橇装式液化天然气加气站泄放气体处理及其加热器计算

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(1.上海蓝滨石化设备有限责任公司， 上海 201518；2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730070)

橇装式液化天然气加气站泄放气体处理及其加热器计算

雒淑娟1，2，孙俊胜1，2，刘福录1，2，任永平1，2，张鹏1，2，门建斌1，2，张兵1，2

(1.上海蓝滨石化设备有限责任公司， 上海 201518；2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730070)

液化天然气在储存和运输过程中会产生一定量的泄放气体。对橇装式液化天然气加气站泄放气体的两种处理方法进行了简单介绍。通过比较后得知，泄放气体经过斯特林制冷机再液化后可实现二次利用，也能体现节能减排的要求，同时从不同工况下最大安全泄放量，加热器换热面积和长度，星型翅片管排列方式等方面对泄放气体加热器的设计进行了介绍。

加热器； 液化天然气; 泄放气体; 安全泄放量

液化天然气(liquefied natural gas，简称LNG)主要成分是甲烷，其热值高，充分燃烧后对环境污染小，是地球上最干净的化石能源之一,作为一种新型能源被广泛应用于人们的生活中，世界各国也大力推广使用LNG。LNG不仅适用于城市公交车，而且适用于大型客运货车、长途运输的轮船和车辆等，这些需求促进了LNG加气站的发展[1]。

近年来，我国LNG产业也实现了快速发展，根据加气站设备类型将其划分为橇装式LNG加气站、LNG固定加气站、加气合建站和船用LNG加气站。橇装式LNG加气站是将LNG储罐、泵池、加气机、汽化器及管道等工艺设备集成在集装箱里形成的一种气站，具有运输方便、建站周期短及安装使用方便等优点，在国内得到了普遍应用。

加气站泄放气体( Escape Air Gas，简称EAG)主要来源于LNG储罐上的超压排放，对其排放量国家标准及规范中并没有硬性的规定。笔者出于环保及节能方面考虑，总结出了两种EAG的处理方法及泄放量的计算公式，以供同行借鉴。

1 EAG简介

在工作状态下，LNG与外界进行热交换。LNG储罐内的LNG温度升高，发生气化，增大了LNG储罐的内压力。为了保护LNG储罐正常运转，避免爆炸危险，必须开启阀门排气泄压，由此产生了EAG[2]。

橇装式LNG加气站放空介质基本都属于低温气体，直接排放将有以下4种危害：①气体下沉易与空气形成爆炸混合物，具有爆炸危害。②浪费能源。③破坏大气中的臭氧层，其破坏程度大约为氟利昂的25倍[3]。④引起全球温室效应，其危害程度大约是二氧化碳的20倍[4]。

橇装式LNG加气站EAG的泄放量为LNG储罐及其管线上所有安全阀泄放量的总和，但LNG储罐上安全阀的泄放量最大，在非火灾和绝热层完好且处于正常真空的状态下，体积为60 m3的LNG储罐安全阀的泄放量约为2.0 kg/h。

2 EAG处理方法

2.1传统处理方式——直接排放

对橇装式LNG加气站系统中产生出的EAG，常见的处理方法为直接排放法，即将泄放气体集中到一个管线中经过EAG加热器加热后直接排放到大气环境中，其工艺流程图见图1。

图1 EAG直接排放工艺图

设置EAG加热器的主要目的是，由于泄放气体密度大于空气，直接排放至空气将会向下积聚，与空气混合形成爆炸物，造成爆炸危害。因此，可以对放散气体先进行加热，使其排放温度高于-107 ℃，密度小于空气密度，EAG不再下沉，然后通过阻火器、消音器引入高空放散。

直接排放式的优点是放散气体经加热后直接排放，结构简单，操作方便。缺点是对臭氧层有破坏，会污染环境，浪费能源。

2.2新型处理方式——液化储存法

2.2.1工作原理

LNG加气站的EAG经管路汇集后进入EAG液化装置，经过液化后变为LNG，再通过泵或者自身重力返回到LNG储罐，实现了EAG 的二次回收利用[5]。

EAG液化装置由低温斯特林制冷机、控制系统及管道附件系统这3部分组成[6]。斯特林制冷机是一种以氦气或氢气为工质，在封闭的系统中应用回热原理实现气体制冷循环以获得低温和冷量的制冷设备[7]。

参照文献[8]中提供的斯特林制冷机组成系统，并且将这种斯特林制冷机应用到EAG再液化储存方案中。使用单级制冷机提供所需的制冷量，使EAG温度降至-196 ℃变为液态，再通过低温潜液泵输送到LNG储罐进行储存，从而实现二次利用。

2.2.2工作流程

将EAG收集到EAG缓冲罐中。当缓冲罐的压力达到一定数值时，系统自动打开阀门，启动斯特林制冷机，将EAG进行液化后，通过低温潜液泵输送并储存至LNG储罐内,也可输入加气站LNG储罐或直接给汽车加液[9]。

LNG 加气站EAG回收再液化系统工艺流程示意图见图2，LNG槽车残液回收系统工艺流程示意图见图3。

LNG槽车体积大约为50 m3。槽车在加气站卸液后，槽车仍保留0.3～0.4 MPa的压力，还有80～150 kg的LNG残液可回收。

2.3两种方法对比

采用液化储存法的优点是实现了EAG的零排放,减少了对大气的污染,节约能源，缺点是工艺较复杂，投资回收周期较长。

图2 EAG再液化工艺流程示图

图3 LNG槽车残液回收系统示图

目前，市场上最常见的是在EAG排放口设置EAG加热器。但是讨论EAG加热器计算的资料甚少，笔者根据自己的设计经验提出了一种设计计算方法，供读者参考。

3 EAG加热器设计计算

常见的EAG加热器是由铝合金材质的8星型翅片管通过集合管连接而成，利用空气的自然对流作为热源，星型翅片管及EAG加热器主要结构示意图见图4、图5，图中，L1为单根翅片管的长度，a为星型翅片管翅片高度，b为星型翅片管翅片厚度，d0为光管外径，m。

图4 星型翅片管示图

图5 EAG加热器结构简图

此EAG加热器优点：①没有额外的动力和能源消耗，性能稳定，维护简单。②翅片间采用可拆式连接，内应力小。③结构紧凑，排列均匀，占地面积小。④高效节能，翅片间距大，通风条件好，化霜迅速，换热效率高。

EAG加热器设计步骤：①计算加气站的最大安全泄放量Ws。②计算EAG加热器需要提供的换热面积A，确定星型翅片管的总长度L0(L0=NL1,其中，N为星型翅片管的数量)。③根据星型翅片管长度和空间位置的特殊要求，确定EAG加热器星型翅片管的排列方式。

3.1最大安全泄放量Ws计算

根据GB 150.1～150.4—2011《压力容器》[9]、GB/T 18442.6—2011《固定式真空绝热深冷压力容器 第6部分：安全防护》[10]、TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》[11]，笔者总结出LNG储罐在以下两种工况时的最大安全泄放量的计算。

LNG储罐结构示意图见图6，其中L内为LNG储罐内壳总长，L外为LNG储罐外壳总长，D0为LNG储罐内壳与外壳内径的平均值，Di内为LNG储罐内壳内径，Di外为LNG储罐外壳内径，m。

图6 LNG储罐结构尺寸示图

3.1.1工况一

对介质为易爆液化气体或者位于有可能发生火灾环境下工作的非易爆液化气体容器，有完整的绝热保温层时，在火灾条件下保温层不被破坏。此工况下盛装LNG储罐最大安全泄放量的计算公式如下：

(1)

其中

Ar=πD0(L+0.3D0)

L=L外-(L外-L内)/2

D0=(Di外+Di内)/2

式中，Ws1为标准状态下LNG储罐的安全泄放量(体积流量)，m3/h；t为泄放压力下介质的饱和温度，℃；λ为常温下绝热材料导热系数，W/(m·K)；Ar为LNG储罐的受热面积，m2；δ为LNG储罐的保温层厚度，m；q为在泄放压力下液体的汽化潜热，kJ/kg；L为LNG储罐外壳总长减去罐体中轴线处两端夹层厚度的平均值。

3.1.2工况二

在非火灾和绝热层完好且处于正常真空状态工况下，盛装LNG储罐的最大安全泄放量计算公式如下：

Ws2=5.1Φi/q

(2)

其中

Φi=Φ1+Φ2+Φ3

式中，Ws2为标准状况下容器的安全泄放量，m3/h；Φi为由热壁传入冷壁的漏热量总和，Φ1为通过储罐绝热材料传入的热流量，Φ2为通过内容器支撑件传入的热流量，Φ3为通过真空夹层管道传入的热流量，W。Φi、Φ2、Φ3的计算见GB/T 18442.6—2011附录A 中的A.1.1。

3.1.3Ws取值

LNG储罐的最大安全泄放量介于两种工作工况之间，在进行设备安全阀选型时应按照最苛刻条件考虑，一般取Ws=Ws1。

EAG加热器的处理量和安全阀的泄放量一致，其最大处理量可近似等于安全阀的最大泄放量。

3.2EAG加热器换热面积A、长度L0计算[12-15]

根据文献[12]可知EAG加热器长度L0为：

(3)

根据文献[13]可知：

(4)

其中

Q=cpρWs(t2-t1)

式中，n为翅片圆周数量；A为EAG加热器换热面积，m2；ρ为标准状况下液化天然气的密度，可取ρ=0.71 kg/m3； Δtm为进出口的对数平均温差，K；K为EAG加热器传热系数，W/(m2·K)；cp为比定压热容，kJ/(kg·K)；t1为EAG加热器进口温度，t2为EAG加热器出口温度，t为环境温度，K。

3.3示例参数及结果

60 m3LNG储罐内壳的设计温度-196 ℃，设计压力1.44 MPa，规格(内径×厚度×长度)2 500 mm×8 mm×12 660 mm，材质为S30408；外壳的设计温度50 ℃，设计压力-0.1 MPa，规格(内径×厚度×长度)3 000 mm×10 m×13 560 mm，材质为Q345R。泄放压力为1.42 MPa时，介质饱和温度t=-15 ℃，汽化潜热q=380 kJ/kg。采用真空粉末绝热，保温层厚度δ=0.24 m，导热系数λ=0.030 W/(m· K)。

计算过程：①将L=13 110 mm、D0=2 750 mm、Ar=120 m2带入式(1)得Ws1=140 m3/h。②选择处理量Ws=150 m3/h的空温式加热器1台，取加热器进口温度t1=135 K,出口温度t2=253 K,环境温度t=293 K。根据文献[11]可计算K，一般取铝制EAG加热器的传热系数K=7 W/(m2·K)、将cp=2.506 kJ/(kg·K)、n=8、d0=0.002 8 m、a=0.002 m、b=0.086 m带入式(3)、式(4)得Q=8 748 W、Δtm=86 K、A=15 m2、L0=10 m。③取L1=2 m， 计算出N=L0/L1=5。

4 结语

目前市场上应用最广泛的泄放气处理方法是直接排放，但不符合节能减排要求。笔者建议采用EAG经过斯特林制冷机再液化的方法实现二次利用，能够更好地解决资源浪费和安全环保的问题。液化储存工艺可有效减少能源浪费和经济损失，解决天然气排放造成的噪声污染和环境污染，消除天然气排放时带来的安全隐患。

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(许编)

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，甘肃天水人，助理工程师，学士，主要从事从事压力容器设计工作。