LNG加气站BOG动态模拟研究

张 英，邱明刚，刘 勇

(1.中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室,山东青岛 266071 2.吉化集团有限公司包装制品厂,吉林吉林 132021)

近些年，随着天然气行业的发展，LNG加气站得到了快速的发展，目前已建成LNG加气站2 000余座。由于LNG存储温度低(-160 ℃左右)，在存储过程中会造成大量的LNG气化，产生一定数量的LNG蒸气，即BOG气体。为了避免设备储罐超压，需要将BOG放空泄压。这既带来安全隐患，也造成了极大的经济损失和环境污染。

国内对油库和加油站油气回收开展了诸多研究和应用[1,2]，而针对LNG加气站BOG的产生原因和回收处理技术还处在基础研究阶段。杜彦[3]、魏红梅[4]等分别通过静态传热理论计算LNG加气站内各个环节BOG的产生量；杜彦[3]利用matlab对LNG加气站储罐内压力和温度的变化进行了模拟计算。鲍磊[5]等对比了LNG加气站BOG多项回收处理工艺，提出了LNG加气站“零排放”的技术；祝铁军[6]、吴晓南[7]、杨国柱[8]、焦纪强[9]、廖晓梦[10]等从大冷量低温制冷机、BOG压缩液化、利用液氮等不同的工艺开展了BOG的再液化回收研究。对上述学者的研究分析不难发现，LNG加气站BOG回收的关键是BOG量的准确计算和把握。本文利用HYSYS软件构建了LNG加气站BOG动态模型，对BOG生成过程进行了分析研究。

1 动态模型构建与基本参数

根据LNG加气站工艺流程和设备，进行LNG加气站BOG动态模型的搭建。模型包括储罐、分离罐、泵、阀门、管路等多个设备模块；流程包括LNG存储、加液、卸车、预冷等。

为便于计算，假设LNG组分全部为甲烷，主要参数如表1所示。

表1 LNG加气站LNG基本参数

2 模拟计算结果

2.1 存储流程

LNG加气站储罐一般分为卧式罐和立式罐两类，储罐容量从30 m3到60 m3不等，本文以常见的60 m3卧式储罐LNG加气站作为研究对象。

目前LNG加气站常见的LNG储罐多采用多层绝热真空或者珍珠岩保温绝热技术，其日蒸发率要求小于0.3%，本文以日蒸发率0.3%为例进行模拟计算，同时考虑LNG储罐绝热效果变差情况，取日蒸发率为0.5%。假设LNG储罐在存储过程中没有物料的进出，且热量全部来自储罐漏热。储罐的基本参数，如表2所示。

表2 60 m3LNG储罐基本参数

一般当LNG储罐压力达到1 000 kPa左右会泄压，避免造成压力过高破坏储罐，定义LNG储罐无损存储时间，即LNG储罐压力在升至泄压压力(1 000 kPa)前的时间。

对于日蒸发率为0.5%的储罐，随着存储时间的增加，其LNG储罐内的温度和压力均随之增加，如图1所示。对于日蒸发率为0.3%的LNG储罐，其储罐内压力和温度的变化规律与前述一致，两种不同蒸发率下LNG储罐内的压力变化如图2所示，具体压力变化数值见表3。由图2可以看出，对于绝热效果好的LNG储罐，其无损存储时间也长。

图1 日蒸发率0.5%的LNG储罐压力温度变化

图2 不同日蒸发率下LNG储罐压力变化

由表3可以看出，对于日蒸发率为0.3%的LNG储罐，LNG储罐压力升高平均值为8.8 kPa/d，无损存储时间为718 h，而对于日蒸发率为0.5%的LNG储罐，其LNG储罐压力升高平均值为21 kPa/d，无损存储时间为316 h。

表3 不同日蒸发率下LNG储罐压力随时间变化值

2.2 加液流程

在加液过程中，主要有两部分BOG，一是在加液前，需要将汽车气瓶内的高压BOG返回至LNG储罐，进而降低气瓶压力，便于充装；另一部分是在充装的过程中，随着液位的不断提高，气瓶内气相空间逐渐减小，压力逐渐提高，部分BOG通过气相返回管线返回至LNG储罐。

气瓶加液的全过程为：①气瓶连接加气枪后，首先打开气瓶回气阀，气相返回LNG储罐，直至压力降至800 kPa左右(操作时间约3 min)；②打开加气枪进行加液至液位达到90%(操作时间约2 min)，停止加液。具体参数设置如表4所示。

表5为加液过程(包括加液前回气和加液回气过程)中，LNG储罐和LNG气瓶的状态参数变化情况。由表5可以看出，在加液过程中，加液前回气是影响BOG的主要因素，加液过程回气对于LNG储罐压力上升影响较小，可以忽略不计。

为了衡量多次加液过程对LNG储罐的影响，模拟了连续5次加液过程对LNG储罐的压力和温度变化情况，如表6所示。

表4 加液流程基本参数

表5 加液过程LNG储罐和气瓶参数变化

表6 不同加液次数下LNG储罐参数变化

由表6可以看出，经过5次加液过程，LNG储罐压力由262.7 kPa上升到264.2 kPa，压力上升1.5 kPa，上升幅度为0.57%，平均每次加液导致储罐压力上升0.11%左右。

2.3 加液频率分析

根据对LNG加气站的调研分析，影响LNG加气站BOG产量跟加液的频繁程度有较大关系。本文模拟研究两种典型加液频率工况，即加液频繁(一天内，1次大循环和100次连续加液，即每天加液8 t左右)和加液不频繁(一天内，每2小时加液1次，即每2小时1次大循环和1次加液，每天加液1 t左右)的工况。

2.3.1加液不频繁工况

对于加液不频繁的LNG加气站，LNG储罐压力温度变化情况如表7所示。

表7 加液不频繁的LNG加气站

由表7可以看出，对于加液不频繁站场，单日内LNG储罐压力变化较小，为了研究储罐压力变化情况，进一步模拟分析了连续15天加液情况，结果如表8和图3所示。

由表8和图3可以看出，随着时间的延长，储罐内压力和温度均呈现出一定的上升，且上升的速率越来越快。

表8 加液不频繁的LNG加气站

图3 加液不频繁工况下LNG

2.3.2加液频繁工况

LNG加气站储罐初始状态如2.3.1所述。加液100次后LNG加气站储罐压力温度如表9和图4所示。对于一天加液100次左右的LNG加气站，大约2天左右卸液一次。

由表9和图4可以看出，对于加液频繁的LNG加气站，加液100次同样会引起压力和温度的上升，其中压力上升23 kPa，上升幅度为4.3%，温度上升0.8 ℃，上升幅度为0.58%，对于加液频繁和卸液频繁的LNG加气站，一般不存在压力的放空等问题。

表9 加液频繁工况下LNG加气站储罐

图4 加液频繁工况下LNG储罐温度压力随加液次数的变化

2.3.3加液频率对储罐压力影响

对比不同加液频率对LNG储罐压力升高变化，如图5、图6所示。从中可以看出，每天加液100次时，LNG储罐压力变化值较小；而每天加液12次时，LNG储罐压力变化值较大，且随着时间的推移，LNG储罐压力升高速率增快。由此可见，加液频率对LNG储罐压力变化影响巨大。

图5 加液频繁工况下LNG储罐压力升高值

图6 加液不频繁工况下LNG储罐压力升高值

3 结论

本文利用HYSYS软件针对典型LNG加气站构建了BOG动态模型，分析了LNG储罐绝热性能、加液工况以及加液频率等对LNG储罐压力的影响情况。得到如下结论：

a) LNG储罐的绝热效果对BOG量有较大的影响，需要定期检测LNG储罐和管线的绝热性能。

b) 加液过程中，影响BOG生成的主要是加液前的回气过程。

c) 加液频繁的站场，BOG量要远小于加液不频繁的站场，可以与相关加液车辆/单位协调加液时间，以减少BOG产生。