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1、液化天然气工厂蒸发气量计算及处理工艺研究廖勇* 白宇恒 钟志良 苏理林 康智 田东民中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川 成都 610041摘要：随着近几年大气环境的恶化，新型汽车燃料液化天然气LNG备受推崇，国家在各地兴建液化天然气工厂。在LNG生产和储存过程中会产生大量的蒸发气BOG，准确计算各工况下的BOG量并制定最优的处理工艺，对降低液化天然气工厂能耗，提高工厂经济效益具有重要影响。结合LNG工厂的工艺流程，采用理论分析和工程实践经验相结合的方法，分析BOG产生的原理，讨论LNG工厂BOG的处理工艺。给出了液化天然气工厂在LNG生产和储存过程中产生的BOG量的系统计算方法，
2、及不同工况下适宜的BOG处理工艺。关键词：液化天然气工厂；蒸发气；计算方法；处理工艺2021.02Study on Calculation Method and process of Boil of Gas in Liquefied Natural GasLiao Yong, Bai Yuheng, Zhong Zhiliang, Su Lilin, Kang Zhi, Tian DongminChina Petroleum Engineering Co.,Ltd. Southwest Company, Chendu, Sichuan, 610017, ChinaAbstract Liquef
3、ied Natural Gas (LNG) as new type of fuel of cars has been widely used due to atmospheric environment issues. So the LNG Plants are under construction in many parts of China. A lots of BOG will be generated from the storage and production of LNG. It has important influence to reduce energy consumpti
4、on and to improve economic efficiency calculating the amount of BOG accurately and using optimal process to recover it. In the paper, applies are theory analysis method and project experience combined with process flow of LNG Plant to analyze generation principle of BOG and to discuss handling proce
5、ss of BOG in LNG Plant. This paper presents a systematic method for calculating the BOG generated from the storage and production of LNG in LNG Plants. Key words: LNG Plant；Boil of Gas；Calculation Method；Handling Process0 引言天然气是一种优质的清洁能源，由于其对环境污染轻微的特点，近年来随着环境质量的问题越来越受到重视，将天然气作为车船动力能源的应用越来越广泛1。鉴于此，各地
6、开始兴建LNG液化工厂，但是天然气液化本钱极高，目前降低LNG工厂的投资本钱成为LNG工厂建设时重点考虑的一个因素2。准确计算并合理处理液化天然气生产、储存过程中产生的BOG是降低LNG工厂生产本钱的重要一环。目前众多学者和从事天然气行业的工程师对LNG接收站运行过程中产生的BOG量的计算及其处理工艺进行了深入的研究。2000年杨晓东等人3对LNG接收站BOG再回收利用的方法进行了定量分析，定性计算，给出了LNG接收站BOG再回收利用方法的使用建议；2006年刘浩等人4运用广义伯努利方程定性分析和定量计算了LNG接收站BOG处理方式的优劣；2021年陈雪等人5对LNG储罐内的BOG进行了动态模
7、拟研究，建立了储罐内流体的计算模型；2021年吕俊等人6对LNG接收站在运行过程中产生的BOG进行了分析并给出了计算方法；2021年付子航7-8先后提出了静态模型和半经验化的BOR动态模型，可更方便、有效地预测LNG储罐内的BOG量；2021年李兵等人9提出了LNG接收站BOG处理工艺的缺乏并对其进行了优化。LNG工厂在生产和储存过程中BOG的产生原理与LNG接收站有相同可借鉴的地方，但是有较大区别。LNG接收站内BOG的处理工艺更不适用于LNG工厂。针对目前LNG工厂BOG量计算及处理工艺研究的欠缺，系统地分析了LNG工厂内BOG产生的原理并给出了计算方法，同时根据LNG工厂的特点，讨论了B
8、OG的处理工艺。1 BOG产生原理分析LNG液化工厂内的工艺流程笼统地分为3大块：一是天然气净化，包括原料气增压、脱硫脱碳和脱水脱汞；二是净化天然气的低温液化，目前国内外常用的天然气液化技术有阶式制冷循环技术、混合冷剂循环技术、膨胀循环技术，天然气液化投资大、能耗高，应根据工厂规模等实际情况综合比拟各制冷技术的优劣而确定采用适宜的制冷工艺；三是LNG低温储存及装车，从天然气液化块输出的LNG压力较高，温度略高于LNG的常压储存饱和温度，经过JT阀节流回收压能并将其转化为冷能使LNG温度进一步降低至常压储存的饱和蒸气压，然后输送至储罐储存，LNG液化工厂生产的LNG一般由LNG槽车运至用户。通过
9、上文LNG液化厂工艺简述可知，以JT阀为界，阀前的工艺过程属于冷量输入过程，而阀后为冷量损失过程，正常生产工况下，引起BOG产生的因素包含： JT阀节流效应； LNG储罐漏热效应； LNG储罐进料置换效应； 大气压变化效应； 管道漏热效应； LNG循环泵热效应； LNG装车泵热效应； LNG槽车来的泄放气； LNG储罐出料置换效应。2 理论计算方法采用物理原理对以上影响因素进行理论分析，结合工程实践，给出适合工程应用的计算方法。2.1 JT阀节流效应焦耳-汤姆逊节流膨是指流体在绝热条件下其始末态分别保持压力恒定的等焓膨胀过程，对真实气体焓是温度和压力的函数，因而当节流膨胀压力降低时，为了维持过
10、程等焓，温度相应变化。工程设计中，应用工艺模拟计算软件是计算节流效应最简便的方法。以HYSYS工艺模拟软件为例，首先根据天然气液化工况创立一股流体，输入物流参数，然后添加一个节流阀，再创立一股节流后的流体，并定义节流后的压力为LNG储罐工作压力，运行软件，即可求得因JT阀节流效应产生的BOG量为。2.2 LNG储罐漏热效应LNG在储罐中以低温微正压状态储存，外部有绝热保冷措施，但不可防止，热量仍以传导、对流、辐射等方式传入罐内，导致局部LNG气化。众多学者对LNG储罐的漏热量从传热机理上进行分析，并给出计算方法7-9，在储罐设计阶段具有指导意义，可保证储罐在最严苛的满罐工况下，LNG储罐的气化
11、率满足国际上通用的要求。国际上对LNG低温储罐气化率的控制要求10。表1.1 LNG低温储罐气化率控制要求 %储罐容量/m350 00010 00050 00010 000气化率LNG储罐漏热效应产生的BOG量可按式1计算： (1)式中：为LNG储罐漏热产生的BOG量，kg/h；为LNG储罐容量，m3；为低温储罐气化率，见表1.1；为储罐内LNG密度，kg/m3。2.3 LNG储罐进料置效应储罐储存压力为微正压，LNG注入储罐，导致罐内LNG液位上升，液面上层空间的BOG气体需及时排出以维持储罐的储存压力，注入LNG的体积即为排出BOG的体积，计算公式为： (2)式中：为LNG储罐进料置换出的
12、BOG，kg/h；为LNG储罐进料速度，m3/h；为LNG储罐内BOG气体的密度，kg/m3。2.4 大气压变化效应LNG低温储罐为非承压储罐，罐顶平安阀、呼吸阀等排气阀门的起跳压力根本接近储罐的操作压力，大气压下降，储罐需排出局部BOG以维持储罐的工作压力。根据GB/T22724-2021，因大气压下降储罐需排出的BOG量可按式3计算： (3)式中：为大气压下降时LNG储罐需排出的BOG，kg/h；为LNG储罐气相空间体积，最大值为储罐容量的80%，m3；为LNG储罐的工作压力，Pa；为大气压的变化率，该数据应根据当地大气压变化情况确定，没有数据时可取2 000 Pa/h；2.5 管道漏热效
13、应 LNG液化工厂内装车系统管道尺寸较大，相当于一个小型储罐，管道的传热面积很大，由管道漏热产生的BOG量不容忽略，可按式4计算： (4)式中：为管道漏热产生的BOG，kg/h；为管道漏热系数，其最大值为25 9；为所有低温管道的总外表积，m2；为管内流体气化潜热，kJ/kg。2.6 LNG循环泵热效应工厂生产的LNG由槽车运至用户，LNG工厂装车只能在白天进行，夜间需启动1台LNG装车泵打循环，使装车设备及管线维持低温，LNG循环流量由单台装车泵的流量确定。LNG循环泵热效应产生的BOG量为： (5)式中：为LNG循环泵热效应产生的BOG量，kg/h；为LNG装车泵电机功率，kW；为LNG气
14、化潜热，kJ/kg。2.7 LNG装车泵热效应装车时装车泵对LNG做功，最终转化为热能被LNG吸收气化，LNG装车泵热效应产生的BOG可按式6计算： (6)式中：为LNG装车泵热效应产生的BOG，kg/h；为LNG装车泵电机功率，kW；为装车泵运行台数；为LNG气化潜热，kJ/kg。2.8 LNG槽车来的泄放气槽车装车前，槽车储罐内充满BOG，平安阀设定压力为0.7 MPa.g，在装车前需将槽车内的BOG排出，使槽车储罐压力泄放至装车压力25 kPa.g。槽车泄放的BOG量可按式7计算： (7)式中：为装车时从LNG槽车来的BOG，kg/h；为槽车容量，m3；为泄压前槽车罐内BOG密度，kg/
15、m3；为泄压后槽车储罐内BOG密度，kg/m3。2.9 LNG储罐出料置换效应装车时从储罐抽出LNG，罐内LNG液位下降，为了维持储罐微正压的操作压力，BOG气体排出量减少。由于LNG储罐出料置换效应减少的BOG排出量可按式8计算： (8)式中：为LNG储罐出料置换效应减少的BOG排出量，kg/h；为装车流量，m3/h；为LNG储罐内BOG气体的密度，kg/m3。由于以上因素产生的BOG量不能简单叠加，应根据不同的运行工况及当地的气候条件，合理确定影响因素，以准确计算相应运行工况下BOG的总量，常见有4种工况。a当地大气压稳定，白天工厂正常运行，BOG的总量应为： (9)b当地大气压稳定，晚上工厂正常运行，BOG的总量应为：
