LNG加气站BOG动态模拟研究

2019-02-10 03:27邱明刚
安全、健康和环境 2019年12期
关键词:气瓶储罐工况

张 英,邱明刚,刘 勇

(1.中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室,山东青岛 266071 2.吉化集团有限公司包装制品厂,吉林吉林 132021)

近些年,随着天然气行业的发展,LNG加气站得到了快速的发展,目前已建成LNG加气站2 000余座。由于LNG存储温度低(-160 ℃左右),在存储过程中会造成大量的LNG气化,产生一定数量的LNG蒸气,即BOG气体。为了避免设备储罐超压,需要将BOG放空泄压。这既带来安全隐患,也造成了极大的经济损失和环境污染。

国内对油库和加油站油气回收开展了诸多研究和应用[1,2],而针对LNG加气站BOG的产生原因和回收处理技术还处在基础研究阶段。杜彦[3]、魏红梅[4]等分别通过静态传热理论计算LNG加气站内各个环节BOG的产生量;杜彦[3]利用matlab对LNG加气站储罐内压力和温度的变化进行了模拟计算。鲍磊[5]等对比了LNG加气站BOG多项回收处理工艺,提出了LNG加气站“零排放”的技术;祝铁军[6]、吴晓南[7]、杨国柱[8]、焦纪强[9]、廖晓梦[10]等从大冷量低温制冷机、BOG压缩液化、利用液氮等不同的工艺开展了BOG的再液化回收研究。对上述学者的研究分析不难发现,LNG加气站BOG回收的关键是BOG量的准确计算和把握。本文利用HYSYS软件构建了LNG加气站BOG动态模型,对BOG生成过程进行了分析研究。

1 动态模型构建与基本参数

根据LNG加气站工艺流程和设备,进行LNG加气站BOG动态模型的搭建。模型包括储罐、分离罐、泵、阀门、管路等多个设备模块;流程包括LNG存储、加液、卸车、预冷等。

为便于计算,假设LNG组分全部为甲烷,主要参数如表1所示。

表1 LNG加气站LNG基本参数

2 模拟计算结果

2.1 存储流程

LNG加气站储罐一般分为卧式罐和立式罐两类,储罐容量从30 m3到60 m3不等,本文以常见的60 m3卧式储罐LNG加气站作为研究对象。

目前LNG加气站常见的LNG储罐多采用多层绝热真空或者珍珠岩保温绝热技术,其日蒸发率要求小于0.3%,本文以日蒸发率0.3%为例进行模拟计算,同时考虑LNG储罐绝热效果变差情况,取日蒸发率为0.5%。假设LNG储罐在存储过程中没有物料的进出,且热量全部来自储罐漏热。储罐的基本参数,如表2所示。

表2 60 m3LNG储罐基本参数

一般当LNG储罐压力达到1 000 kPa左右会泄压,避免造成压力过高破坏储罐,定义LNG储罐无损存储时间,即LNG储罐压力在升至泄压压力(1 000 kPa)前的时间。

对于日蒸发率为0.5%的储罐,随着存储时间的增加,其LNG储罐内的温度和压力均随之增加,如图1所示。对于日蒸发率为0.3%的LNG储罐,其储罐内压力和温度的变化规律与前述一致,两种不同蒸发率下LNG储罐内的压力变化如图2所示,具体压力变化数值见表3。由图2可以看出,对于绝热效果好的LNG储罐,其无损存储时间也长。

图1 日蒸发率0.5%的LNG储罐压力温度变化

图2 不同日蒸发率下LNG储罐压力变化

由表3可以看出,对于日蒸发率为0.3%的LNG储罐,LNG储罐压力升高平均值为8.8 kPa/d,无损存储时间为718 h,而对于日蒸发率为0.5%的LNG储罐,其LNG储罐压力升高平均值为21 kPa/d,无损存储时间为316 h。

表3 不同日蒸发率下LNG储罐压力随时间变化值

2.2 加液流程

在加液过程中,主要有两部分BOG,一是在加液前,需要将汽车气瓶内的高压BOG返回至LNG储罐,进而降低气瓶压力,便于充装;另一部分是在充装的过程中,随着液位的不断提高,气瓶内气相空间逐渐减小,压力逐渐提高,部分BOG通过气相返回管线返回至LNG储罐。

气瓶加液的全过程为:①气瓶连接加气枪后,首先打开气瓶回气阀,气相返回LNG储罐,直至压力降至800 kPa左右(操作时间约3 min);②打开加气枪进行加液至液位达到90%(操作时间约2 min),停止加液。具体参数设置如表4所示。

表5为加液过程(包括加液前回气和加液回气过程)中,LNG储罐和LNG气瓶的状态参数变化情况。由表5可以看出,在加液过程中,加液前回气是影响BOG的主要因素,加液过程回气对于LNG储罐压力上升影响较小,可以忽略不计。

为了衡量多次加液过程对LNG储罐的影响,模拟了连续5次加液过程对LNG储罐的压力和温度变化情况,如表6所示。

表4 加液流程基本参数

表5 加液过程LNG储罐和气瓶参数变化

表6 不同加液次数下LNG储罐参数变化

由表6可以看出,经过5次加液过程,LNG储罐压力由262.7 kPa上升到264.2 kPa,压力上升1.5 kPa,上升幅度为0.57%,平均每次加液导致储罐压力上升0.11%左右。

2.3 加液频率分析

根据对LNG加气站的调研分析,影响LNG加气站BOG产量跟加液的频繁程度有较大关系。本文模拟研究两种典型加液频率工况,即加液频繁(一天内,1次大循环和100次连续加液,即每天加液8 t左右)和加液不频繁(一天内,每2小时加液1次,即每2小时1次大循环和1次加液,每天加液1 t左右)的工况。

2.3.1加液不频繁工况

对于加液不频繁的LNG加气站,LNG储罐压力温度变化情况如表7所示。

表7 加液不频繁的LNG加气站

由表7可以看出,对于加液不频繁站场,单日内LNG储罐压力变化较小,为了研究储罐压力变化情况,进一步模拟分析了连续15天加液情况,结果如表8和图3所示。

由表8和图3可以看出,随着时间的延长,储罐内压力和温度均呈现出一定的上升,且上升的速率越来越快。

表8 加液不频繁的LNG加气站

图3 加液不频繁工况下LNG

2.3.2加液频繁工况

LNG加气站储罐初始状态如2.3.1所述。加液100次后LNG加气站储罐压力温度如表9和图4所示。对于一天加液100次左右的LNG加气站,大约2天左右卸液一次。

由表9和图4可以看出,对于加液频繁的LNG加气站,加液100次同样会引起压力和温度的上升,其中压力上升23 kPa,上升幅度为4.3%,温度上升0.8 ℃,上升幅度为0.58%,对于加液频繁和卸液频繁的LNG加气站,一般不存在压力的放空等问题。

表9 加液频繁工况下LNG加气站储罐

图4 加液频繁工况下LNG储罐温度压力随加液次数的变化

2.3.3加液频率对储罐压力影响

对比不同加液频率对LNG储罐压力升高变化,如图5、图6所示。从中可以看出,每天加液100次时,LNG储罐压力变化值较小;而每天加液12次时,LNG储罐压力变化值较大,且随着时间的推移,LNG储罐压力升高速率增快。由此可见,加液频率对LNG储罐压力变化影响巨大。

图5 加液频繁工况下LNG储罐压力升高值

图6 加液不频繁工况下LNG储罐压力升高值

3 结论

本文利用HYSYS软件针对典型LNG加气站构建了BOG动态模型,分析了LNG储罐绝热性能、加液工况以及加液频率等对LNG储罐压力的影响情况。得到如下结论:

a) LNG储罐的绝热效果对BOG量有较大的影响,需要定期检测LNG储罐和管线的绝热性能。

b) 加液过程中,影响BOG生成的主要是加液前的回气过程。

c) 加液频繁的站场,BOG量要远小于加液不频繁的站场,可以与相关加液车辆/单位协调加液时间,以减少BOG产生。

猜你喜欢
气瓶储罐工况
大型LNG储罐设计计算关键技术
大型LNG储罐珍珠岩在线填充技术实践
热网异常工况的辨识
变工况下离心泵性能研究
基于地震响应分析的大型LNG全容式储罐储罐基础方案设计
不同工况下喷水推进泵内流性能研究
基于非负矩阵分解的高速列车走行部工况识别
《压缩气体气瓶充装规定》解读
Worthington公司宣布推出全回收复合材料气瓶
一生清廉
—— 储罐