LNG加气站BOG排放量的理论计算与实测

2020-12-29吴俊杰

煤气与热力 2020年12期

高勇，吴俊杰，屈戈

(华润燃气(郑州)市政设计研究院有限公司，河南郑州450006)

1 概述

自2002年国内首座LNG加气站建成投运，经过近10 a的发展，从2010年开始国内LNG加气站逐步走上了快车道，2012年及2013年，加气站建设的年增长率分别为208%、130%。2012年至2015年为河南省内LNG加气站的高速建设期，至2018年底，河南省内建设有LNG加气站近200座。

国内的LNG加气站建设是优先于汽车发展的，通过对河南省部分LNG加气站的调研及2座加气站的定期监测，发现LNG加气站的快速建设与LNG汽车发展不匹配，近几年LNG汽车保有量基本没有增长，造成LNG加气领域内出现“站多车少”的局面。

在此情况下，LNG加气量过少，在储罐中储存时间较长，同时零星充装导致设备及工艺管道频繁预冷，产生大量的BOG。BOG超压放散会造成能源浪费，天然气中的甲烷等烃类气体属于温室气体，会对环境产生影响。BOG的回收不仅可以节约能源，保护环境，同时还具有一定的经济效益。

2 BOG产生的主要因素

2.1 储罐、设备及工艺管道与外界的换热

LNG加气站的工艺系统主要由储罐、泵橇、加气机及工艺管道组成，本文将泵橇和加气机称为设备。工艺流程分为卸车、储罐增压、储罐调饱和、设备预冷、加气等环节[1]。

LNG加气站中的LNG主要在储罐中储存，少量在设备及工艺管道中，其温度在-140 ℃左右，与环境温度存在较大的温差。储罐、设备及工艺管道即使采取了绝热措施，仍存在与外界的热交换，LNG吸收外界的热量逐渐增加，会导致LNG的气化，产生BOG。

在工艺流程的各个环节，LNG在储罐、设备及工艺管道中输送，特别是在工艺管道中，相同体积的LNG在管道中接触的管道内表面面积比在储罐中接触的储罐内表面面积更大。以60 m3储罐和 DN 50 mm的钢管为例，同样容积的管道表面积是储罐表面积的50倍，相对储罐而言，同样容积的管道，换热量更大。

2.2 设备及工艺管道预冷

当LNG加气站加气的频率较低时，为节约能源，汽车加气间隔超过一定时间，控制系统会关闭泵橇至加气机工艺管道的阀门，使LNG在储罐与泵橇之间循环，泵橇保持低温状态。泵橇后的加气机和管道中LNG不再循环流动，温度会逐渐上升，甚至部分气化。有车辆来加气时，需要重新预冷，会产生一定的 BOG[2]。

2.3 LNG汽车车载储气瓶产生的气体

LNG汽车车载储气瓶常用的规格为375 L、450 L两种，一辆LNG汽车通常配置1～2个车载储气瓶。车载储气瓶的绝对压力通常在0.9 MPa左右。LNG汽车需要加气时，车载储气瓶中剩余的LNG约占总容积的10%，其余空间充满了低温天然气。在加气过程中，车载储气瓶内的气体通过压力差回流至LNG加气站的储罐内，如果储罐内LNG为温度较低的过冷液体，可通过储罐下进液管道再液化；如果储罐内LNG为温度较高的饱和液体，则进入储罐气相空间以气态存在，这部分车载储气瓶内气体应按BOG考虑。

2.4 环境温度的影响

环境温度会对LNG与外界的换热量产生影响，夏季温度较高时，传导至储罐、设备及工艺管道的热量也会较多。根据现场测试结果，环境温度升高，LNG加气站产生的BOG量增加。

3 BOG的数量

BOG的数量采用两种方式得到，一种是理论计算，另一种是实际测量。

3.1 静态蒸发率计算

3.1.1 储罐LNG静态蒸发率

① 储罐液氮介质测试蒸发率

静态蒸发率是反映储罐绝热性能的重要指标，测算依据为GB/T 18443.5—2010《真空绝热深冷设备性能试验方法第5部分：静态蒸发率测量》(以下简称GB/T 18443.5—2010)。由试验测得测试蒸发率，根据测试蒸发率计算静态蒸发率。

测试蒸发率α0,N是指储罐充装液氮达到额定充装率条件下静置达到热平衡后，24 h内自然蒸发损失的液氮质量与储罐内容器有效容积下液氮质量的比值，单位为d-1。本文的测试环境条件是，日平均环境温度为 293.15 K，环境压力为100.420 kPa。

储罐测试蒸发率在储罐制造厂的试验基地按照GB/T 18443.5—2010第4～7章的试验方法进行，试验介质为液氮。采用GB/T 18443.5—2010第4.2.2条中的气体质量流量计测量法，测量24 h内储罐中液氮蒸发后通过质量流量计的气体质量流量，根据GB/T 18443.5—2010第8.1.2条中的公式(2)计算测试蒸发率。

试验室测试的LNG储罐采用与加气站同规格储罐，容积为60 m3，绝热形式为填充珠光砂，属于粉末真空绝热型储罐。液氮的物性数据见GB/T 18443.5—2010附录 C。经计算，得到储罐的测试蒸发率α0,N约为0.002 8 d-1。

② 储罐液氮介质静态蒸发率

由测试蒸发率α0,N，根据GB/T 18443.5—2010第8.2.2条中的公式(5)，计算储罐液氮介质的静态蒸发率α20,N，单位为d-1。

试验日平均环境温度为293.15 K，环境压力为100.420 kPa，该环境压力下液氮的饱和温度为77.28 K，气化潜热为199.32 kJ/kg。经计算，得出储罐液氮介质的静态蒸发率α20,N与测试蒸发率α0,N基本相同，约为0.002 8 d-1。

本文中，将温度为293.15 K、压力为标准大气压的环境记为标准环境。

③ 储罐LNG介质静态蒸发率

在实际应用中，储罐的介质为LNG。由于GB/T 18443.5—2010未涉及由一种介质到另一种介质的静态蒸发率的换算，本文根据液氮和LNG的物性数据，通过对两者的相似模拟分析[3]，由以液氮为介质的储罐静态蒸发率α20,N，推导出以LNG为介质的储罐静态蒸发率α20,LNG。

假设对于两种介质，储罐的传热系数相等。在同一储罐内，两者的传热量与储罐内外温差成正比，见公式(1)。

(1)

式中ΦLNG——静态下储罐中介质为LNG时的传热量，W

ΦN——静态下储罐中介质为液氮时的传热量，W

ΔtLNG——标准大气压(101.325 kPa)下，环境温度(293.15 K)与储罐内LNG饱和温度(111.15 K)的温差，K，为182 K

ΔtN——标准大气压下，环境温度(293.15 K)与储罐内液氮饱和温度(77.36 K)的温差，K，为215.79 K

rLNG——LNG在标准大气压、饱和温度(111.15 K)下的气化潜热，kJ/kg，取510 kJ/kg

rN——液氮在标准大气压、饱和温度(77.36 K)下的气化潜热，kJ/kg，取199.3 kJ/kg

qm,LNG——静态下储罐内LNG在标准环境下的日蒸发质量，kg/d

qm,N——静态下储罐内液氮在标准环境下的日蒸发质量，kg/d

其中，日蒸发质量与储罐的静态蒸发率和介质密度的积成正比，则有公式(2)。

(2)

式中α20,LNG——储罐介质为LNG的静态蒸发率，d-1

α20,N——储罐介质为液氮的静态蒸发率，d-1

ρLNG——LNG在标准大气压、饱和温度下的密度，kg/m3，取424 kg/m3

ρN——液氮在标准大气压、饱和温度下的密度，kg/m3，取807.3 kg/m3

根据公式(1)和公式(2)，可推导出公式(3)。

(3)

根据公式(1)和公式(2)给出的已知条件，可计算得出公式(4)。

α20,LNG=0.63α20,N

(4)

更精细地分析，储罐内外温差不同，介质不同，储罐的传热系数是不同的。当考虑传热系数不同时，公式(4)应写作公式(5)。

(5)

式中KLNG——储罐中介质为LNG时传热系数，W/(m2·K)

KN——储罐中介质为液氮时传热系数，W/(m2·K)

根据文献[4]的数据得出，对同一储罐，介质为LNG时传热系数等于介质为液氮时传热系数的1.05倍，见公式(6)。

KLNG=1.05KN

(6)

根据公式(5)和公式(6)，可以推导出考虑传热系数不同时，储罐中介质为LNG时的静态蒸发率，见公式(7)。

α20,LNG=0.66α20,N

(7)

上述测试的储罐液氮介质的静态蒸发率α20,N为0.002 8 d-1，代入公式(7)，可计算出储罐LNG介质的静态蒸发率α20,LNG为0.001 8 d-1。

3.1.2 设备、工艺管道LNG静态蒸发率

加气站常用的设备(泵橇、加气机)均采用真空绝热，工艺管道绝热形式主要为真空绝热、聚异三聚氰酸酯(PIR)绝热两种。设备、工艺管道容积较小，按照储罐蒸发率的测试方式，无法静置达到热平衡。因此，采用如下测试原理进行测试。

利用储罐的测试装置，采用差值法进行测试。测量原理参照GB/T 18443.5—2010第4章的气体质量流量计法，以储罐测试蒸发率试验装置为基准系统，测出日蒸发质量qm1(单位为 kg/d)，增加被测设备或工艺管道(以下简称被检件)后进行测试，测出日蒸发质量qm2(单位为 kg/d)，然后计算其差值(qm2-qm1)即为被检件的日蒸发质量qm3(单位为 kg/d)。设备、工艺管道测试蒸发率试验装置原理见图1。

图1 设备、工艺管道测试蒸发率试验装置原理

具体测试步骤如下：

① 按照储罐蒸发率的测试方式搭建一座基准系统。

② 在气相管道、液相管道上分别设置球阀1、球阀2和球阀3。

③ 关闭球阀2和球阀3，采用气体质量流量计法测出日蒸发质量qm1。

④ 分别安装被测设备或工艺管道(即被检件)，打开球阀2和球阀3，测出增加被检件后的日蒸发质量qm2。

⑤ 利用两个日蒸发质量的差值，计算被检件的日蒸发质量，即qm3=qm2-qm1。

⑥ 根据试验数据，利用GB/T 18443.5—2010中第8.1.2条的公式(2)，分别计算每个被检件的测试蒸发率α0,N。

⑦ 根据测试蒸发率，对于真空绝热的设备和管道，利用GB/T 18443.5—2010中第8.2.3条的公式(6)，计算静态蒸发率α20,N；对于PIR绝热的管道，利用GB/T 18443.5—2010中第8.2.2条的公式(5)，计算静态蒸发率α20,N。

⑧ 根据本文中的公式(7)，计算出介质为LNG时设备和工艺管道的静态蒸发率α20,LNG。

以河南省高速公路服务区定期监测的两座标准三级LNG加气站为例，储罐、设备和工艺管道的规格型号及布置方式均相同，工艺管道绝热形式分别为真空绝热(方案1)和PIR绝热(方案2)，相应的加气站分别称为方案1加气站和方案2加气站。标准三级LNG加气站在加气站中占比最大，每座站内主要包含60 m3的LNG储罐1台，泵橇1台，加气机2台，相应的工艺管道。

在试验室内测试了同规格型号的泵橇和加气机的日蒸发质量，测试了不同绝热形式、不同管径的工艺管道的日蒸发质量，从而计算出介质为LNG时静态蒸发率。其中，储罐、设备的静态蒸发率见表1，工艺管道的静态蒸发率见表2。

表1 储罐、设备的静态蒸发率

表2 工艺管道的静态蒸发率

3.2 运行工况BOG数量的计算

3.2.1 储罐实际日蒸发量

根据静态蒸发率α20,LNG，可以计算出运行工况下的实际日蒸发质量。由于BOG是以气态存在的，在计算蒸发量时是以体积计算的。工程上，蒸发量为标准状态下天然气的体积，单位为 m3/d。本文的标准状态是指温度为273.15 K、压力为101.325 kPa的状态。

结合实际调研情况，以调研期间的5月份为例，室外月平均温度为297.15 K，储罐绝对压力在0.6～0.9 MPa范围波动，平均工作绝对压力约为0.75 MPa，以此条件计算运行工况下的实际日蒸发质量。

计算依据为LNG传热量与温差成正比，计算过程见公式(8)。

(8)

式中Φact——运行工况下储罐中介质为LNG时的传热量，W

Δtact——月平均温度(297.15 K)与LNG绝对压力为0.75 MPa时的饱和温度(145.15 K)的温差，K，为152 K

ract——LNG在平均工作绝对压力(0.75 MPa)、饱和温度下的气化潜热，kJ/kg，取415 kJ/kg

qm,act——运行工况下，储罐内LNG在平均工作绝对压力(0.75 MPa)、月平均温度(297.15 K)时实际日蒸发质量，kg/d

根据静态蒸发率的定义，储罐的静态日蒸发质量也可写作公式(9)。

qm,LNG=α20,LNGρLNGV

(9)

式中V——LNG储罐的有效容积，m3

将公式(9)代入公式(8)，可得公式(10)。

(10)

储罐的容积为60 m3，充满率为90%，则有效容积为54 m3。将前文中的已知数据代入公式(10)，可以计算出运行工况下LNG储罐的实际日蒸发质量qm,act为42.3 kg/d。标准状态下天然气的密度约为0.72 kg/m3，则可换算得到实际日蒸发量为58.75 m3/d。

3.2.2 设备、工艺管道实际日蒸发量

根据第3.2.1条的方法和表1、表2的数据，可计算出加气站内设备、工艺管道的实际日蒸发量。

在计算时，还要同时考虑车载储气瓶回收BOG的量。根据调研情况，每座加气站日均加气车辆为40辆，每辆车上安装1个车载储气瓶，单个车载储气瓶容积为475 L，绝对压力为0.9 MPa，充装率为90%。根据笔者实测的数据，车辆在加气时通过加气机回气管道回收至加气站内LNG储罐的BOG的工况体积约占每个车载储气瓶容积的20%，储气瓶内平均温度为147.15 K。鉴于运行状况为估算，不考虑压缩因子，根据理想气体状态方程，可计算出40个车载储气瓶总的实际日蒸发量约为63.48 m3/d。

标准三级LNG加气站5月份实际日蒸发量见表3。

表3 标准三级LNG加气站5月份实际日蒸发量

3.3 运行工况BOG数量的实测

为了更好地研究运行工况下加气站的BOG量，笔者对方案1加气站和方案2加气站进行现场测试。测试时间为2018年3月1日至7月31日，共153 d。每座加气站日均加气量约为1×104m3/d， LNG加气车辆约40辆/d，运行正常。

LNG储罐气相出口后分为3路并联，2路为安全放散管道(其中安全阀开启绝对压力设定为1.1 MPa)，1路为BOG总管道，BOG总管道上设置阀门，接入放散管。为了测量日蒸发量，增加BOG测量装置：在BOG总管道阀门后依次安装BOG加热器、压力变送器、温度变送器、阀门、带温压补偿的体积流量计后，接入放散管。此时BOG总管道和BOG加热器之间的阀门常开。当压力变送器测得的绝对压力超过0.9 MPa时，开启BOG加热器后的阀门，排放BOG至放散管。当压力变送器测得的绝对压力降至0.6 MPa时，关闭BOG加热器后的阀门。储罐和管道的运行绝对压力比安全阀开启绝对压力低，确保在正常运行时储罐和管道的安全阀不开启，使所有BOG都通过BOG总管道(以及上述BOG测量装置)后放散。每天上午9：00读取流量计数据，从而统计出LNG加气站的实测日蒸发量，见表4。

表4 标准三级LNG加气站实际日蒸发量和实测日蒸发量

根据3月—7月每月平均温度，采用第3.2节的方法，可计算出标准三级LNG加气站相应各月的实际日蒸发量，见表4。对表4中的5个月相应数据取平均值，可得方案1加气站的平均实际日蒸发量为139.63 m3/d，平均实测日蒸发量为267.89 m3/d；方案2加气站的平均实际日蒸发量为178.58 m3/d，平均实测日蒸发量为285.87 m3/d。

方案1加气站的实测数据比计算数据高91.86%，方案2加气站的实测数据比计算数据高60.04%。可见，实测数据比计算数据偏高较多。结合调研的实际情况，分析认为实测数据偏高主要是由于运行工况中的LNG是非静态的，在运行中频繁预冷，加气频率无规律，车载储气瓶的压力、温度偏高等原因造成的。

通过对河南省内其他标准三级LNG加气站的调研，运行工况中BOG排放量比上述两座实测站的排放量更大，主要原因是部分加气站管道更长，不同程度的绝热失效，预冷频率更高，储罐内液温较高导致车载储气瓶内BOG液化率低。部分LNG加气站产生的BOG数量甚至为表4中实测统计值的2倍以上。对于不能满负荷运行的加气站，平均每座加气站的BOG排放量基本超过了350 m3/d。