LNG加气站BOG再液化工艺研究及经济性分析

焦纪强 彭 斌 张春燕

LNG加气站BOG再液化工艺研究及经济性分析

焦纪强1彭 斌2张春燕3

1.兰州理工大学石油化工学院 2.珠海格力电器股份有限公司 3.兰州北方燃气工程设计有限公司

蒸发气(Boil-Off Gas,BOG)的处理是LNG加气站应考虑的关键问题之一,关系着加气站的能耗及安全平稳运行。为此,建立了LNG加气站BOG产生量静态计算模型,以兰州市某加气能力为1.5×104m3/d的加气站为研究对象,设计提出了1套利用液氮冷量的BOG再液化装置(1台液氮储罐,1台BOG/液氮换热器,1台LNG收集罐及管路阀门),以避免BOG直接放散造成的能源浪费和环境污染,实现加气站BOG“零排放”。在此基础上,理论计算了BOG再液化装置的再液化能力,并对其进行经济效益分析。结果表明,加气站BOG的产生量为322 kg/d,BOG再液化量与液氮消耗量质量比为1∶1.92,为试验装置的设计提供了理论依据。该装置安全寿命期内静态分析总投资费用为39万元,税前年利润总额为14.4万元,净利润为10.5万元,经济效益较为显著。由此可知,LNG加气站应考虑BOG再液化装置投资。

LNG加气站 BOG 液氮冷量 再液化 经济性分析 零排放

液化天然气(Liquefied Natural Gas,以下简称LNG)主要成分为甲烷,其体积为同气态天然气体积的1/625,是一种优质清洁能源。由于其具有燃烧发热量大,燃烧后对环境污染小等优点,近年来需求量呈快速增长趋势,目前已广泛用于城市燃气、燃料汽车、船舶、发电等工业领域[1-2]。LNG作为交通运输燃料[3],燃烧生成的二氧化碳仅为同发热量汽油和柴油的3/4。LNG汽车(Liquefied Natural Gas Vehicle,以下简称LNGV)是继CNG汽车和LPG汽车后发展起来的一种新型高效环保汽车,续航能力是CNG汽车的3倍,可超过400 km。2015年起,我国将每年增加10万辆LNGV,至2020年累计投放量高达200万辆。LNGV已应用于新疆、海南、广东、深圳、兰州等地的重型卡车和公交客车。为满足大量LNGV供气需求,具有建站投资少、占地少、不受城市燃气管网束缚的LNG加气站数量日益剧增。

LNG加气站工作过程中,由于低温液体LNG沸点极低,吸收外界环境热量不可避免蒸发产生大量蒸发气(Boil-Off Gas,以下简称BOG),致使LNG储罐及低温管道压力升高,当压力大于安全阀整定压力时,BOG直接经空温式气化器复热后进入火炬系统,造成能源浪费和环境污染[4-5]。以加气能力为1.5×104m3/d的LNG加气站为例,BOG产生量约为300 kg/d,按国内加气站LNG平均销售价计算,月经济损失为2.8×104元,截止2017年,我国共有2 460座LNG加气站,年经济损失高达8.3×108元。

本研究针对LNG加气站BOG直接放散造成的能源浪费和环境污染等问题,建立BOG产生量静态计算模型,结合兰州市某日加气能力为1.5×104m3的LNG加气站,设计提出1套利用液氮冷量的BOG再液化装置,通过理论计算得出装置的BOG再液化能力,并分析其经济效益,为我国LNG加气站BOG回收技术及经济评价提供参考。

1 LNG加气站BOG静态计算模型

对LNG加气站而言,产生BOG的主要来源有:LNG储罐漏热、槽车卸车时与储罐容积置换、潜液泵工作、加气机预冷和车载气瓶充液。其总产生量见式(1):

式中:G为LNG加气站BOG总产生量,kg/h(单位下同);G1为储罐受热产生的BOG量;G2为槽车卸车时与储罐容积置换产生的BOG量;G3为潜液泵工作时产生的BOG量;G4为预冷加气机产生的BOG量;G5为车载气瓶在压差作用下产生的BOG量。

1.1 LNG储罐漏热产生的BOG量

即使对LNG储罐使用新型高性能绝热材料,外界环境热量总会侵入储罐内部,低温液体不可避免蒸发产生BOG,其BOG蒸发量计算式见式(2):

式中:ε为储罐静态蒸发率,%/d;φ为储罐充装率,%;ρLNG为LNG密度,kg/m3;V为储罐有效容积,m3。

1.2 槽车卸车与储罐容积置换产生的BOG量

槽车卸车时,LNG由槽车进入储罐,BOG由储罐进入槽车。这部分BOG是由槽车自然蒸发及槽车与储罐容积置换产生,BOG量按式(3)计算。

式中:εc为槽车静态蒸发率,%/d;Vc为槽车有效容积,m3:ω为卸车时LNG进料速度,kg/h;ρBOG为BOG密度,kg/m3;N为槽车数量,台。

1.3 LNG潜液泵产生的BOG量

槽车卸车、加气枪给车载气瓶充液时,需要用低温潜液泵提供动力,潜液泵工作时将机械能转化为热能,产生的BOG量见式(4):

式中:η为潜液泵效率;P为潜液泵功率,k W;γLNG为LNG气化潜热,kJ/kg。

1.4 预冷LNG加气机产生的BOG量

LNG加气机长时间未加气时,再次启动需将加气枪插入插枪口,预冷加气管道和加气机,过冷液体气化产生的BOG量见式(5):

式中:q为加气管道的冷损,最大值为25 W/m2·h[6];A为加气管道总表面积,m2;γBOG为BOG气化潜热,kJ/kg。

1.5 LNG车载气瓶充液产生的BOG量

潜液泵将LNG加压后由加注枪通过计量系统给车载气瓶充液,由于车载气瓶压力小于加注时的LNG压力,在压差作用下将会产生BOG,计算式为:

式中:ρ1为加气压力下BOG密度,kg/m3;ρ2为气瓶压力下BOG密度,kg/m3;VP为气瓶容积,m3;t为单个气瓶充液时间,h。

2 实例计算及分析

图1给出了LNG加气站工艺流程,主要分为待机流程、卸车流程、调压流程和加注流程4部分。主要设备为LNG储罐、增压器、高真空潜液泵池和LNG加气机。加气站操作过程中,BOG的产生为动态过程,且随着BOG的大量产生,LNG组分和热力学性质均发生变化,计算模型较为复杂,需用Fluent软件和数值求解方法计算[7]。但在某一时间内,可认为BOG的产生为静态过程[8],计算时将LNG组分、气化潜热、密度和供气压力等参数取为固定值,以便简化计算。

以兰州市某加气能力为1.5×104m3/d LNG加气站为例,LNG和BOG组分含量见表1。储罐内筒材料为S30408不锈钢,外筒为16Mn R,采用高真空多层缠绕绝热形式,储存周期为2天。表2给出了加气站技术性能参数,其他相关参数为:LNG沸点-160.7℃、密度 432.88 kg/m3、气化潜热 494 kJ/kg。蒸发气BOG密度(标况下)0.633 5 kg/m3,操作温度-120℃。LNG进液管及回气管公称直径为DN50、加气机进液管及回气管DN25,压力等级均为PN40。

表1 LNG和BOG组分含量Table 1 Mole fraction of LNG and BOG components y/%

表2 LNG加气站技术性能参数Table 2 Technical property parameters of LNG filling station

LNG加气站选用1台50 m3LNG槽车对储罐进行充液,充液时利用卸车增压器配合泵的方式,以缩短卸车时间。槽车日静态蒸发率为0.25%,卸车绝对压力为1.2 MPa,卸车速率为6 854 kg/h,卸车时间约为3 h。假设加气站全部给公称容积为500 L(有效容积475 L)的车载气瓶充液,1台50 m3LNG储罐液体能满足100辆LNGV的供气需求,每辆车的加气时间为4 min,平均每天加气时间共计3.33 h。

LNG加气站BOG产生量静态计算结果见表3。表3数据表明,单位时间内潜液泵循环工作时BOG产生量最大,因此,在槽车卸车、给车载气瓶充液时需控制运行压力,以减少BOG产生量。依据加气站的工作要求,加气站运行工况分为卸车工况、加气工况和待机工况。经计算,3种工况下BOG产生量依次为192.81 kg/d、184.45 kg/d和51.36 kg/d。因此,加气能力为1.5×104m3/d的LNG加气站运行时,BOG的产生量为322 kg/d,约508 m3/d。假设322 kg/d BOG全部液化为LNG,则每年再液化BOG量为10.6×104kg,可满足约518台公称容积为500 L车载气瓶的供气需求。

表3 LNG加气站BOG产生量静态计算结果Table 3 Static calculation results of BOG production at LNG filling station

3 BOG再液化装置设计与计算

3.1 BOG再液化工艺流程

目前,LNG加气站回收BOG的整体工艺有两种[9]:一种是BOG直接压缩工艺,工艺流程见图2,LNG储罐产生的BOG经缓冲罐后用压缩机加压至外输管网所需压力,计量、加臭后直接输出至民用燃气管网;另一种是BOG蓄冷式再液化工艺,工艺流程见图3,BOG经低温压缩机加压后与相同压力下的LNG在蓄冷式换热器中实现BOG再液化,液化后的LNG经空温式气化器气化后,外输能耗低,设备结构简单,安全性能高,这是LNG加气站BOG再液化装置应考虑的问题。以上两种回收方式仅利用LNG储罐BOG及槽车卸车、潜液泵工作、车载气瓶充液等过程产生的BOG加热后全部进入集中放散系统,造成能源损耗和环境污染。储罐产生的BOG加压与完成气化的LNG混合后输送至民用燃气管网,仅限于附近有燃气管网的加气站,可操作性差,应用范围受到限制。

LNG加气站BOG温度约为-120℃,液氮常压下沸点为-196℃,较BOG温度低。因此,本文提出1套利用液氮冷量的LNG加气站BOG再液化装置,其BOG再液化工艺流程见图4。BOG再液化装置只需增加1台液氮储罐、1台BOG/液氮换热器、1台LNG收集罐、1台N2加热器及管路阀门等。LNG储罐受热蒸发、槽车卸车、高真空潜液泵池、预冷加气机及车载气瓶充液产生的BOG达到一定量时,进入BOG/液氮换热器再液化后输送至LNG收集罐,当收集罐液位达到设定值时打开排液阀,LNG回流至高真空潜液泵池与储罐LNG混合后给车载气瓶充液,实现加气站BOG“零排放”。进入换热器的液氮量依据BOG量调节,液氮吸热气化经N2加热器加热至常温后输送至仪表风系统或进行管路吹扫。该BOG再液化装置构成独立的再液化单元,不受加气站环境影响,可根据现场条件灵活安装,占地面积小。同时,BOG再液化后与储罐LNG进入高真空潜液泵池给车载气瓶充液,基本不影响原LNG发热量。核心设备BOG/液氮换热器具有成本低、操作弹性大等优点,且再液化过程中无运动部件,实现BOG气量波动较大条件下的连续化生产。

3.2 BOG再液化能力

3.2.1 液氮消耗量计算

LNG加气站利用液氮提供的冷量再液化全部BOG,忽略BOG再液化装置冷损,其液氮消耗量计算式为:

式中:GLN2为再液化BOG所需液氮量,kg/h;GBOG为加气站运行时产生的BOG量,kg/h;γLN2为液氮气化潜热,kJ/kg。

该LNG加气站的BOG产生量GBOG=13.42 kg/h。假设液氮进入BOG/液氮换热器的压力为0.15 MPa,该压力下液氮气化潜热γLN2=192.812 kJ/kg,则再液化BOG所需液氮量GLN2=25.75 kg/h。BOG再液化量与液氮消耗量质量比为1∶1.92,即再液化1 kg BOG需要消耗1.92 kg的液氮。

3.2.2 BOG/液氮换热器热力计算

BOG再液化核心设备为BOG/液氮换热器,为了使BOG完全被液化,必须保证换热器的换热面积,换热面积计算如式(8)所示。

式中:A为换热器换热面积,m2;K为换热系数,kJ/(m2·h·K);ΔT为换热对数平均温差,K。

根据国内外低温换热器厂家设计要求,BOG/液氮换热系数K=0.52×103kJ/(m2·h·K)[10],在不考虑液氮过冷度的情况下,对数平均温差ΔT=37 K,所需换热器换热面积A=0.3 m2。因此,选用换热面积为1 m2的换热器可满足设计要求。

4 BOG再液化经济效益分析

4.1 BOG再液化收益计算

目前,LNG加气站产生的322 kg/d BOG全部经空温式气化器复热后进入火炬系统燃烧。以2016年兰州市LNG平均销售价格4.2元/kg计算,加气站全部BOG再液化为LNG后,每年(按330天计算)的收益为44.6万元。考虑到LNG潜液泵池、槽车卸车、LNG收集罐蒸发等不可再回收因素[11],BOG实际再液化率按95%计算,则每年回收BOG带来的收益为42.4万元。

4.2 总投资费用估算

在工艺设备配置上,依据节能原则,选用新型高效BOG再液化设备,满足LNG加气站BOG再液化要求。对加气能力为1.5×104m3/d的LNG加气站,以目前国内市场加气站设备价格估算,增设1套BOG再液化装置的总投资为39万元,具体费用见表4。

表4 BOG再液化装置总投资费用估算Table 4 Estimation of total investment of BOG re-liquefaction equipment

4.3 年总成本费用估算

BOG再液化设备年总成本费用为实现BOG再液化所发生的全部费用,主要包括:

(1)原材料费(购置液氮费用):液氮到站价格按800元/t计算。

(2)人工工资及福利费:定员1人,工资3万元/a。

(3)制造费用(设备折旧费和维护修理费):综合折旧年限为15年,预计净残差为3%,按平均年限法折旧。

(4)管理费:管理人员为1人,工资3.5万元/a。

总投资费用为100%自出资金,不考虑建设期借款和铺底流动资金。经估算,年总成本费用为28万元,见表5。

表5 BOG再液化装置年总成本费用估算Table 5 Estimation of annual total cost of BOG re-liquefaction equipment

4.4 经济效益分析

BOG再液化装置安全寿命期内静态分析总投资为39万元,年总成本为28万元,全部再液化322 kg/d BOG带来的收益为42.4万元/a。该加气站营业税税率为3%,所得税税率为25%,则税前年利润总额为14.4万元,税后年利润总额为14万元,净利润为10.5万元,静态投资回收期为3.6年,此后每年可为国民经济带来10.5万元收益,经济效益较为显著。平均投资利润率为28%,大于我国石化行业原油加工平均投资利润率(14%)。因此,LNG加气站应考虑BOG再液化装置投资。

5 结论

针对兰州市某加气能力为1.5×104m3/d的LNG加气站,建立了BOG产生量静态计算模型。通过实例分析,设计了1套利用液氮冷量的BOG再液化装置,此外,理论计算了BOG再液化能力,并对其进行了经济效益分析,具体研究结果为:

(1)BOG再液化装置主要设备为1台液氮储罐、1台BOG/液氮换热器、1台LNG收集罐和1台N2加热器,该装置利用液氮提供的冷量实现BOG再液化是可行的。

(2)加气站BOG的产生量为322 kg/d,再液化BOG所需液氮量为618 kg/d,再液化BOG量与液氮消耗量质量比为1∶1.92,为后续试验装置的设计提供了理论依据。

(3)BOG再液化装置安全寿命期内静态分析总投资为39万元,年总成本为28万元,税前年利润总额为14.4万元,净利润为10.5万元,静态投资回收期为3.6年。平均投资利润率为28%,满足我国石化行业平均投资利润率的要求。因此,LNG加气站应考虑BOG再液化装置投资。

[1]SHI G H,JING Y Y,WANG S L,et al.Development status of liquefied natural gas industry in China[J].Energy Policy,2010,38(11):7457-7465.

[2]RATAN R,RAVI S,SAMANE G,et al.A techno-economic assessment of the liquefied natural gas(LNG)production facilities in Western Canada[J].Sustainable Energy Technologies and Assessments,2016,18:140-152.

[3]何太碧,黄海波,林秀兰,等.中国LNG汽车及加气站技术应用分析及推广建议[J].天然气工业,2010,30(9):82-86.

[4]廖晓梦,张昀,伍婷.LNG加气站BOG用于站内生活用气的可行性探讨[J].石油与天然气化工,2016,45(5):43-45.

[5]祝铁军,张华,巨永林,等.LNG加气站用小型撬装式BOG再液化装置的研制开发[J].化工学报,2015,66(增刊2):325-331.

[6]李兵,程香军,陈功剑.LNG接收站BOG处理技术优化[J].天然气与石油,2012,30(5):27-30.

[7]付子航.LNG接收站蒸发气处理系统静态设计计算模型[J].天然气工业,2011,31(6):83-85.

[8]吴晓南,韩晓瑜,陈利琼,等.LNG加气站BOG再液化工艺[J].油气储运,2015(6):607-610.

[9]薛倩,刘名瑞,肖文涛,等.LNG接收站BOG处理工艺优化及功耗分析[J].油气储运,2016,35(4):376-380.

[10]廖兴才.具有BOG回收功能的LNG无泵加气方法及设备:102155615[P].2011-08-17.

[11]张玮.LNG/L-CNG加气站的设计[J].石油与天然气化工,2014,43(2):157-160.

Study and economic analysis on BOG re-liquefaction process at LNG filling station

Jiao Jiqiang1,Peng Bin2,Zhang Chunyan3
1.School of Petrochemical Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou,Gansu,China;2.Gree Electric Appliances,Inc.of Zhuhai,Zhuhai,Guangdong,China;3.Lanzhou North Gas Engineering Design Co.,Ltd,Lanzhou,Gansu,China

The BOG(Boil-Off Gas)process related to energy consumption and safe operation is one of the critical issues that should be considered at LNG filling station.Therefore,the model of BOG static calculation is established,taking the 1.5×104m3/d capacity of LNG filling station in Lanzhou as an example,a set of BOG re-liquefaction equipment(mainly including one liquid nitrogen tank,one BOG/liquid nitrogen exchanger,one LNG collection tank,a few pipeline and valve)which uses liquid nitrogen cooling capacity is designed to avoid energy dissipation and environmental pollution caused by BOG direct discharge.BOG re-liquefaction capacity of the equipment is theoretically calculated and its economical benefit is analyzed.The results show that the amount of BOG production is 322 kg/d,the mass ratio of BOG re-liquefaction capacity and liquid nitrogen consumption is 1∶1.92,which provides the theoretical basis for the design of the test equipment.The total cost of static analysis of the BOG re-liquefaction equipment is 0.39 million yuan,the total profit before tax is 0.144 million yuan,and the net profit is 0.105 million yuan.Therefore,it has good economical benefit.Accordingly,the investment should be considered to BOG re-liquefaction equipment of LNG filling station.

LNG filling station,BOG,liquid nitrogen cooling capacity,re-liquefaction,economic analysis,zero emission

焦纪强(1990-),男,甘肃兰州人,兰州理工大学石油化工学院硕士研究生,研究方向为低温贮运技术及设备和LNG液化技术。E-mail:jjq_cryogenics@163.com

TE646

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.06.008

2017-07-07;编辑:康 莉