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摘要
在LNG接收站的设计过程中，蒸发气（BOG）量的准确计算将直接影响接收站的安全平稳运行。本文采用传统的静态计算方法，利用HYSYS软件对接收站的工艺流程进行模拟分析，发现站内蒸发气量受外部环境漏热、大气压力变化及卸船工况的影响较大；船舱压力和储罐压力对BOG闪蒸量有较大影响，卸料时可适当降低船舱压力或提高储罐压力，有利于船舱返气和减少BOG闪蒸量；LNG中轻组分含量越高，储罐BOG蒸发量越高。
关键字：LNG接收站；蒸发气量；静态计算。
引言
接收站在日常运行中会产生大量的BOG，BOG产生量的准确计算和影响因素的分析是接收站内蒸发气处理系统、火炬系统、储罐安全阀、BOG放空管线等重要工艺管线和设备设计选型的基础，对接收站的安全运行具有重大意义[1]。目前国内外关于蒸发气量的计算方法主要分为动态计算方法和静态计算方法，动态计算方法主要是基于接收站实际运行中的相关参数，经过相应的数据处理后得到经验化的计算模型[2]，以此来对BOG量进行预测；静态计算方法[3]则是通过分析BOG产生原因，利用热及物料平衡原理进行计算，并给出具体的计算公式。以下将采用静态计算方法，根据蒸发气来源的不同，利用HYSYS软件对BOG的产生量进行模拟计算，并在此基础上对BOG产生量的影响因素进行分析。
1.LNG接收站工艺
LNG接收站的主要工艺流程是通过卸料臂将船上的LNG输送至储罐，再经过低压泵加压将罐内的LNG输至蒸发气处理系统，最后经高压泵增压至汽化器气化至外输管网[4]。在接收站的卸料、存储及外输过程中会产生大量的蒸发气，为了储罐的安全平稳运行，需及时的回收处理蒸发气，以免带来安全隐患。目前接收站常用的蒸发气处理工艺分为再冷凝和直接压缩外输两种方式[5]：再冷凝工艺主要是利用低压泵加压后LNG的冷量将BOG再液化，此方式受LNG外输量的影响较大；直接压缩外输工艺则是利用压缩机将蒸发气增压后直接输送至周边低压天然气用户，该方式还需借助空温式汽化器气化LNG以满足天然气用户的用气需求。
2.蒸发气量的计算
蒸发气量计算过程涉及的工况复杂，主要包括以下几个方面[3]：（1）漏热，包括LNG储罐、LNG 船舱（卸料时）、设备及循环管线的热量传递导致LNG蒸发形成的BOG；（2）装卸载时的体积置换，包括LNG船、槽车等；（3）大气压变化导致产生BOG；（4）卸船时由于压力差船上LNG进入储罐发生闪蒸。本文将利用HYSYS软件对接收站工艺流程进行模拟计算，根据接收站的不同运行工况以搭建不同的模型，得到正确的BOG量模拟计算结果，计算蒸发气量的相关参数如表1所示，接收站的工艺流程图如图1所示。
表1 BOG计算中的基本参数
图1 接收站工艺流程图
2.1储罐日蒸发量
储罐作为接收站存储LNG的容器，其正常的操作压力范围是15~25kPa左右，压力过高或过低均会影响储罐的安全运行。在日常的存储过程中，由于与外界环境不断的热交换，罐内LNG自然蒸发会产生大量的蒸发气。对全包容罐的隔热设计，储罐日蒸发率一般采取全罐净容积的0.05%（纯甲烷），储罐每小时自然蒸发气量计算公式如下：
其中，表示管线外径，mm；表示管线保冷层厚度，mm；表示管线长度，m；表示站内管线漏热系数，W/m2；是储罐内LNG的气化潜热，kJ/kg。
2.3船舱返气量
接收站在卸料时，LNG船由于体积置换，船舱气相空间压力不断降低，需将站内部分BOG气体通过气相返管臂返回船舱，以维持船舱内的压力平衡。下面将通过HYSYS软件模拟计算船舱返气量，其流程如图2所示。图中，物流31是船舱气相空间每小时新增的BOG量，物流ship vap是LNG船的BOG自然蒸发量，物流27是站内返回船舱的BOG量。为维持船舱压力稳定，主要是使返气量和船上BOG蒸发量的体积流量与卸料量相等即可。由于站内返回气的气体状态与船舱气相空间状态不一致，为此需引入2个adjust调节模块：ADJ-1、ADJ-2，ADJ-2主要是调节返回气压力与船舱压力一致，ADJ-1则是通过迭代计算模拟返回气的流量，最终模拟出船舱返回气的流量为17.79t/h。
其中，为船上LNG进入储罐时的焓值，kj/kg；为罐内饱和LNG的焓值，kj/kg。利用HYSYS软件模拟得到卸船时BOG闪蒸量为4148kg/h。
2.5大气压变化导致的BOG产生量
储罐内压力变化时，一般通过调节BOG压缩机负荷来控制储罐内的压力，而压缩机一般是采用表压控制方式，因此大气压变化将引起储罐气相空间增加或减少。假如储罐的压力处于最大操作压力，大气压的降低会发生储罐气相空间膨胀而引起蒸发气排放，类似的，大气压的增大会使储罐气相空间减少。大气压变化产生的蒸发气量的计算公式如下：
其中，为过热LNG提供的总热量，kJ/h；为平均比热容，kJ/(kgK)；为船舱LNG进入储罐的温度，℃；为储罐内操作压力下LNG的泡点温度，℃。
图3表明，船舱压力不变，随着储罐压力升高，BOG闪蒸量减少；储罐压力不变，随着船舱压力升高，BOG闪蒸量增多。根据图4分析可得，随着储罐压力升高，罐内LNG的泡点温度越高，由公式可知，船上LNG与罐内LNG的温差越小，BOG产生量越少；随着船舱压力升高，船上LNG进入储罐的温度越高，即相当于船上LNG的过热度提高，船上LNG由过热态变为饱和状态时释放的热量增多，产生的BOG增多。
图4 LNG泡点-露点图
3.2 LNG组分变化对BOG量的影响
接收站在运行过程中接收存储的LNG气源并不是一成不变的，本文选取了3种LNG气源进行模拟计算，组分1为贫液，组分3为富液，组分2的气质组成和物性介于组分1和组分3之间。模拟计算结果如表2所示。
表2 LNG贫液及富液的模拟结果
表2表明，LNG中甲烷及氮气的沸点较低，储罐与外界热交换时，甲烷和氮气更易挥发进入气相空间，随着LNG中轻组分含量增多，将导致储罐BOG蒸发量增多。
4.结论
利用HYSYS软件建立接收站工艺流程图并进行模拟分析，得到以下结论：
（1）本文利用HYSYS软件进行静态模拟，计算了接收站在不同工况下的BOG产生量，发现站内蒸发气量受外部环境漏热、大气压力变化及卸船工况的影响较大。因此，在接收站的设计过程中应充分考虑站内保冷设计及气候因素的影响。
（2）卸料时，船舱压力和储罐压力对BOG闪蒸量有较大影响，可适当降低船舱压力并提高储罐压力，有利于船舱返气和减少BOG闪蒸量。
（3）LNG中轻组分含量越高，储罐BOG蒸发量越高。接收站在日常运行中需根据LNG来源的差异适当调整BOG压缩机的负荷，以维持储罐安全运行。
参考文献
[1] 康正凌,孙新征.LNG接收站蒸发气量计算方法[J].油气储运,2011,30(9): 663-666.
[2] 付子航.LNG接收站蒸发气处理动态设计计算模型.天然气工业,2011, 31(6):85-88.
[3] 付子航. LNG接收站蒸发气处理静态设计计算模型. 天然气工业,2011, 31(1): 83-85.
[4] 陈行水，LNG接收站再冷凝工艺模型与动态优化[D]. 华南理工大学硕士学位论文，2012.6.
[5]刘浩，金国强.LNG接收站BOG气体处理工艺.化工设计,2006,16(1):13-16.
论文作者:黄峰 周亚洲
论文发表刊物:《科技新时代》2019年6期
论文发表时间:2019/8/15
标签：接收站论文; 船舱论文; 储罐论文; 压力论文; 气量论文; 卸料论文; 闪蒸论文; 《科技新时代》2019年6期论文;