LNG调峰站BOG直输城市中压管网工艺研究

广州燃气集团有限公司 胡立军

LNG调峰站与常规LNG接收站类似，在运营过程中会产生蒸发气(BOG)，不断产生的 BOG会导致各工艺系统管道压力升高，如不采取适当方式来处理BOG，将会影响LNG调峰站的运营安全。目前，国内LNG接收站经历了十几年的发展，BOG处理工艺技术日趋成熟。在安全平稳地处理 BOG的基础上，研究探讨如何利用BOG的处理工艺方案，尤其是直输进入城市中压管网的工艺，具有十分重要的意义。

1 BOG的产生

LNG调峰站一般分为五大工艺区，包括卸船系统、LNG储存系统、BOG处理系统、LNG/NG外输系统和火炬系统，其中BOG处理系统的目的是为了经济而有效地回收LNG调峰站产生的BOG。BOG的产生主要是由于外界能量的输入而造成，如泵运转、外界热量的传入、大气压的变化、环境的影响及 LNG送入储罐时造成罐内 BOG体积变化等。

2 BOG蒸发量的计算

受LNG调峰站五大工艺区中多种工况的影响，BOG蒸发量的计算也较为复杂。

2.1 基本参数

LNG调峰站BOG蒸发量的计算中需要的基本参数，如表1所示。

表1 BOG基本参数

2.2 自然蒸发量

自然蒸发量主要是受太阳辐射、大气吸热等热量的流入，使LNG储罐和LNG船持续漏热而产生的蒸发量。国内全容式 LNG储罐一般执行国际标准，标准为日蒸发量不超过0.05%。LNG调峰站自然蒸发量M1的计算公式为：

式中：M——自然蒸发量，kg/h；

NT——储罐数量，个；

ρ——LNG密度，kg/m3；

VT——储罐容积，m3。

在正常操作或非操作工况下，外界环境温度高于 LNG调峰站各低温管线内温度，因此调峰站内低压泵、高压泵和开架式气化器等系统内低温管线，以及冷循环保冷的液相低温管线都不同程度上存在漏热现象。LNG调峰站自然蒸发量M2的计算公式为：

式中：L——管道长度，m；

D——管径，mm；

δ——保冷层厚度，mm；

W——工艺管道吸热强度，W/m2；

γ——LNG气化潜热，kJ/kg。

2.3 卸船置换蒸发量

理论上LNG卸船时，液态的LNG进入LNG储罐会同时置换出储罐上部的BOG，两者的体积应该相同。但实际上进入LNG储罐的液态LNG会将储罐上部的部分BOG液化，这种现象与再冷凝器原理类似。此时蒸发量M3的计算公式为：

式中：Qc——卸料速率，m3/h；

Mv——蒸发气摩尔质量，g/mol；

T0——标准状态温度，K；

pT——储罐气相压力，kPa；

TT——储罐气相温度，K；

p0——标准状态压力，kPa。

2.4 卸料及气相返回蒸发量

对于LNG船上的LNG，在卸装时由于和储罐内 LNG温度不同会出现瞬间的闪蒸现象，如图 1所示。可选取船上LNG、储罐进料管道出口和储罐LNG液面的A、B、C三点进行计算。

图1 LNG卸船闪蒸

对A和B点，由热力学第一定律的稳定流动能量方程得：

式中：hA——船上A点的LNG焓，kJ/kg；

hB——储罐进料管道出口B点的LNG焓，kJ/kg；

m0——LNG质量，kg；

q——卸料过程的吸热量，kJ/kg；

wp——船上的泵对单位质量LNG所做的功，kJ/kg；

zB－zA—— A、B两点LNG液面高差，m 。

据此，LNG进入储罐闪蒸产生的BOG量M5的计算公式为：

式中：hC——储罐内C点的LNG焓，kJ/kg；

hB——储罐进料管道出口 B 点的 LNG焓，kJ/kg。

冷凝罐体产生BOG蒸发量M6的计算公式为：

式中：cT——储罐内罐比热容，kJ/kg；

ρ T——储罐内罐密度，kg/m3；

VUT——卸船过程内罐管壁冷却体积，m3；

ΔT——内罐罐壁冷却温差，℃；

t——卸料时间，h。

返回 LNG船的BOG蒸发量M10的计算公式为：

式中：pc——LNG船上气相压力，kPa；

Vc——LNG船容量，m3。

2.5 外输及冷循环蒸发量

若外输和冷循环过程中高压泵对 LNG所做的功全部转化为LNG的能量，随着循环LNG返回储罐，则单台高压泵每小时做功产生返回储罐的BOG蒸发量MHPP的计算公式为：

式中：Fz——LNG高压泵正常输送时的效率，%；

Qz——LNG高压泵正常输送时的流量，m3/h；

Qbl——保冷循环流量，m3/h；

tz——1小时的时间，3 600 s。

实际计算中，Fz通常取LNG高压泵正常输送时的最小效率Fmin，同样，Qz也取其正常输送时的最小流量Qmin。

LNG储罐外输产生的BOG蒸发量M11的计算公式为：

式中：Gws——LNG调峰站正常运行时的外输量，kg/h。

2.6 大气压变化BOG蒸发量

大气压变化对BOG蒸发量的影响有以下两种：一种为外界气压下降，储罐内外的表压增大，压缩机将抽出“增加”的BOG，计算公式为：

式中：Vzf——按空罐计算的由大气压变化每小时产生的BOG体积，m3/h；

dp/dt——气压变化速率，kPa/h。

另一种为罐内表压增加，罐内增发气量随之增加，该闪蒸气量计算公式为：

式中：ps——饱和蒸汽压力，Pa；

S——储罐内罐截面积，m2。

以上式(1)至式(12)仅是对正常情况下 LNG 调峰站 BOG蒸发量进行的估算，一些特殊情况下BOG的蒸发量需要进行专项针对性计算。

3 常用的BOG处理工艺

LNG调峰站BOG处理方法主要有：BOG直接压缩工艺、BOG再冷凝液化工艺、BOG间接热交换再液化工艺和蓄冷式再液化工艺等四种，其中BOG直接压缩工艺和BOG再冷凝液化工艺为目前多用的BOG处理方法。

3.1 BOG直接压缩工艺

BOG直接压缩工艺是指 LNG储罐中产生的BOG通过压缩机直接加压至外输管网所需的压力，以高压天然气进入输气管网供下游客户使用，如图2所示。该工艺适用于外输管网压力较小(2～3 MPa)的LNG接收站。

图2 BOG直接压缩工艺流程

3.2 BOG再冷凝液化工艺

BOG再冷凝器液化工艺中，LNG与BOG在再冷凝器中直接接触混合传热传质，其工艺流程见图3。BOG压缩后从再冷凝器的顶部与接近再冷凝器顶部用来冷凝BOG的一路LNG同时进入再冷凝器内进行直接接触混合，进入再冷凝器的BOG全部被液化，冷凝液与进入再冷凝器下部的 LNG一起经LNG泵加压进入气化器气化输送至高压管网。

图3 再冷凝器液化工艺流程

4 BOG直输中压管网工艺

LNG调峰站采用的BOG处理工艺方案有直接输出中压管网和再冷凝两种，详细工艺流程见图4。

图4 LNG调峰站工艺流程

BOG直接输出中压管网工艺和再冷凝工艺并无本质上的区别，仅在BOG的处理过程中有所不同。直接输出中压管网工艺是将BOG压缩到外输压力后直接送至输气管网。再冷凝工艺是将 BOG压缩到较低的压力(通常为0.7 MPa)后，与从LNG储罐送出的LNG在再冷凝器中混合。由于LNG加压后处于过冷状态，可以使BOG再冷凝，然后经高压输送泵加压后送到气化器气化后外输。最终采用何种工艺方案主要取决于外输管网的要求。以下详细介绍BOG直接输出中压管网工艺。

4.1 BOG直输系统组成

BOG首先经气液分离罐后，流入压缩机进行压缩，压缩后的BOG经过升温、调压、计量后进入中压管网，直接输送给下游用户。BOG直输系统包括城市中压管网、中压外输计量系统、复热系统、BOG压缩机和BOG气液分离罐。

4.1.1 城市中压管网

BOG直输城市中压管网工艺需考虑下游城市中压管网的直径和设计压力的匹配度。中压天然气输出界区压力一般约为0.4 MPa，天然气温度不低于0 ℃，最大输出流量根据BOG处理量和下游需求量等因素确定。

4.1.2 BOG压缩机

首先需综合考虑LNG储罐及LNG运输船的自然蒸发量、低温管线BOG蒸发量、卸船置换BOG蒸发量、LNG储罐卸料 BOG蒸发量及卸料返回LNG船、高低压泵外输及冷循环、大气压变化BOG蒸发量等6个因素来计算BOG压缩机的处理能力，然后再根据外输压力、温度及需求量结合压缩机自身特点综合考虑，从而选择适合的BOG压缩机。

4.1.3 复热系统

复热系统主要是为了满足直输进入城市中压管网的天然气温度不低于0 ℃的要求。来自BOG压缩机出口的压缩BOG，经空温式气化器复热升温后，直接进入中压天然气计量系统后外输至中压管网。复热系统一般包括空温式气化器和电加热器，空温式气化器和电加热器串联安装，并设置温度监视、报警及联锁，压力报警及联锁等装置。

4.1.4 中压计量系统

来自BOG压缩机出口的天然气，经空温式气化器复热后，通过中压计量站计量、调压、加臭后送至中压外输管网。计量站上游设有手动取样口，可离线分析天然气组分、热值等。该系统同时预留BOG热值调整接口，必要时可增加气质调整装置，以满足城市中压燃气管道气质要求。

4.1.5 BOG气液分离罐

来自BOG总管的BOG进入分离罐后，将带有液相的BOG进行气液分离，确保进入BOG压缩机的NG纯度和温度符合压缩机的要求。

4.2 BOG直输适用工况

BOG直输中压管网工艺即BOG直接压缩输入城市的中压管网，其应用的范围其实是有限的。LNG调峰站主要有2种运行工况，即卸船并输出工况和无卸船只输出工况，只有在BOG产生量较少的工况时可以适用BOG直输中压管网工艺。

在卸船并输出工况下操作时所产生的BOG量远远大于无卸船只输出工况下产生的BOG量。卸船时，中压外输管网较难处理全场所有BOG量，此时宜采用再冷凝处理BOG工艺；在无卸船工况下，可优先采用直接输出中压管网工艺或两种工艺结合工艺，是否单独采用直接输出中压管网工艺，需确认下游中压管网的承受能力是否满足条件。以某城市的中压管网为例，用气统计数据为每小时最小用气2 000 m3/h，折合约1.47 t/h，每小时最大用气量16 850 m3/h，折合12.38 t/h。卸船工况条件下，产生的BOG量约为20 t/h，此时，采用再冷凝工艺来处理回收所有BOG量。无卸船工况条件下，BOG量远远小于卸船工况时的量，仅需对下游的中压管网进行协调调度，采用直接外输中压管网工艺来处理回收BOG。为了保证安全，若出现下游中压管网无法接收的情况，也可以启动再冷凝器，采取两种处理工艺结合方式来处理。如果BOG流量持续高于压缩机或再冷凝器的处理能力，储罐和BOG总管的压力将升高。当压力超过压力控制阀的设定值时，过量的BOG将排至火炬燃烧。

5 结语

本文以自然蒸发、卸船置换蒸发、卸料蒸发及BOG返回LNG船、大气压变化BOG蒸发等几种情况下蒸发量的计算方式和BOG的处理工艺流程为基础，分析了LNG调峰站中BOG直接输出中压管网工艺系统的各部分组成及适用工况：当 BOG量较大时，为确保降低能耗和安全，宜采用再冷凝工艺和直接输出中压管网工艺相结合；当中压管网接收能力大于BOG量时，优先采用直接输出中压管网工艺。