LNG接收站BOG计算与压缩机能力配置

邓　林

武汉锅炉集团超顺锅炉设备制造有限公司　武汉　430070



LNG接收站BOG计算与压缩机能力配置

邓林*

武汉锅炉集团超顺锅炉设备制造有限公司武汉430070

摘要分析BOG的生成机理，研究BOG的单元计算法。重点对LNG卸船产生BOG计算进行分析，主要包含LNG卸船功热输入、船罐置换和冷却罐壁。结合工程实例，对BOG工况组合进行分析和计算，并对比实际运行数据。在此基础上，对BOG压缩机的能力配置进行探讨，提出具体原则。

关键词LNG接收站BOG计算压缩机卸船

蒸发气BOG(Boil Off Gas)的计算在LNG接收站设计中占有重要地位。BOG计算量过大，会导致BOG处理系统设计能力过量，增大建设成本；BOG计算量过小，BOG处理系统设计能力不足，导致站内BOG的大量放空，不仅浪费能源产生较大的经济损失，而且还污染环境。

1LNG接收站

LNG接收站一般包括LNG卸船系统、LNG储罐与低压泵系统、BOG处理系统、LNG高压泵系统、LNG气化系统、NG计量/调压系统、LNG槽车装车系统、火炬系统和公用工程系统，典型流程见图1。

图1　典型LNG接收站流程示意图

2BOG的计算方法

正常工况下，LNG接收站产生BOG的过程主要包含LNG卸船功热输入、船罐置换、冷却罐壁、储罐自然蒸发、大气压变化、保冷循环低压泵功率输入、管道吸热、LNG装车和气化外输等单元。

2.1LNG卸船功热输入

卸船时，LNG船和储罐通过卸船管线和BOG返回管线相互连通，组成一个整体系统，从系统的角度考虑，只有外界对系统的功热输入才能产生BOG。因此，对于LNG船而言，BOG的产生只能是卸船泵的功率输入和LNG船上的自然蒸发。

卸船泵的有效功率输入用于克服卸船管路的阻力损失、转化为LNG的势能和内能，功率损耗则完全转化为热量被LNG吸收蒸发气化变成BOG。LNG在卸料管道中流动时，经历摩擦和乱流阻力，又会将部分有效功率转化为热量被LNG吸收蒸发气化变成BOG[1]。这部分功率损耗较小，且难于量化，一般进行粗略估算，由于LNG船和储罐自然蒸发产生BOG计算比较保守，因此也可将这部分功率损耗忽略。另外，进入储罐的低温卸船LNG会将罐内部分BOG冷凝，但这部分折减BOG量的计算较为困难，目前只能忽略，因而使得计算结果偏保守。

对于LNG船上的自然蒸发，计算方法与储罐自然蒸发相同，由于计算过程中一直采用LNG船满容积，因此计算结果偏保守。

式中，W1为卸船产生BOG的质量流量，t/h；ρLNG,船舱为船舱LNG的密度，kg/m3；V船舱为LNG船的容积，m3；BOR船舱为LNG船的日蒸发率，%；N卸船泵为卸船泵数量，台；P卸船泵为卸船泵额定功率，kW；η卸船泵为卸船泵额定效率，%；ηx为卸料摩擦和乱流转化热量占卸船泵额定功率的百分比，%，一般取5%；rLNG,储罐为储罐LNG的潜热，kJ/kg。

2.2船罐置换

LNG卸船时，储罐压力略高于船舱压力，从微观过程看，不同的操作压力必然导致不同的气液平衡状态，就会产生LNG与BOG之间的相互转化，从而导致BOG量的改变。从宏观上看，对于这部分BOG量，可以采用卸船体积置换的方法计算。

式中，W2为船罐置换产生BOG的质量流量，t/h；ρBOG,储罐为储罐BOG的密度，kg/m3；ρBOG,船舱为船舱BOG的密度，kg/m3；V卸船为LNG卸船体积流量，m3/h。

2.3冷却罐壁

LNG储罐气相空间BOG的温度由下到上呈线性分布，气液分界面处温度与液相LNG的主体温度相同，约为-162℃，而吊顶下部温度则为-140℃左右，内罐罐壁温度的分布特性与气相BOG基本相同(图2)。LNG进入储罐后，罐内液位不断上升，原来暴露于气相空间温度较高的内罐罐壁随之与低温LNG相接触，内罐罐壁得到冷却，放出的热量则被LNG吸收，蒸发气化变成BOG。因此，可以基于热量和物料衡算的原理建立计算公式[2]，从实际工程角度来看，这也是一种可以接受的估算方法。

2.4储罐自然蒸发

因为温差的存在，外界环境会通过保冷层不断地向储罐内部传递热量，因此不可避免地导致处于平衡态的LNG吸热蒸发气化变成BOG。由于储罐传热过程的复杂性，因此对于储罐自然蒸发产生BOG的计算，实际工程中一般按照罐容乘以日蒸发率BOR进行简化计算。显然，计算结果偏保守，但从实际工程的角度来看，这种稳妥的做法仍然是合理的。

图2　罐壁冷却

式中，W4为储罐自然蒸发产生BOG的质量流量，t/h；N储罐为储罐数量，座；ρLNG为LNG的密度，kg/m3；V储罐为LNG储罐的罐容积，m3；BOR储罐为LNG储罐的日蒸发率，%。

国际上一般定义和采用满罐容量时的日蒸发率，根据实际工程项目数据，储罐日蒸发率一般介于0.05%～0.1%之间，对于16万方全容储罐，日蒸发率一般取0.05%[7]。

2.5大气压变化

正常操作时，只考虑大气压的常规变化，产生的BOG需由BOG压缩机处理，但由于BOG量很小，一般可忽略。事故工况时，如50年一遇的大气压急剧变化，产生的BOG则通过火炬燃烧放空。由于气象条件一般可以准确预测，因此LNG卸船可以避开该工况，产生的BOG就可以通过卸船备用BOG压缩机处理，可尽量减少BOG的放空，从而挽回经济损失。

EN1473指出大气压变化产生BOG包含气相空间的膨胀量VAG和液相空间的过热蒸发量VAL，但只给出了VAG的具体计算公式，而对于VAL则只是简要指出一种估算方法，在实际工程设计中不具有可操作性，并且在计算VAG时，采用空罐的最大气相空间体积，这是一种保守估计的方法，实际工程设计计算是可以接受的。

与其他单元产生BOG的量相比，大气压变化

产生BOG的量相对较小，并且LNG船和储罐自然蒸发计算结果比较保守。因此为了简化计算过程，实际工程计算中常将VAL忽略。

VA=VAG+VAL

式中，W5为大气压变化产生BOG的质量流量，t/h；N储罐为储罐数量，座；ρBOG,储罐为储罐BOG的密度，kg/m3；VA为大气压变化产生BOG的体积流量，m3/h；VAG为气相空间的膨胀量，m3/h；VAL为液相空间的过热蒸发量，m3/h；V为空罐的最大气相空间体积，m3；p为储罐的绝对操作压力，Pa；dp/dt为大气压变化率，Pa/h。

2.6保冷循环低压泵功率输入

根据经验，非卸船期间需开启一台低压泵专门用于LNG接收站保冷循环，由于低压泵用于LNG循环，因此低压泵输入功率则全部转化为热量被LNG吸收蒸发气化变成BOG，可以基于热量和物料衡算的原理建立准确的计算公式[8]。

式中，W6为保冷循环低压泵功率输入产生BOG的质量流量，t/h；PLP为低压泵的额定功率，kW；rLNG,储罐为储罐LNG的潜热，kJ/kg。

2.7管道吸热

卸船管道和保冷循环管道中LNG沿途吸收的热量，在随LNG进入储罐后，部分LNG闪蒸变成BOG。根据工程经验，一般采用环境通过保冷层外表面传入管道的允许热流密度乘以管道保冷层外表面积来计算BOG。

式中，W7为卸船管道吸热产生BOG的质量流量，t/h；q为环境通过保冷层外表面传入管道的允许热流密度，一般取0.025kW/m2；S为管道保冷层外表面积，m2；rLNG,储罐为储罐LNG的潜热，kJ/kg。

2.8LNG装车

装车时，LNG从储罐流出，进入槽车，而BOG则由槽车流出，返回储罐。这部分BOG量包含槽车的自然蒸发和体积置换。另外，低温的LNG进入槽车后，会将部分BOG冷凝，但由于计算较为困难，因此将这部分折减的BOG忽略，从而导致计算结果偏保守。

式中，W8为LNG装车产生BOG的质量流量，t/h；N槽车为槽车数量，台；ρLNG,槽车为槽车LNG的密度，kg/m3；V槽车为LNG槽车的容积，m3；BOR槽车为LNG槽车的日蒸发率，%；ρBOG,槽车为槽车BOG的密度，kg/m3；ρBOG,储罐为储罐BOG的密度，kg/m3；V装车为LNG槽车装车体积流量，m3/h。

2.9气化外输

气化外输时，罐内液位降低，气相空间增大，从而能够容纳相同外输体积的BOG，即相对“减少”了BOG的生成量[10]。

式中，W9为气化外输相对“减少”BOG的质量流量，t/h；ρBOG,储罐为储罐BOG的密度，kg/m3；V气化外输为储罐气化外输LNG体积流量，m3/h。

3工程实例

以国内某一大型LNG接收站工程项目为例，设计规模6.5×103kt/a，4座16万方全容储罐。

3.1工况组合

首先按照非卸船和卸船对操作进行分类。LNG卸船功热输入、船罐置换和冷却罐壁过程只能发生在卸船期间。保冷循环低压泵功率输入只能发生在非卸船期间。储罐自然蒸发、大气压变化、管道吸热，无论是否卸船均会同时客观地发生。LNG装车和气化外输为独立主观发生过程，因此可自由组合。工况组合及BOG设计计算结果见表1。

根据LNG接收站实际运行数据，卸船时最大BOG量为22.53t/h，利用单元计算法核算得出的BOG量为21.4500t/h，两者基本吻合。由表1可知，实际卸船时最大BOG量介于卸船工况BOG设计最小量18.7266t/h和最大量25.5509t/h之间。

表1　工况组合BOG设计计算结果(贫液)

因此，以上两点证实了BOG单元计算法的可靠性。

3.2BOG压缩机的能力配置原则

随着运行工况和操作条件等不同，LNG接收站BOG的产生量是不断变化的，而且变化范围较宽。由于BOG压缩机一般为超低温压缩机，价格昂贵，功率较大，为了减少贵重设备投资，提高利用率，降低运行能耗，因而在进行BOG压缩机的能力配置时，一般按如下原则考虑：

(1)根据实际工程项目经验，一般要求BOG压缩机运行负荷可以按0—25%—50%—75%—100%进行调节，可降低运行能耗。

(2)由于卸船工况为偶尔操作，可减少卸船备用BOG压缩机的数量和能力，一般只配置一台卸船备用压缩机。

(3)由于非卸船工况为经常操作，非卸船期间最好只开启一台BOG压缩机，即可处理最大BOG量。

(4)滚动发展的大型LNG接收站项目，还应结合项目后期发展预留考虑。

(5)应结合厂家制造技术和设备价格，合理确定压缩机的数量和能力。

4结语

通过分析和推理，提出BOG的计算方法，即单元计算法，具有简单、直观和适用的特点，在LNG接收站BOG设计计算中具有一定优势。结合工程实例，通过与实际运行数据的对比，证实了单元计算法的可靠性。在此基础上，对BOG压缩机的能力配置进行探讨，提出具体原则，对实际工程应用具有指导意义。

参考文献

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9顾安忠，鲁雪生，汪荣顺等. 液化天然气技术[M].北京：机械工业出版社, 2003: 180.

10马继红，陈营，梁金鹏等.LNG中转站的蒸发气产生及处理方案研究[J]. 化学工程, 2013, 41(8): 75-78.

(收稿日期2015-06-09)

*邓林：高级工程师。2007年毕业于天津大学化学工程专业获硕士学位。主要从事石油、化工和天然气工程项目设计与咨询工作。

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