液化天然气接收站BOG的处理方法及分析

(整期优先)网络出版时间:2022-01-17
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液化天然气接收站 BOG的处理方法及分析

王天怡

国家管网集团海南天然气有限公司 570100

摘要:为探究LNG接收站BOG处理方式的原理,对几种常见的BOG处理方式进行了总结,分析了再冷凝法、加压外输法、压缩为CNG三种方式的原理、优缺点和适用条件,并通过软件模拟了接收站的BOG再冷凝处理工艺,对模拟流程进行了简要分析,得出了冷凝一定量BOG所需的最小LNG流量。


关键词:LNG;BOG;再冷凝;软件模拟


1 BOG产生的原因

1.1储存容器内的自然蒸发

①温度和压力

假设储罐保冷性良好,则储罐内的温度和压力将在较小范围内波动。标准大气压下,液化天然气沸腾温度的范围为-166℃至-157℃。作为指导性数据,在压力为1×105Pa至2×105Pa之间时,气相压力每降低1×103Pa,1m3LNG蒸发约0.4kg气体。所以理论上,在一定压力范围内,BOG的生成量随压力的降低而增加。

②组分

假设储罐内温度和压力在很小的范围波动,BOG生成速率与LNG的组份(LNG的甲烷含量大于75%,氮含量小于5%)有关。由于甲烷的沸点高于氮气,甲烷会比氮气后蒸发,蒸发出的甲烷将由BOG处理系统回收,在大气压下甲烷的液化温度比氮气高,而再冷凝时氮气会比甲烷后液化,气相中的氮不断累计,引起BOG总量增加。

1.2容器和设备漏热

LNG储罐一般为双层结构设计,内外层之间抽成真空或充填干燥的惰性气体,并填充隔热材料,然而,在储存和输送时,由于材料的保冷性能、外界温度、光照的变化,且由于储罐内外环境的巨大温度差,储罐内部与外界不断发生热传导,罐内LNG吸热蒸发汽化。外界温度、光照变化等外部因素是通过改变传热温差影响储罐系统的漏热量,同时考虑光照的影响,当环境温度的波动范围为0~40℃,系统中BOG量的波动小于30%。相较外界因素,储罐材料的保冷性能较影响BOG的产生。

1.3 LNG吸收卸料装置的热量产生BOG

在卸料期间,LNG蒸发的原因为:①操作时LNG不断与卸料臂发生热传导,温度上升,流回到储罐导致罐内LNG温度升高;②用于预冷的BOG吸收卸料臂的热量,又回到储罐系统,改变储罐内气相的温度。减少卸料作业时BOG的生成量,有缩短卸料时间、调整卸料臂的预冷速度和设备压力、改变卸料操作方式等。

2 LNG接收站BOG的处理方式

2.1再冷凝

①再冷凝的原理

再冷凝是将过冷的LNG对经过增压的BOG进行热交换,在再冷凝器中使BOG冷凝,由高压泵加压气化外输。BOG再冷凝系统一般由BOG收集系统、回气系统、BOG压缩机和再冷凝器组成。首先用液下泵对储罐中的LNG加压,同时用BOG压缩机对BOG增压。如图1所示,加压后的过冷LNG将分为两部分,流进再冷凝器的一部分与压缩后的BOG进行混合换热,经冷凝后与流经旁通的另一部分混合,增压后汽化外输。如果液化天然气的量不够,则无法实现BOG的冷凝,所以再冷凝工艺适用于天然气外输量大、外输管道压力高的大型场站,该工艺利用LNG本身的冷能,能耗较低,是目前全世界大型接收站主要采用的BOG处理方式。

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②再冷凝器

再冷凝过程中,再冷凝器为主要部分。再冷凝器是一种直接接触的换热设备,直接接触换热具有传热系数高、不易腐蚀设备、结构简单、投资小等优点。其基本原理是加压后的BOG经过气体分布器,在静态混合器中与过冷的LNG完全接触,经冷凝后排出。固定在管道中的静态混合装置可改变管道中流体的流态,实现BOG和过冷的LNG完全接触并冷凝。BOG的流速不能过大,否则将无法维持内部液位和出口压力的平稳。BOG再冷凝器的主要结构为气体分布器和静态混合器。气体分布器与BOG管道连接,为多孔介质构成。BOG经过气体分布器时,微孔通道将使气泡尺寸减小,数量增加,液体的紊流程度提高。静态混合器有无机械搅拌、连续生产、无污染、分散性好、混合好等优点。20世纪60年代,美国的凯尼斯公司首先将其应用于实际生产。

单壳单罐式再冷凝器分为填料段和缓冲段,目前较为常见。如图2所示,LNG从N1流进再冷凝器,增压后的BOG从N2进入,LNG经分布器均匀分配,与填料中的BOG混合,发生传热冷凝,冷凝后的LNG经缓冲段从N3流出,与流经旁通的LNG混合进入高压泵。中石油江苏LNG项目采用单壳单罐式再冷凝器。

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③再冷凝的工艺控制

过冷的LNG将BOG由气相冷凝为液相,只需对进入再冷凝器的气液流量比进行控制,同时保持进出口物料平衡,就能保证再冷凝器运行稳定。控制进入再冷凝器的气液比,可分别通过控制内部液位高度、流入的BOG量和液体上方的气相压力实现,控制进出口物料平衡可通过控制出口压力和流入的气液比实现。

2.2加压外输

若天然气外输量减小,难以满足BOG冷凝时,可将BOG直接加压外输。将储罐内的大部分BOG通过配套管道直接外输,不经过再冷凝器,不消耗LNG的冷能。一般将一台高压压缩机安装在BOG压缩机的出口处,将BOG加压至天然气外输管道相同压力后直接输送。加压外输处理工艺对压缩机能耗较大,一般与再冷凝法结合使用。也可将BOG经过加热并加压至低压外输管道压力,直接通过低压外输管道输送。低压外输管道不接入高压天然气管网,直接输送至客户,具有方便、节能等优点,但要求LNG接收站周围有长期、稳定的用户企业。由于BOG的生成量不稳定,低压外输要求场站内有配套的储气设施。目前常见的BOG储气罐有球形罐和地下储气束管两种形式。中石化青岛LNG项目是国内第一个实现BOG低压外输的项目。该项目采用地上BOG储罐,将再冷凝未液化的BOG经低压管道输送给周边的客户。

2.3压缩为CNG

有的LNG接收站在设计时设有压缩天然气(CNG)处理流程,可用加热装置将BOG升至常温,经过缓冲罐,通过压缩机加压为CNG,由CNG槽车外运。CNG压缩机的开启和关闭一般根据储罐压力来控制,罐内压力增加时,开启压缩机,同时开启CNG充装设备;罐内压力下降,则关闭压缩机,同时关闭CNG充装设备。相比其他BOG处理方式,CNG处理工艺受生产条件限制较小,更加灵活,且通过槽车外运,销售市场更广,但只能应用于具有CNG处理及充装工艺的大型LNG场站,且需同时考虑BOG生成量的波动性。中海油粤东LNG项目在投产时外输管道尚未建成,将BOG压缩为CNG后装车外运,在外输管道建成后,实现了管道天然气和CNG的同时销售。


结语:

LNG接收站的BOG处理方式正呈多样化、合理化的发展趋势。对于大型接收站,BOG再冷凝工艺能有效回收大部分BOG气体,同时其他处理方式也越来越多地得到应用。本文的研究对LNG接收站BOG处理系统的设计、施工和生产运行具有一定的参考意义。


参考文献:

[1]王彦,信鹏,高萃仙.LNG接收站蒸发气的发生与气量计算[J].油气储运,2010,29(5):363-364.

[2]国家质量监督检验检疫总局.低温绝热压力容器试验方法:GB/T18443.2—2001[S].北京:中国标准出版社,2001.