摘 要

摘　要：介紹LNG蒸發(fā)氣(BOG)的產(chǎn)生原因以及BOG量的計(jì)算公式，探討了常用的BOG處理方法(放空或點(diǎn)燃、直接壓縮后送入管網(wǎng)、返補(bǔ)真空、充填隔熱層、再液化)的工藝流程和適用條件。

摘　要：介紹LNG蒸發(fā)氣(BOG)的產(chǎn)生原因以及BOG量的計(jì)算公式，探討了常用的BOG處理方法(放空或點(diǎn)燃、直接壓縮后送入管網(wǎng)、返補(bǔ)真空、充填隔熱層、再液化)的工藝流程和適用條件。

關(guān)鍵詞：液化天然氣；  BOG；  回收；  冷能；  再液化

Pressent Situation and Progress of LNG BOG Recovery Technology

Abstract：The reasons for LNG BOG generation and the calculation formula of BOG are introduced．The process flow and application conditions of the common methods of BOG processing，including venting or ignition，direct compression to pipe nelwork，vacuum back to fill LNG carrier．filling thermal insulation layer and reliquefaction are discussed．

Keywords：LNG；BOG；recovery；cold energy；reliquefaction

 

LNG在生產(chǎn)及運(yùn)輸過(guò)程中，對(duì)溫度的要求相當(dāng)苛刻，常壓下其儲(chǔ)存溫度為-162℃。因此，環(huán)境熱量的流入、裝卸船過(guò)程中的體積置換、閃蒸以及大氣壓力的急劇降低等因素，導(dǎo)致相當(dāng)部分的液化天然氣氣化。這部分蒸發(fā)氣(BOG)會(huì)引起罐內(nèi)壓力升高，進(jìn)而引發(fā)事故，需要及時(shí)引出處理。

1　LNG蒸發(fā)量(BOG量)的確定

LNG蒸發(fā)量的確定是設(shè)備選型及壓力控制的前提，特別是對(duì)BOG回收的核心設(shè)備BOG壓縮機(jī)的選擇及再冷凝工藝中再冷凝器的氣液比確定有直接影響。正常情況下LNG蒸發(fā)氣主要來(lái)自3方面：熱量的流入，裝卸船過(guò)程中的體積置換和閃蒸，溫差、壓差的變化^[1-3]。

①熱量的流入

流入的熱量主要包括環(huán)境熱量和LNG泵機(jī)械能轉(zhuǎn)化的熱量^[4]。

a．吸收環(huán)境熱量產(chǎn)生的BOG量

外部環(huán)境向儲(chǔ)罐內(nèi)不斷傳遞熱量，儲(chǔ)罐內(nèi)LNG吸收熱量后氣化，產(chǎn)生大量的BOG氣體，這部分熱量會(huì)隨著季節(jié)、晝夜、太陽(yáng)輻射等因素的不同而不同。通常為了安全，選擇一年中溫度最高的夏季一晝夜的平均吸熱量作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，采用公式(1)計(jì)算BOG量：

qm,1＝F/r 　　　　   (1)

式中qm,1——從環(huán)境正常吸熱產(chǎn)生的BOG量，kg/h

F中——LNG高液位(滿液位的80％)下，夏季一晝夜從環(huán)境的正常平均吸熱量，kJ／h

r——LNG的氣化潛熱，kJ／kg

b．吸收LNG泵機(jī)械能轉(zhuǎn)化熱量產(chǎn)生的BOG量

LNG泵在工作過(guò)程中會(huì)消耗電能，其中一部分電能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能被LNG吸收，由此產(chǎn)生的BOG量計(jì)算公式見(jiàn)式(2)：

qm,2＝3600l(P/r) 　　   (2)

式中qm,2——吸收LNG泵電能轉(zhuǎn)化的熱量產(chǎn)生的BOG量，kg／h

l——散熱系數(shù)

P——LNG泵的額定功率，kW

c．由于熱量流入產(chǎn)生的總BOG量

由于熱量流入產(chǎn)生的總BOG量計(jì)算式為：

qm,1-2＝(Q+3600lP)/r 　   (3)

式中qm,1-2——由于熱量流入產(chǎn)生的總BOG量，kg／h

②大氣壓力下降

LNG儲(chǔ)罐一般都裝有自動(dòng)泄壓裝置。通過(guò)壓力表測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)的壓力，將數(shù)據(jù)反饋給控制單元，當(dāng)壓力超過(guò)一定值時(shí)自動(dòng)泄壓以維持儲(chǔ)罐的穩(wěn)定運(yùn)行。由于外界大氣壓力降低，在絕對(duì)壓力一定的情況下，壓力表測(cè)量的表壓偏高，致使泄壓，罐內(nèi)由于壓力降低又引起氣液界面LNG過(guò)熱而氣化。由于大氣壓力下降而引起的這部分BOG量可用以下公式進(jìn)行估算^[5]：

 

式中qm,3——由于大氣壓力下降產(chǎn)生的BOG量，kg／h

qm,G——氣壓下降直接排空的BOG量，kg／h

qm,L——LNG液面過(guò)熱產(chǎn)生的BOG量，kg／h

V——儲(chǔ)罐的氣相空間體積，m³

rNG——泄放時(shí)天然氣的密度，kg／m³

pmin——外界大氣壓變化時(shí)段內(nèi)的大氣壓最低壓力，Pa

Dpmax——外界大氣壓變化時(shí)段內(nèi)大氣壓的最大變化率，Pa／h

qm,x——低液位(滿液位的20％)下從環(huán)境吸熱產(chǎn)生的BOG量，kg／h

p1——外界大氣壓變化時(shí)段內(nèi)1h內(nèi)的大氣壓最大變化量，Pa

p2——滿液位下對(duì)應(yīng)的氣液界面壓力，Pa

AL——氣液界面面積，m²

③體積置換

體積置換指的是隨著LNG來(lái)液的增加，儲(chǔ)罐中的空間被LNG所填充，使得氣相空間縮小，為維持儲(chǔ)罐的微正壓，部分BOG被擠出儲(chǔ)罐。依據(jù)其定義，體積置換產(chǎn)生的BOG量可用公式(5)進(jìn)行計(jì)算^[4]：

 

式中qm,4——體積置換產(chǎn)生的BOG量，kg／h

qm,load——LNG儲(chǔ)罐的最大卸裝質(zhì)量流量，kg／h

rLNG——LNG的密度，kg／m³

④LNG卸裝時(shí)的閃蒸

對(duì)于LNG船上的LNG，在卸裝時(shí)由于和儲(chǔ)罐內(nèi)LNG溫度不同會(huì)出現(xiàn)瞬間的閃蒸現(xiàn)象。由于閃蒸而產(chǎn)生的BOG量采用公式(6)進(jìn)行估算^[5]：

 

式中c——LNG的比熱容，kJ／(kg·K)

t2——罐壓下的泡點(diǎn)溫度，℃

t1——進(jìn)料LNG的溫度，℃

以上僅對(duì)正常情況下LNG的蒸發(fā)量進(jìn)行了一定程度地估算，對(duì)于一些特殊情況下BOG量的估算請(qǐng)參照相關(guān)文獻(xiàn)。

2　常用BOG的處理方法和適用條件

正常情況下，儲(chǔ)罐的日蒸發(fā)量(質(zhì)量比)大約在0.03％～0.08％左右，對(duì)于大型儲(chǔ)罐來(lái)說(shuō)，這已相當(dāng)可觀，對(duì)其進(jìn)行回收可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。目前，BOG回收包括二方面內(nèi)容，一是對(duì)LNG氣化產(chǎn)生的天然氣進(jìn)行回收，二是對(duì)BOG攜帶的冷量進(jìn)行回收。

2.1　直接放空或點(diǎn)燃

為保證生產(chǎn)及運(yùn)輸?shù)陌踩?，最常用?/span>BOG處理方法是將這部分氣體放空或送入火炬點(diǎn)燃，以維持儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力。嚴(yán)格地說(shuō)，被放空和點(diǎn)燃的氣體已不屬于BOG回收的范疇，但隨著技術(shù)的發(fā)展，這種處理方式已不再是單純的放空和點(diǎn)燃。放空的BOG具有一定的壓力和冷能，可以將其引出，作為制冷介質(zhì)，或經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后用作動(dòng)能載體，點(diǎn)燃后也可以用來(lái)聯(lián)合發(fā)電、供暖等。最常見(jiàn)的是在LNG船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸過(guò)程中，BOG作為燃料，帶動(dòng)動(dòng)力設(shè)備驅(qū)動(dòng)LNG船航行^[6]。但總體來(lái)說(shuō)，這種方法對(duì)能量的利用率低，浪費(fèi)了大量天然氣資源，也污染了環(huán)境。而且由于有些系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)度依賴BOG，容易導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，此外，氣體的排空也會(huì)對(duì)周?chē)斐梢欢ǖ陌踩[患。

2.2　直接壓縮送入輸氣管網(wǎng)

直接壓縮送入輸氣管網(wǎng)的工藝流程見(jiàn)圖1^[7]。BOG氣體進(jìn)入分離器分離掉夾帶的液體后，經(jīng)過(guò)BOG壓縮機(jī)多級(jí)壓縮，直接送入輸氣管網(wǎng)，供用戶使用。在氣量不足時(shí)可使LNG通過(guò)氣化器進(jìn)行氣化，送入輸氣管網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充。

 

該工藝流程簡(jiǎn)單，設(shè)備少，可以節(jié)約造價(jià)，因此，在實(shí)際中被較多采用，比如日本大阪瓦斯和東京瓦斯公司等的LNG接收站的BOG處理就是采用了這種方法^[8]。但是這種方法能耗大，受下游用氣量影響較大，適應(yīng)性不強(qiáng)，而且BOG所攜帶的大量冷能消耗于壓縮機(jī)的壓縮過(guò)程，未得到利用，造成了浪費(fèi)。

2.3　返補(bǔ)真空

LNG船在向儲(chǔ)罐卸裝液體時(shí)，由于液體流出而產(chǎn)生真空，增加了液體卸裝的阻力，極大地增加了耗能，甚至使LNG船上的液體無(wú)法完全卸入罐內(nèi)。因此，LNG接收站接收LNG時(shí)，需要及時(shí)填補(bǔ)LNG船艙由于液體流出所形成的真空。如采用其他氣體返補(bǔ)真空，既會(huì)引入新的雜質(zhì)，又會(huì)造成熱量大量流入，加速LNG氣化。而LNG儲(chǔ)罐中產(chǎn)生的BOG溫度大約在-140～150℃，將BOG通過(guò)氣體返回線流回船艙填補(bǔ)真空，可以很好地避免上述問(wèn)題。同時(shí)在BOG返回船艙時(shí)，船艙內(nèi)大量LNG提供的冷量使得BOG重新液化，在一定程度上回收了BOG^[7]。BOG返補(bǔ)真空工藝流程見(jiàn)圖2。

 

該方法雖然能夠在一定程度上對(duì)BOG進(jìn)行回收，但在BOG量比較大的情況下顯然不能夠滿足處理的需求，無(wú)法獨(dú)立使用。而且這種方法只有在LNG船卸料時(shí)才能平衡掉一部分氣體，限制了其應(yīng)用范圍。

2.4　代替氮?dú)獬涮罡魺釋?span lang="EN-US">

LNG儲(chǔ)存于低溫儲(chǔ)罐內(nèi)，對(duì)隔熱的要求較高，大容量的儲(chǔ)罐大多采用普通堆積型隔熱結(jié)構(gòu)。為防止外界空氣中的水分進(jìn)入隔熱層而冷凝，通常向隔熱層內(nèi)充裝N2使其維持正壓，因此LNG的生產(chǎn)和儲(chǔ)存過(guò)程大多配有制氮設(shè)備，大大增加了運(yùn)行成本^[9]。

BOG氣體需要及時(shí)排出以維持儲(chǔ)罐的微正壓，一個(gè)辦法是使用BOG代替氮?dú)獬涮罡魺釋?。利?/span>BOG充填絕熱層只需在原儲(chǔ)罐基礎(chǔ)上稍加改造就可實(shí)現(xiàn)，投資很少，可以省去制氮設(shè)備，經(jīng)濟(jì)高效，且熱量流入時(shí)首先會(huì)被低溫的BOG氣體吸收，儲(chǔ)罐的隔熱效果更好。俞樹(shù)榮、席家福^[10]在這方面進(jìn)行了探索和論證，并對(duì)BOG充填隔熱層進(jìn)行了傳熱分析，給出了具體的計(jì)算，提出了BOG代替氮?dú)獬涮罡魺釋拥墓に嚵鞒?/span>(見(jiàn)圖3)。但是，充填隔熱層用量對(duì)于大型儲(chǔ)罐的日產(chǎn)BOG量來(lái)說(shuō)比較小，并不能從真正意義上減少BOG的排放。

 

2.5　再液化

再液化工藝系統(tǒng)主要由BOG壓縮機(jī)、再冷凝器、蒸發(fā)氣管道系統(tǒng)等組成^[11]。將BOG引出后，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)增壓，進(jìn)而由再冷凝器冷卻，將BOG重新液化為LNG返回儲(chǔ)罐或氣化后送入管網(wǎng)外輸。根據(jù)再冷凝器的冷源不同，再液化可以分為二類(lèi)^[12]，一類(lèi)是依靠外部制冷介質(zhì)提供冷量，最常用的為液氮；另一類(lèi)是由儲(chǔ)罐內(nèi)的部分LNG提供冷量。

①外部制冷介質(zhì)制冷

再冷凝過(guò)程中，采用外部制冷介質(zhì)(如液氮)提供冷量使BOG液化為LNG的工藝流程見(jiàn)圖4，液氮和丙烷是兩種比較常見(jiàn)的制冷劑^[13-14]。

 

儲(chǔ)罐內(nèi)的BOG經(jīng)過(guò)分離器分離后進(jìn)入BOG壓縮機(jī)增壓，增壓后的氣體通過(guò)再冷凝器吸收液氮放出的冷量液化為LNG，繼而送回儲(chǔ)罐或外輸。白改玲等^[15-16]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，使得BOG的回收方法更具實(shí)用性。成都深冷公司^[17]針對(duì)具體的加氣過(guò)程，提出了具有BOG回收功能的LNG無(wú)泵加氣方法。

②儲(chǔ)罐內(nèi)部分LNG制冷

利用儲(chǔ)罐內(nèi)部分LNG制冷的再冷凝工藝流程見(jiàn)圖5。

 

由圖5可知，相比于外部制冷劑制冷的BOG回收流程，其最大不同在于再冷凝器中BOG液化的冷量來(lái)自于儲(chǔ)罐中的部分LNG。由于這種方法不依靠外部制冷，節(jié)約了配套投資，其應(yīng)用更加廣泛^[18-21]。

③蓄冷式再液化

為了克服LNG夜間外輸量小導(dǎo)致所提供的冷量不足以將BOG再液化的問(wèn)題，在以上基礎(chǔ)上發(fā)展了蓄冷式再液化工藝，流程見(jiàn)圖6。

 

蓄冷式再液化工藝在LNG外輸供氣時(shí)，通過(guò)蓄冷劑與LNG進(jìn)行冷量交換，將冷量?jī)?chǔ)存下來(lái)。白天用氣量較多，LNG可以提供足夠多冷量將BOG液化，剩余的冷量則被儲(chǔ)存。晚上用氣量較少，LNG流出也較少，冷量不足以使BOG完全液化。此時(shí)，通過(guò)蓄冷劑冷卻BOG彌補(bǔ)冷量的不足。

該工藝雖然具有較大的優(yōu)勢(shì)，但投資較高，操作較為困難，未來(lái)對(duì)這方面進(jìn)行研究仍然具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

④再液化工藝比較

無(wú)論是采用部分LNG提供冷量，還是利用外部冷源提供冷量，再液化工藝都存在以下無(wú)法克服的缺點(diǎn)^{[2，22-24]}：

a．管網(wǎng)輸氣負(fù)荷波動(dòng)時(shí)操作較為困難。

b．再液化后的氣體返回儲(chǔ)罐時(shí)，容易產(chǎn)生二次閃蒸，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的負(fù)荷。

c．BOG壓縮機(jī)及泵的選型及采購(gòu)比較困難。

d．采用部分LNG提供冷量的再冷凝過(guò)程，對(duì)于進(jìn)入再冷凝器的BOG和LNG的氣液比有嚴(yán)格的要求，控制起來(lái)較為困難。

一般在實(shí)踐中，將液化工藝與返補(bǔ)真空等BOG處理方式相結(jié)合，取其優(yōu)點(diǎn)，圖7為工程實(shí)踐中最常用的80G回收流程^[17]。

 

總的來(lái)說(shuō)，再液化工藝比其他工藝具有較大的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)BOG的零排放；比直接壓縮工藝節(jié)約30％～60％的成本費(fèi)用^[25]。因此，絕大多數(shù)LNG接收站都采用再冷凝工藝對(duì)BOG進(jìn)行回收^[26]。

3　結(jié)語(yǔ)

對(duì)LNG生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的BOG進(jìn)行處理，不僅可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，還能起到節(jié)能減排作用。正常情況下BOG的產(chǎn)生主要源于熱量的流入、大氣壓力的急劇下降、裝卸船過(guò)程中的體積置換和閃蒸四個(gè)方面，其中熱量流入是BOG產(chǎn)生的最主要原因。通常對(duì)BOG的回收包括兩方面：冷能回收和天然氣回收，處理方式主要有再冷凝、直接壓縮、返補(bǔ)真空、代替氮?dú)獬涮罡魺釋?、燃燒等五種。其中返補(bǔ)真空、代替氮?dú)獬涮罡魺釋佣N方式由于處理量小，一般不單獨(dú)使用；燃燒對(duì)環(huán)境的影響較大，資源利用率低，很少被采用；直接壓縮和再冷凝工藝是實(shí)踐中回收BOG的兩種主要方法。但由于再冷凝工藝的能耗比直接壓縮減少30％～60％，因此在實(shí)踐中更具優(yōu)勢(shì)；然而，再冷凝工藝同樣存在著一些無(wú)法克服的缺點(diǎn)，如壓縮機(jī)選型、氣液比控制困難等。隨著LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的重視，相信各種新技術(shù)將會(huì)在BOG回收上大有可為。

 

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本文作者：李景武  余益松  王榮  李輝

作者單位：中海浙江寧波液化天然氣有限公司

  常州大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

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