LNG系统BOG计算

液化天然气 BOG 的计算方法与处理工艺 燃气安全网 2013 06 14 阅读 10585 摘摘 要 要 介绍了液化天然气 BOG BoilOffGas 蒸发气 的产生原因 以及不同条 件下 BOG 量的计算方法 以及直接压缩和再冷凝两种 BOG 处理工艺 利用伯努利方程定量地 对两种处理工艺的能耗进行对比 并进行实例验算 结果表明 在相同工况下 再冷凝工 艺比直接压缩工艺节能 且处理的 BOG 量越大 LNG 储罐储存压力越低 外输管网压力越 高 再冷凝工艺的节能效果越明显 得出结论 再冷凝工艺适合于大型 LNG 接收站处理 BOG 而直接压缩工艺适合于小型 LNG 卫星站处理 BOG 关键词 关键词 液化天然气 BOG 计算方法 处理工艺 直接压缩 再冷凝 最近 10 年 我国沿海一带已建和在建 LNG 接收站达 22 个 LNG 接收站接收由 LNG 船舶从 LNG 产地运输而来的 LNG 并储存于 LNG 大型储罐中 再由 LNG 气化器将 LNG 气 化为气态天然气进入天然气管网 LNG 卫星站作为小型接收站 具有投资成本低 规模小 适合 LNG 槽车运输的优势 可使天然气管网尚未覆盖的地区提前用上天然气 为培育天然 气市场创造了条件 在天然气管网建设完善后 LNG 卫星站又可作为天然气管网调峰和事故 应急的备用气源 1 在卸船或卸车时 LNG 进入储罐导致罐内介质体积变化 同时由于环 境温度及 LNG 进液泵运行等外界能量的输入 罐内产生大量 BOG BoilOffGas 蒸发气 气 体 2 为了保证 LNG 储罐压力在安全范围之内 必须将过量的 BOG 气体处理掉 如何处理 BOG 气体 成为 LNG 接收站或 LNG 卫星站的关键工艺 1 1 BOGBOG 的计算方法的计算方法 2 大连 LNG 接收站拥有 3 台 LNG 立式储罐 容积 16 104m3 最高工作压力 129kPa 以该站为例 进行 LNG 接收站日产生 BOG 的质量计算 山东淄博 LNG 卫星站是我 国最大的 LNG 卫星站 设有 10 个 100m3 立式储罐 最高工作压力 0 5MPa 以该站为例 进行 LNG 卫星站日产生 BOG 的质量计算 1 11 1 外界环境热量侵入产生的外界环境热量侵入产生的 BOGBOG 质量质量 在实际工程中 根据经验值法计算 BOG 的质量 式中 G1 为储罐因外界环境热量侵入产生的 BOG 质量 kg h 为蒸发气产生系 数 0 05 0 08 d LNG 为储罐内 LNG 的密度 kg m3 V 为储罐实际储存 LNG 的体 积 m3 假定 0 08 LNG 445kg m3 充装率 储罐内 LNG 与储罐总容积之比 为 90 对于 LNG 接收站 V 14 4 104m3 则 G1 2136kg h 3 个储罐因环境热量侵入而产 生的 BOG 质量为 153 8t d 对于 LNG 卫星站 V 90m3 则 G1 1 335kg h 10 个储罐因 环境热量侵入而产生的 BOG 质量为 320kg d 1 21 2 LNGLNG 进液泵运行产生的进液泵运行产生的 BOGBOG 质量质量 LNG 进液泵运行产生的 BOG 质量为 式中 G2 为 LNG 进液泵运行时机械能转化为热能而产生的 BOG 质量 kg h P 为 LNG 进液泵的功率 kW h0 为 LNG 的汽化潜热 kJ kg LNG 汽化潜热近似取 440kJ kg 对于 LNG 接收站 大连 LNG 接收站所使用的 LNG 进液泵功率为 82 5kW 则 G2 2025kg h 若每 10d 进液一次 则大连 LNG 接收站因 LNG 进 液泵运行而产生的 BOG 质量为 4 86t d 对于 LNG 卫星站 山东淄博 LNG 卫星站所使用的 LNG 进液泵功率为 2 5kW 则 G2 20 45kg h 若该站一天进液一次 一次进料所需时间为 2 6 3 3h 则因 LNG 进液泵运行而产生的 BOG 质量为 530 670kg d 1 31 3 容积置换产生的容积置换产生的 BOGBOG 质量质量 从罐顶送入 LNG 时 由于容积置换产生的 BOG 质量为 式中 G3 为容积置换时产生的 BOG 质量 kg h 1 2 分别为 LNG 储罐的进出 料速度 kg h LNG 为进料前 BOG 气体的密度 其值取 3 5kg m3 对于 LNG 接收站 LNG 船的正常卸料能力为 1 6230kg h LNG 正常出料流量为 2 200 25kg h 则 LNG 接收站因容积置换而产生的 BOG 质量为 113 8t d 对于 LNG 卫星 站 LNG 储罐的进 出料速度通常为 12 15t h 3 4t h 则 LNG 进料时因容积置换产生 的最大 BOG 质量为 15 3 1000 3 5 445 94kg h 而因 LNG 进料而产生的最大 BOG 质量 为 2440kg d 根据式 1 式 3 的计算结果 在正常情况下 不考虑事故的发生 LNG 接收站 产生的 BOG 量为 1282 3t d LNG 卫星站产生的 BOG 量最大可达 3 43t d 2 2 BOGBOG 气体处理工艺气体处理工艺 处理 BOG 气体的传统方法有 4 种 将储罐内的 BOG 返回至 LNG 船舶或 LNG 槽车 填补卸料时产生的真空 3 通过压缩机将 BOG 压缩至一定压力后 与输出的 LNG 在相同 的压力下直接接触换热 冷凝成 LNG 送出 通过压缩机直接将 BOG 压缩 达到外输管网所 需压力后输出 送火炬燃烧 当 BOG 量过多而使火炬不能承受时 直接排入大气 第 1 种方法虽然过程简单 能量利用最合理 但只有在 LNG 槽车卸车时才能使用 第 4 种方法显然最不合理 既不经济也不利于环境保护 只有在紧急情况下才能使用 第 2 和第 3 种方法均是将 BOG 加工再利用 但中间过程有所不同 需根据具体情况 选择不同 的工艺 4 2 12 1 直接压缩工艺直接压缩工艺 直接压缩工艺流程 图 1 先将 LNG 储罐内的 BOG 通过气液分离罐分离掉液相部 分 再将 BOG 通过压缩机直接压缩到外输管网所需压力后 送入外输管网 5 2 22 2 再冷凝工艺再冷凝工艺 再冷凝工艺流程 图 2 将经气液分离罐分离的 BOG 通过压缩机加压至一定压力 由储罐内的第一级泵输送出相同压力的 LNG 由于 LNG 经泵加压后的压力大于该温度下 LNG 的饱和压力 具有一定的 显冷 性 再冷凝器设有比例控制系统 根据 BOG 的流量控制进 入再冷凝器的 LNG 流量 两者在再冷凝器中直接接触换热 利用 LNG 的 显冷 将大部分 BOG 冷凝 确保进入第二级泵的 LNG 处于过冷态 通过第二级泵加压 经汽化器汽化后送入 外输管网 6 2 32 3 两种工艺的能耗比较两种工艺的能耗比较 直接压缩工艺通过压缩机将 BOG 压缩至管网所需压力 无需再冷凝设备 再冷凝 工艺中 压缩机只需承担直接压缩工艺中的一部分工作 剩余工作由 LNG 高压泵承担 根据伯努利方程 7 单位质量的流体在输送过程中 从泵或压缩机中所获得的 压头可表示为 位能与流动阻力损失相比静压能和动能小很多 均可忽略不计 气体相对于液体 更容易流动 因此单位质量的气体动能值比液体大 即需要从压缩机获得更多动能 由于 同种物质气体密度远远小于液体密度 因此在进出口压力相同的情况下 单位质量气体比 单位质量液体获得的静压能大得多 故在相同工况下 泵压缩液体比压缩机压缩气体的能 耗小得多 因此 再冷凝工艺能耗更低 3 3 应用实例应用实例 采用直接压缩工艺和再冷凝工艺对山东淄博 LNG 卫星站流量为 100kg h 的天然气 进行 BOG 质量验算 在进口温度相同的情况下 分别用压缩机压缩气态天然气 用高压泵 压缩液态天然气 得到其输送功率的对比结果 表 1 1 根据实例 1 8 在相同进出口压力下 高压泵加压液态天然气比压缩机加压 气态天然气所需能耗低 因此 在相同工况下 再冷凝工艺比直接压缩工艺能耗低 且单 位时间内需要处理的 BOG 量越大 再冷凝工艺比直接压缩工艺节省的能耗越大 2 根据实例 1 4 在进出口压力差相同 进口压力不同的情况下 高压泵的能 耗不变 但压缩机的能耗明显随着进口压力的增大而减小 这是由于随着进口压力的变化 液态天然气的密度基本不变 单位质量液体获得的静压能基本不变 但是 随着进口压力变 大 气态天然气的密度显著增大 单位质量气体获得的静压能明显变小 因此 进口压力 越小 即储罐储存压力越小 再冷凝工艺的能耗节省效果越明显 3 根据实例 5 8 在相同的进口压力下 随着出口压力的增大 泵的能耗呈线 性增大 压缩机能耗的增大幅度明显大于泵的增大幅度 因此 随着出口压力的增大 即 外输管网的压力越高 再冷凝工艺的能耗节省效果越明显 4 4 结束语结束语 对于大型 LNG 接收站来说 需要处理的 BOG 量很大 年接收量为 300 104t 的大 连 LNG 接收站日平均 BOG 产生量可达 1280t 且储罐储存压力低 LNG 大型储罐储存压力接 近常压 外输管网压力高 6 10MPa 采用再冷凝工艺相对于直接压缩工艺处理每千克 BOG 可以节约 0 14kWh 的能耗 因此大型 LNG 接收站利用再冷凝工艺处理 BOG 显然是比较 经济的 小型 LNG 卫星站需要处理的 BOG 量并不多 最多仅 3 43t d 其储罐均是压力容器 工作压力可达 0 8 1 0MPa 同时 LNG 卫星站离用户较近 外输管网压力较小 国内最大 规模 LNG 卫星站的压力仅有 1 1 5MPa 小规模的 LNG 卫星站压力只有 0 3 0 5MPa 这些 因素均导致再冷凝工艺的节能效果不明显 处理每千克 BOG 只能节约 0 02kWh 能耗 而且 小型 LNG 卫星站无法为 BOG 的再冷凝提供持续的冷源 因此 对于小型 LNG 卫星站 使用 再冷凝工艺处理 BOG 节省功耗效果不是很明显 在 LNG 产业处于起步阶段的背景下 建议 使用直接压缩工艺来处理 BOG 可以节省再冷凝器设备费用 降低 LNG 卫星站的初投资 参考文献 参考文献 1 刘新领 液化天然气供气站的建设 J 煤气与热力 2002 22 1 35 36 2 刘浩 周永春 LNG 低温储罐压力安全系统设计 J 化工设计 2007 17 1 7 10 3 顾安忠 液化天然气技术 M 北京 机械工业出版社 2003 195 4 MyungWookShin DongilShin SooHyoungChoi etal Optimal operation of the boil off gas compression process u