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LNG系统BOG计算
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:
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摘 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:
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
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;ζ为蒸发气产生系数(,0.05%~0.08%)/d;ρLNG为储罐内LNG的密度,kg/m3;Vε为储罐实际储存LNG的体积,m3。
假定ζ=0.08%,ρLNG=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,Vε=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,Vε=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。
1.2LNG进液泵运行产生的BOG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。
1.3容积置换产生的BOG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;ω1、ω2分别为LNG储罐的进出料速度,kg/h;ρLNG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ω1=6230kg/h,LNG正常出料流量为ω2=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。
2BOG气体处理工艺
处理BOG气体的传统方法有4种:
①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];②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;③通过压缩机直接将BOG压缩,达到外输管网所需压力后输出;④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]。
2.1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]。
2.2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]。
2.3两种工艺的能耗比较
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。
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