储罐内气液界面的过饱和压力, Pa;VT1为LNG储罐满罐静态蒸发率的一半(即对应于储罐内仅有20%LNG时的液位),kg/h;A为LNG储罐内气液界面面积,m2。

2.6 卸船工况下的回气和外输气体的负置换

在卸船工况下,一部分BOG将返回LNG船以平衡船舱内压力,计算时应减去LN G船自身蒸发产生的BOG量。一般而言,LNG船满舱的日蒸发率为其质量分数的0.13%。而正常气体外输时,即与LNG储罐内外输的LNG对等体积的BOG量减少了。

2.7 LNG储罐内发生“翻滚(Roll-over)”(VB)

由于LNG储罐内发生“翻滚”而产生的BOG量计算较为复杂,通常采用CFD模型或其他特殊的计算工具。VB对于一般设计计算BOG产生量的意义并不明显。但作为估算,根据过去发生的实例和相关试验,有如下大致关系[9]:

3 实例计算

以广东省某LNG接收终端项目为例,相关参数为:LNG沸点温度(常压下)为-162℃;LNG密度(常压下)为424.7 kg/m3;LN G气化潜热(常压下)为514 kJ/kg;蒸发气密度(标态)为0.669 3 kg/m3;BOG操作温度为-140℃;LNG储罐配置为16×104m3(3座);LNG储罐操作压力为18 kPa;LNG船舱操作压力为10 kPa;循环管线最大热输入速率为25 W/ m2;环境大气压力变化速率为5.6 Pa/h;LNG卸船流速为13 200 m3/h;槽车装车流速为600 m3/h;槽车操作压力为100 kPa。计算结果如表1所示。

根据上述计算结果,BOG处理系统对应的最大处理量为20.6 t/h。在考虑BOG压缩机配备时,为了避免不必要的投资增加,提高设备利用效率,仅需配备2台BOG压缩机即可,其中要求单台压缩机处理能力满足非卸船工况下的正常要求,即12.5 t/h,而2台压缩机的总处理能力满足卸船工况下的处理要求。该BOG压缩机配置方式相应决定了LNG接收站运行操作方式。一旦其中1台BOG压缩机发生故障,仍有1台压缩机能够满足正常(非卸船)工况下的需求,仅在卸船工况下发生部分BOG放空,仍是经济合理的。

表1 某LNG接收站BOG产生量静态计算结果表

4 结束语

笔者主要探讨了设计阶段保守估算BOG产生量的完整静态计算方法,并结合工程实例进行了计算,提出了BOG压缩机输量和能力的合理配置方案。该计算方法主要采用静态计算且应用于设计,结果是相当保守的,而在LNG接收终端的生产运营中,BOG的实际产生量会较大程度上小于上述设计量,不设置备用BOG压缩机的配置方式的合理性更加突出。该计算方法对于国内自主进行LNG接收站的设计有重要的参考意义,对于小型LNG卫星站的设计亦有借鉴意义。

[1]KAPLAN AL,YANG C C.Design considerations for an LNG receiving terminal[C]∥paper 84257-MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition,5-8 October 2003,Denver,Colorado.New York:SPE,2003.

[2]付子航.LNG接收站卸料管道专用隧道设计探讨[J].天然气工业,2010,30(1):89-92.

[3]李健胡,萧彤.日本LNG接收站的建设[J].天然气工业, 2010,30(1):109-113.

[4]HUANG S,HARTONO J,PANKAJ S.BOG recovery from long jetties during LNG ship-loading[C]∥15th International Conference&Exhibition on liquefied natural gas. Barcelona:[s.n.],2007.

[5]陈雪,马国光.流程参数对LNG接收终端蒸发气再冷凝工艺流程性能的影响[J].石油与天然气化工,2008,37(2): 100-104.

[6]李佩铭,焦文玲.天然气液化流程模拟中立方型状态方程的计算[J].石油与天然气化工,2007,36(6):444-447.

[7]HASHEMI H T,WESSON H R.Cut LNG storage costs [J].Hydrocarbon Processing,1971,50(8):117-120.

[8]British Standards Institution(BSI).BS EN 1473:2007 Installation and equipment for liquefied natural gas-design of onshore installations[S].London:BSI,2007.

[9]KOYAMA K.CFD simulation on LNG storage tank to improve safety,and reduce cost[M]∥Systems Modelling and Simulation,2007,part 2,part 1,39-43.New York:Springer Japan,2007.

A static-design calculation model of boil-off gas(BOG)handling system of an LNGreceiving terminal

Fu Zihang
(Technical R&D Center,CNOOC Gas&Power Group,Beijing100027,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME 31,ISSUE 1,pp.83-85,1/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The boil-off gas(BOG)handling system is one of the key issues at the design stage of a LNG receiving and re-gasification terminal.Different from such cases that the BOGcan be recovered as a fuel gas in a large-scale LNGplant or that the BOGcan only be vented for faring in loading conditions,the sending-out pressure and the minimal flowing rate,etc.,should be taken into consideration at the design stage of a LNG receiving terminal so that more options will be provided for the recovery,treatment and utilization of BOG.According to two basic conditions of LNG unloading and non-unloading at a terminal,we hereby conservatively calculated the quantity of the possibly produced BOG by introducing an integrative static-design method.Besides,through example calculation,we made a reasonable arrangement proposal for the BOGcompressors so as to realize both technical and economic optimization of a LNG terminal.This calculation method is of great significance in independent designing of LNG terminals and small-scale LNG satellite-stations in China.

LNG,receiving terminal,tank,boil-off gas(BOG),design,calculation,model

付子航,1979年生,高级工程师,硕士;主要从事LNG项目建设和技术研发工作。地址:(100027)北京市朝阳区东三环北路甲2号京信大厦2646室。电话:(010)84522951,13718557712。E-mail:fuzh@cnooc.com.cn

付子航.LNG接收站蒸发气处理系统静态设计计算模型.天然气工业,2011,31(1):83-85.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.01.019

(修改回稿日期 2010-11-13 编辑 何 明)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.01.019

Fu Zihang,engineer,born in 1979,holds an M.Sc.degree,being mainly engaged in the construction and technical researches of LNGprojects.

Add:Room 2837,Jingxin Building,No.Jia 2,North East 3rd Circle Rd.,Chaoyang District,Beijing 100027,P.R.China

Tel:+86-10-8452 2951Mobile:+86-13718557712E-mail:fuzh@cnooc.com.cn