LNG加气站用小型撬装式BOG再液化装置的研制开发

祝铁军，张华，巨永林，杨冲伟，阮伟民，胡剑英，陈帅，李海冰

（1上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2上海昆仑新奥清洁能源股份有限公司，上海200086；3中科力函 （深圳）低温技术有限公司，广东 深圳518055）

引言

天然气作为一种清洁能源，具有热值高、污染小等优点，近2 0年来发展迅速。目前，天然气在世界一次能源消耗中占比已达到2 3.7%［1］。液化天然气 （L NG）作为天然气的一种重要的储运方式和贸易形式，近年来得到了广泛关注。L NG在储运过程中，由于不可避免的传热过程，低温的L NG受热蒸发产生B OG （b o i l e d o f f g a s，蒸发气），导致L NG储罐内压力升高。当储罐内压力高于安全值时，须对B OG进行排放。B OG的直接排放不仅会造成能源浪费，还会带来相关的环境污染和安全隐患等问题。

常规的L NG储运装置主要有L NG运输船、L NG接收站、L NG加气站和L NG运输槽车等。L NG运输船和L NG接收站等大型L NG储运装置的B OG放散量大，可采用基于混合制冷剂循环（MR C）或氮膨胀制冷循环的B OG再液化装置进行回收［2-3］。B OG再液化回收比将B OG压缩至C NG （压缩天然气）等方法的经济效益高3 0%～6 0%或以上［4］。因此，B OG再液化装置受到了广泛关注，多种不同类型的大放散量的B OG再液化方案被提出，并且针对L NG运输船和L NG接收站的B OG再液化装置已经建成［5-8］。

陆上的小型L NG储运装置如L NG加气站和L NG运输槽车等生成的B OG量较小，目前的处理方式一般为直接排放至大气中。目前，小型L NG储运装置的B OG主要采用接入管网和压缩至C NG的手段进行回收［9］。采用接入管网和压缩至C NG的B OG回收方式虽然具有经济性好、因地制宜等优点，但也有较大的局限性。本研究针对这种现状，将大功率制冷机应用于B OG再液化回收，研发了一套小型撬装式B OG再液化装置，具有结构紧凑、适应性好和经济性好等优点。

1 小型撬装式BOG再液化装置的设计与计算

小型撬装式再液化装置的主要设备有大功率脉管制冷机、真空液化杜瓦、制冷机控制器、LNG储槽、数据采集系统及管路阀门等。其中，大功率脉管制冷机主要为BOG的再液化提供冷量，液化杜瓦主要作为BOG液化和制冷机安装的场所。

小型BOG再液化系统流程如图1所示。图中，LNG储槽 （1）内的低温LNG （2）吸收外界传入的热量蒸发产生BOG （5），BOG （5）通过BOG管路 （6）进入液化杜瓦 （7）。BOG （5）在大功率脉管制冷机 （3）冷头 （4）的制冷作用下再液化成为LNG，储存在液化杜瓦 （7）的底部，在一定条件下液化杜瓦 （7）内的LNG可通过回液管路 （8）回流至L NG储槽 （1）中，从而实现L NG储槽的B OG零损耗［10-12］。

1.1 BOG液化能力计算

图1 小型撬装式BOG再液化系统流程Fig.1 Schematic diagram of small scale BOG re-liquefaction system

小型BOG再液化装置的核心设备是大功率同轴型脉管制冷机，其设计冷量可达1000W＠120 K。通过制冷机的理论制冷功率，可计算出装置处理BOG的能力。

理想状态下，假设该再液化装置冷损为零，即制冷机冷头产生的所有冷量均被饱和状态下的BOG吸收。根据稳态开口系统能量方程［13］，BOG再液化系统的方程可简化为

式中，为BOG单位时间所吸收的冷量，即制冷机提供的制冷功率，W；为BOG的质量流量，kg·s-1；Δh为BOG吸收冷量前后的焓差，kJ·kg-1。

由式 （1）可推出小型BOG再液化装置处理BOG能力的计算公式，如式 （2）所示

式中，P为大功率脉管制冷机的理论制冷功率，W；ΔH为BOG从气态转化成液态过程的焓差变化，kJ·kg-1；为小型BOG再液化装置处理BOG的最大流量，kg·d-1。

通常情况下，LNG储槽中的BOG可看作饱和状态的天然气。在通过放散管路向外排放的过程中，由于不断吸收热量，BOG的温度会升高。因此，可认为进入再液化装置的BOG气体温度介于LNG饱和温度和273K之间。下文给出了小型BOG再液化装置分别处理饱和状态BOG和273K过热状态BOG的能力的计算。

1.1.1 装置处理饱和BOG的能力 通常情况下，小型撬装式BOG再液化装置的工作压力为0.1～0.9MPa。装置在处理饱和状态BOG时，只要克服LNG的汽化潜热即可实现BOG从气态向液态的转变。式 （2）中，P为制冷机在LNG温区的制冷功率，其值为1000W；Δh为LNG的汽化潜热。表1给出了不同工作压力下装置处理饱和BOG的最大理论流量。

1.1.2 装置处理273K过热BOG的能力 小型BOG再液化装置在处理273K过热状态的BOG时，需要克服LNG的汽化潜热和显热才能实现BOG的液化。因此，式 （2）中，P为制冷机在LNG温区的制冷功率，取为1000W；Δh为LNG的汽化潜热与显热之和。表2给出了不同工作压力下装置处理过热BOG的最大理论值。

表1 不同压力下饱和BOG的液化量Table 1 Re-liquefaction capacity of saturated BOG at different pressures

表2 不同压力下273K过热BOG的液化量Table 2 Re-liquefaction capacity of superheated BOG（273K）at different pressures

由表1和表2可以看出：随着工作压力的升高，装置处理饱和BOG和过热BOG的能力均会增强，而且其处理饱和状态BOG的能力更强。一般情况下进入再液化装置的BOG温度介于饱和温度和273K之间，因此小型BOG再液化装置的再液化能力应介于两种工况的计算结果之间。

1.2 LNG回流计算

为了实现小型撬装式BOG再液化系统的无泵循环，需要将再液化装置提高，使之与LNG储槽形成一个高度差。BOG液化为LNG后，依靠重力势能克服LNG回液管路的管程阻力，回流至LNG储槽。LNG回流管长为6m；取工作压力为0.5MPa；为保证足够的余量，取LNG回液流速为1m·s-1。

工质在管内流动时，管路压降的主要来源有管道摩擦阻力、弯头阻力和变径接头阻力。

1.2.1 管道流动摩擦阻力 管道流动摩擦阻力可采用式 （3）～式 （5）进行估算［14］

式中，Δp1为管道流动压降，Pa；f为管道流动阻力系数；l为LNG回流管管长，m；d为LNG回流管内径，m；ρ为LNG密度，kg·m-3；υ为LNG流速，m·s-1；Re为LNG流动Reynolds数；ν为LNG运动黏度，m2·s-1。

通过计算可得：Δp1=1347.1Pa。即LNG回液管路中管路摩擦阻力所造成的管路压降为1347.1Pa。

1.2.2 弯头阻力 由于安装和施工需要，小型BOG再液化装置的LNG回液管路上设置了若干同径弯头。LNG回液管道内的LNG流动时，其在弯头处的阻力可采用式 （6）进行估算［15］

式中，K1为流体阻力系数，对于同径弯头K1=1。

小型BOG再液化装置LNG回流管路中共有6个90°的同径弯头，通过计算可得：Δp2=1155.1 Pa。即LNG回液管路中弯头阻力所造成的管路压降为1155.1Pa。

1.2.3 变径接头阻力 由于安装和施工需要，小型BOG再液化装置的LNG回液管路上设置了变径接头。LNG回液管道内的LNG流动时，其在管路上的扩散接头处的阻力可采用式 （7）和式 （8）进行估算

式中，A1为扩散接头进口处流道截面积，m2；A2为扩散接头出口处流道截面积，m2。

对于LNG回液管路上的扩散接头，其进口和出口处的管径分别为16mm和50mm。通过计算可得：K2=0.81，Δp3=155.9Pa。即在LNG回流管路的变径接头上的阻力造成的管路压降为155.9Pa。

1.2.4 总压降 小型BOG再液化装置的LNG回流管路的总压降即为管路摩擦阻力、弯头阻力与变径接头阻力所造成的压降的线性叠加，可按照式（9）进行计算

计算可得：LNG回液管路总压降Δp=2658.1Pa。

1.2.5 再液化装置与LNG储槽高度差 小型BOG再液化装置液化杜瓦内的LNG需要在重力作用下自动回流至LNG储槽中，实现整个系统的无泵循环，则小型BOG再液化装置需要安装在与LNG储槽存在一定高度差的平台上，此高度差可按照式 （10）进行计算

式中，g为当地重力加速度，m·s-2；ρ为LNG密度，kg·m-3。

通过计算可得：小型BOG再液化装置至少需要与LNG储槽顶部存在0.69m的高度差，才能保证系统实现无泵循环。

2 小型撬装式BOG再液化装置的现场运行

2.1 LNG加气站介绍

进行BOG再液化实验的LNG加气站位于上海市宝山区，该区拥有大量以LNG作为燃料的集装箱车，对LNG的需求量较大。该站的LNG储槽体积为30m3，LNG零售价为6.5元·kg-1，每天LNG的销售量约为5～8t。根据其运营记录，其日均BOG排放量为50～200kg，BOG放散压力为1MPa左右。

2.2 小型撬装式BOG再液化装置的现场施工

小型撬装式BOG再液化在LNG加气站的施工主要包括小型BOG再液化装置安装平台的搭建、BOG管路和LNG回流管路的设计与加工、管路阀门的选取与安装、控制室的建设、冷却水路和电路的连接等。小型撬装式BOG再液化装置的现场照片如图2所示。

图2 小型BOG再液化装置在LNG加气站现场运行图Fig.2 Photograph of BOG re-liquefaction installation at LNG filling terminal

在施工过程中，为确保加气站的安全，装置中的所有供电和信号接头均采用防爆类型；为减少冷损，BOG管路和LNG回流管路均采用聚氨酯发泡材料保温；此外，为了更好地对再液化系统进行参数采集和控制，系统中的所有信号均接入控制室。图3和图4分别给出了制冷机控制器和现场施工的图片。

图3 制冷机控制器Fig.3 Control panel of PTC

2.3 BOG再液化现场运行实验

运行前，LNG储罐内压力为0.56MPa，液位高490.8mm，LNG净重为7.80t。运行时间为8：15～18：15，持续时间约为10h。在此期间，加注站共售出约3tLNG，LNG储槽内压力从0.56MPa上升至0.64MPa。小型撬装式BOG再液化装置运行过程中共形成22.0cm的LNG液位，折算成LNG体积约为90L。通过计算，在BOG液化进入到平稳阶段时，BOG再液化装置的净制冷功率达到550W （考虑到进入液化杜瓦的预冷和BOG并非处于饱和气态，实际的净制冷功率应该大于此计算值），其BOG日均处理量可达106kg·d-1。

2.3.1 液化杜瓦及LNG储槽内压力变化曲线运行过程中，液化杜瓦内气体压力始终高于再液化装置的目标压力，制冷机维持满负荷状态运行。图5给出了运行过程中液化杜瓦和LNG储槽内气体压力的变化规律，可以看出：随着实验的进行，液化杜瓦和LNG储槽内的压力始终保持基本一致；LNG储罐内压力的上升趋势变缓。

2.3.2 液化杜瓦内LNG液位变化曲线 图6给出了液化杜瓦内LNG液位的变化曲线，可以看出：0～3h内液位计的数值一直为0，原因在于这一阶段制冷机冷量主要用于冷却液化杜瓦的缸体，而且形成的LNG液位低于液位计测量范围 （液位计底部与杜瓦底部存在一定距离）；从第3h开始，杜瓦内LNG液位基本保持稳定升高的趋势，此时液位平均每小时约升高3.5cm。通过计算可得在BOG液化进入到平稳阶段时BOG再液化装置的净制冷功率达到550W。考虑到进入液化杜瓦的BOG不是饱和气态，实际的净制冷功率应该大于此计算值。同时，制冷机电机的最大运行功率仅为7000W左右，与满负荷功率下的10000W的功率相比存在一定的差距，550W的净制冷功率可以接受。

图4 现场施工图Fig.4 Site construction photograph

图5 液化杜瓦与LNG储槽内压力变化Fig.5 Pressures in liquefaction tank and LNG tank

图6 液化杜瓦内LNG液位的变化Fig.6 LNG level in liquefaction tank

2.3.3 制冷机冷头与液化杜瓦内温度变化曲线图7给出了BOG再液化装置运行阶段制冷机冷头和液化杜瓦内温度变化曲线，可以看出：制冷机冷头温度在45min内迅速降至BOG液化温度130K以下并基本维持稳定，随后制冷机冷头温度始终维持在128K左右；液化杜瓦内BOG的降温速度稍小于制冷机冷头，需要约60min才能降温至液化温区，此时可认为液化杜瓦内已形成一定的LNG液位。

图7 制冷机冷头与液化杜瓦内温度变化Fig.7 Temperatures of PTC cold head and liquefaction tank

2.3.4 制冷机电机功率变化曲线 开启制冷机前，设定制冷机最大工作电压为195V。图8给出了制冷机电机功率随时间的变化曲线，可以看出：制冷机开机后，电机功率在20min内迅速上升至7000 W左右并基本维持稳定。

2.3.5 回流过程LNG液位变化曲线 BOG再液化过程结束后，对小型BOG再液化装置的回流性能进行了实验。回流实验开始前，LNG储槽压力为0.64MPa，液化杜瓦内压力为0.63MPa。打开回流阀，LNG迅速开始回流。

图8 制冷机电机功率随运行时间的变化Fig.8 Electrical power of PTC

图9给出了液化杜瓦内LNG液位随回流时间的变化曲线，可以看出：液化杜瓦内约130L LNG在20min内回流完毕；回流过程中回流速度逐渐变小，原因在于随着液化杜瓦内LNG液位的下降上下液面的势能差逐渐变小，从而回流速度变小。

图9 回流实验中LNG液位变化Fig.9 LNG level during back flow experiment

3 结 论

（1）小型撬装式BOG再液化装置能有效地控制LNG储槽内压力的升高，从而避免LNG加气站的BOG放散。

（2）装置的日均BOG再液化量可达106kg，净制冷量达到550W＠120K以上。在后期的优化中，随着制冷机电机功率偏低和系统冷损较大等问题的解决，装置的BOG再液化量和制冷功率会进一步提高。

（3）在LNG加气站的BOG再液化实验中，系统无泵循环的可行性得到了验证。

（4）计划对制冷机的冷头、测控系统和内部元件进行进一步优化，优化后小型撬装式BOG再液化系统的理想制冷功率可高达1800W＠120K，具有更大的BOG再液化能力。此外，将小型撬装式再液化装置用于LNG槽车残气和残液的回收也是今后的一个方向。

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