LNG储罐内BOG气体的再液化

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1、LNG 储罐内 BOG 气体的再液化摘要：随着我国经济的迅速发展，能源消费量不断增长，与此同时生态环境不 堪重负。在这种形势下，清洁、优质、高效的天然气能源正日益受到重视，大 力发展天然气已成为世界各国改善环境和保持经济可持续发展的最佳选择。针 对我国能源现状及其未来发展趋势，中国政府正制定向以天然气为代表的安全、 清洁、高效的能源结构转换的战略目标。液化天然气(LNG)储罐是液化天然气运 输和储存必不可少的储气容器,近年来LNG储罐的研制在向大容量方向发展。大 型的LNG储罐是在常压低温(-162。C)下对天然气进行储存。但鉴于LNG特殊的 理化特性，它在常温下极易汽化。任何的 LNG 在储

2、存过程中，都不可避免地因 漏热而使部分 LNG 蒸发为天然气 BOG(Boil Off Gas)。 BOG 的产生会使得储罐 内压力升高，过高的压力会破坏储罐的结构，对其维护系统造成危险。因此当 储罐内的压力过高时，安全阀就会打开，将 BOG 直接排入大气中，但如此又造 成直接的经济损失。如果任其排入空气中，不但危险，在经济上也很不合算。 因此，结合储罐储存的安全性和经济性考虑，如何有效利用 BOG 成为液化天然 储罐大型化、高效化的关键。在分析国内外 BOG 再液化的技术上，从热力学角度出发，以降低流程功耗 和提高 BOG 再液化率为目标，对 LNG 储罐 BOG 再液化工艺流程模拟与优化进

3、行 详细的研究。首先，介绍LNG储罐BOG再液化系统的原理，并对其经济性和环 保性进行分析;再根据国外已在使用的LNG储罐BOG再液化流程进行优化改进， 设计出新的再液化流程。关键词：LNG储罐；BOG再液化系统；工艺流程目录第一章 绪论31.1 研究背景 31.2 研究意义31.3 再液化系统的国内外研究现状4第二章 液化天然气储存设备 62.1 天然气在能源结构中的发展现状 62.2 LNG 储罐的发展82.3 LNG 全容罐的特点9第三章 LNG储罐BOG再液化103.1 BOG 直接压缩工艺103.2 LNG 储罐 BOG 再液化原理113.3 .1 LNG 储罐 BOG 再液化工艺流

4、程123.3.2 LNG 储罐 BOG 再液化工艺流程选择原则123.3. 3 现有的LNG储罐BOG再液化工艺流程133.3.4优化后的LNG储罐BOG再液化工艺流程14第四章 LNG 储罐 BOG 相关物性参数154.1 LNG储罐蒸发率及再液化系统的BOG处理量154.2 LNG 储罐充装率154.3 LNG 储罐蒸发率154.4再液化系统的BOG处理量计算16结论及展望16参考文献错误！未定义书签。第一章 绪论1.1 研究背景随着经济的发展，世界各国对能源的需求越来越大，石油和煤炭资源日益 不能满足人们的需要。并且随着人们环保意识的提高，清洁环保且储量巨大的 天然气资源越来越成为各国能

5、源战略的新宠，在各国的能源消费中，液化天然 气(LNG)的消耗量和消费比例日益增长。随着LNG贸易量急速增长，作为其 专门储存设备的 LNG 储罐，就必须提高容积、充装效率以满足需求。但鉴于 LNG 特殊的理化特性，它在常温下极易汽化。任何的LNG储罐在储存过程中，即使 在储罐绝热性能很好的情况下，LNG都不可避免地部分蒸发为天然气BOG(Boil Off Gas)。 BOG 的产生会使得储罐压力升高，随着外界的热量不断通过储罐壁 传入，LNG的温度会升高，加剧了 LNG的蒸发率，在LNG表面形成的蒸发气层 的压力也急剧增大。一般LNG储罐的设计压力都小于环境温度下的液体蒸气压 力，过高的压力

6、会破坏储罐的结构，对其维护系统造成危险。因此当储罐内的 压力过高时，安全阀就会打开，将BOG直接排入大气中，但如此又造成直接的 经济损失1。1.2 研究意义随着我国国民经济的飞速发展，对天然气的需求量与日俱增，现有的产量 己经不能满足市场需求，每年必须进口大量LNG。由于以液态来贮存和运输天然 气具有很高的经济性、灵活性等优点，所以 LNG 储罐在世界天然气市场起着举 足轻重的作用。 LNG 储罐是指将液化的天然气进行储存的设备，其技术含量高、 设计和制造难度都很大。在常压下，天然气的液化温度为-162C，液化后体积 为原来的1/600左右，这就提供了长期储存的经济可行性，世界上LNG储存技

7、术已经发展的较为成熟2。随着LNG国际贸易量的快速增长，LNG储罐的单罐容量已经提高到了 25万 m3。但是鉴于LNG特殊的理化特性，它在常温下极易汽化，即使在储罐绝热性能 很好的条件下，也不可避免地导致储罐内的 LNG 蒸发汽化，从而形成蒸发气。 对于大型的 LNG 储罐，需要对 BOG 进行处理，也即通过装设某种形式的再液化 设备将超压的蒸发气重新冷凝液化后再回流到储罐中。它的研究进展直接关系 到储罐营运的经济性。目前，大部分的LNG储罐中的BOG用于民用供气。但是距离消费市场远的 LNG接受站的BOG只能直接排放到大气，如此并不能体现LNG的环保经济性。 随着技术的进步，更加有效的BOG

8、利用方案被纷纷提出，其中就有BOG再液化 系统。该系统主要是将 LNG 储罐中 BOG 重新冷凝液化后再送回储罐内，以保证 储罐内货物的温度、压力处在合适的范围内。因此现在的LNG储罐建造商都在 研究在LNG储罐上配置BOG再液化系统，并且已经有少数LNG储罐已经配置了 再液化系统。但是，现在的再液化装置在能量利用和操作方面还存在一些不足， 比如能量消耗过大等，这在能源日益紧张的今天是不可取的。因此对LNG储罐 的BOG再液化工艺进行优化对于降低工艺能耗，改善操作具有重要意义3, 41.3 再液化系统的国内外研究现状由于低温LNG储罐受外界环境热量的侵入，LNG罐内液下泵运行时部分机械 能转化

9、为热能，都会使罐内LNG气化产生BOG气体。为了维持LNG储罐恒定的压 力(1017) kPa (G),必须不断排出BOG气体。此外，外部LNG从罐顶送入(比如 LNG船卸料时)产生的容积置换，也要求排出BOG气体，以维持罐压。如何处理BOG 气体成为 LNG 接收站工艺的重要组成部分。从能量利用合理性角度定性分析 , BOG 气体处理的优先顺序如下:(1) 将储罐BOG气体返回LNG船,填补舱罐卸料产生的真空。(2) 与输出的LNG直接换热，将BOG再冷凝成LNG送出。(3) 直接压缩到外送输气管道压力送出。(4) 送火炬或者排入大气目前，距离消费市场远的大型LNG接收站和储配站BOG用不完

10、，只好排放 到大气中，不仅非常不经济，而且造成环境污染及增加排放易燃易爆 BOG 的不 安全因素。在这样的背景下，更加有效的BOG利用方案被纷纷提出。早在20世 纪7080年代就有专家提出BOG再液化系统。该系统主要是将LNG储罐中BOG 重新冷凝液化后再送回LNG储罐内，以保证LNG储罐内LNG的温度、压力处在 合适的范围内。因此在LNG储罐上配置BOG再液化系统能够有效地解决BOG的 处理问题。目前，世界上已有不少公司在开展 LNG 储罐 BOG 再液化系统的研究，为将 来 BOG 再液化系统用于 LNG 实储罐作了技术上的储备，在这些公司中，具有代 表性的公司有：（1）、挪威 Hamwo

11、rthyKSE 公司 MOSSRST-MLNGReliquefaetionSystem 该工艺系统为部分再液化装置，非凝性气体在分离罐中被去除，其优点在 于系统冗余度高，在航行过程中可以减少 LNG 中的氮气含量，需要空间少，当 液货泵运行时可停止本系统，从而不需要额外增加供电容量。（2）、法国 CRYOSTAR 公司开发的 EcoRelRel-iquefactionPlan 该系统基于布雷顿循环理论，以氮气作冷却介质，包括三级氮气压缩机、 一个单级膨胀机和逆流换热器，BOG压缩机为两级压缩机。本系统的优点在于： 需要空间小，环保性好，全部再液化，可靠性和安全性好。这是迄今世界上最先进的两套船

12、装再冷凝工艺系统，其中在 2006 年，挪 威的 Moss 型再液化装置被安装在 6 艘当时最大的 LNG 船上5。在我国， LNG 储罐中的 BOG 再液化技术并不成熟，目前只处于理论阶段，并没有自主设计、制造LNG储罐用BOG再液化系统的能力。因此加快LNG储罐 的BOG再液化技术研究，对于提高我国在世界LNG储罐制造领域的竞争力具有 重要意义。第二章 液化天然气储存设备2.1 天然气在能源结构中的发展现状石油天然气是当前人类社会最重要的一次能源之一，在世界能源消费结构中占据重要地位。据统计，2012年全球一次能源消费量为124.8 X 108t油当量， 相比2011 年增长1.8%。从能

13、源消费结构看，石油、天然气、煤等化石能源仍然 是当前世界最主要的能源。其中，石油消费量占全球一次能源消费量的33%、天 然气占24%、煤炭占30%数据来源于BP公司BP世界能源统计回顾2013。2012年我国的一次能源消费总量为27.35X 108 t油当量，其中煤炭、石油 和天然气占主体。据统计，煤炭消费量为18.73X 108 1油当量，约占68%；石油 消费量为4.84X 108 t,占18% ；天然气消费量为143 8 X 108m 3 （约合1.30X108 t油当量），占4.8%。上述3种化石能源的消费量约占我国一次能源消费总量的 91%，但从其各自消费量看，煤炭仍是我国能源消费的

14、主体，天然气占我国一次 能源消费总量的比例并不高，与国际天然气平均消费量占比（24%）相比，差距 较大。从全球天然气生产状况与消费情况看，全球天然气产量与消费量基本持平。 2012年全球生产天然气3.36X1012m3,消费量为3.31 X 1012m3。目前，全球天 然气生产具有很强的不均衡性，美国、俄罗斯、伊朗、卡塔尔、加拿大、挪威、 中国、沙特阿拉伯、阿尔及利亚和印度尼西亚这10个天然气产量排名前十位 的国家，2012年天然气产量合计为2.23X1012m3,约占全球天然气总产量的 66.4%。2012年中国年产气量为1072X 108m3，位居全球第七位。全球天然气工业还有进一步发展的

15、资源基础。根据美国联邦地质调查（USGS） 对世界常规油气资源的评价，全球有剩余常规石油（含天然气液）技术可采资 源量2550 X 108 t,剩余常规天然气技术可采资源量462 X 1012m 3根据USGS 的定义，剩余技术可采资源量包括剩余可采储量、待发现技术可采资源量、 储量增长。全球非常规天然气资源丰富，未来勘探开发潜力大，根据USGS的评 价，全球非常规天然气（煤层气、致密气、页岩气）剩余技术可采资源量合计 为328X 1012m3 （图1）,其中亚太地区占39.5%。田1令球聘常规天膳气剧余技术町采资灣卓区歩汙布囲注I散也來池门 ustrS.suLaFdECDlfiitfl； r

16、ife來insn能源需求已成为全球普遍关注的热点。近年来，有多个机构和组织开展了 能源发展趋势预测，其中最具代表性的预测当属国际能源组织（IEA）。据IEA 的预测，在各国积极控制能源需求与严格的能源政策指导下，预计到2035 年前 后，全球一次能源需求总量将达到172X 108 t油当量，年均增长1.2%。其中， 化石能源（石油、天然气、煤）仍然将处于主导地位，约占能源消费总量的 75%， 可再生能源的地位将会逐步提高，预计可占能源消费总量的25%左右。根据IE A的预测结果，2020年全球天然气产量将达到3.94X10123, 2035年将达到 4.96X 1012ms 6 o为了改变能源结构、改善环境状态，中国政府十分重视天然气的开发和利 用。我国从 20 世纪