基于普遍化压缩因子对小型LNG储罐蒸发气的计算研究

林本卿

基于普遍化压缩因子对小型LNG储罐蒸发气的计算研究

林本卿

（中海油海南天然气利用有限公司， 海南 海口 570105）

针对小型液化天然气（LNG）储罐，基于普遍化压缩因子图，在LNG储罐工作压力范围内，对理想气体状态方程加以修正，建立LNG储罐工作压力与压缩因子的关系，从而计算小型LNG储罐内蒸发气（BOG）质量，并提出改进的计算方法和BOG回收利用方案建议。

LNG储罐；压缩因子；BOG蒸发；质量计算

天然气是一种混和物，其组分因气田产气不同，以甲烷为主，以N及C2～C5的饱和烷烃类为辅，同时还含有少量的氦、氧、二氧化碳及硫等成分。LNG（Liquefied Natural Gas），即液化天然气，是指对天然气原料进行预处理，脱除其中的各类杂质，并通过低温工艺冷却所形成低温的液体混合物。LNG为无色无味无毒无腐蚀性的液体，它的密度为0.425 t·m-3左右，燃点是650 ℃，沸点为-162.5 ℃，爆炸极限为5.0%～15％，压缩系数约为0.74～0.82。LNG液化后体积可以缩小为气态天然气体积的1/600，因便于储存广泛利用在交通、生活各个领域。此外，LNG携带的冷量还可以进行回收利用，应用于发电、空调、冷链、轮胎粉碎等多个领域。

1 LNG储存

LNG常规的储存方法包括常压储存和带压储存，采用什么储存方式，主要取决于储存量的大小。例如，使用16万m³大型储罐可以储存约6万t LNG，设计压力常压；在LNG加气站，则使用60 m³小型储罐储存24 t LNG，设计压力1.2 MPa；LNG槽车使用54 m³小型储罐储存20 t LNG，设计压力0.8 MPa等。LNG钢制储罐型式可以分为立式和卧式，由于立式储罐占地面积较小，适用于储存量较小场合，卧式则较大；立式储罐要考虑风载，而卧式储罐则不需要，但地下储罐需要考虑抗浮措施；卧式储罐储存液位较低，因此可以忽略液柱静压力，立式储罐储存液位较高，要考虑液体静压；在液位较低时，立式储罐气相空间温度变化较大，卧式则要小很多。储罐是LNG产业终端核心存储容器，其存储容积的精确标定对计算终端站点LNG库存有重要意义[1]。本文研究对象为带压储存的小型LNG卧式储罐，不考虑储罐气相空间温度场变化。

2 LNG蒸发

LNG储存在低温储罐中，由于真空度和物质换热原因，罐内LNG储存会不断吸收外界热量，从而导致部分LNG气化为气态，这种气体就是蒸发气（BOG，Boil Off Gas）。LNG蒸发气会导致储罐压力升高，造成罐内LNG液体不稳定，对终端用户也不利于储存和使用，是LNG产业重点关注研究的对象。BOG的组成主要取决于LNG的组分，对于理论纯甲烷，在温度低于-107 ℃的蒸发气密度等于空气密度。在日常生产过程中，由于温度不断升高，部分液体不断气化，直至压力达到甲烷在相应温度下的饱和压力为止。因此，在LNG组分不变的情况下，温度越高，BOG的量越大。在储罐储存及生产运行过程中，由于储罐保温失效或漏热等作用，罐内将会蒸发一定量的BOG。

在对天然气储存量盘点计算过程中，常常只计算储罐内液相天然气而忽视了气相BOG的质量，这不利于天然气储存量及安全管理。因此，如何准确计算BOG质量是LNG产业重要内容。陈锐莹等[2]对液化天然气储罐静置过程中的日蒸发率进行全三维仿真模拟计算；赵金睿等[3]对储罐内液化天然气取样化验计算密度值进行多项式拟合筛选，从而计算LNG质量。但该方法对LNG组分、温度变化不具有普遍适用性；李清等[4]及王友良[5]分别对船舶用储罐和加气站储罐LNG存量分析计算，未考虑BOG蒸发量。本文拟通过分析小型LNG储罐内BOG的体积、压力、温度、压缩因子等各项参数关系，建立BOG质量计算模型，为LNG加气站、气化站等小型LNG储罐的BOG计算提供参考。

3 计算推导

由于LNG储罐为密闭空间，且对于中小型储罐气相空间的温度变化不明显，因此本次计算不考虑温度场导致密度变化因素。

在LNG储罐内，BOG的质量等于密度和气相空间体积的乘积，也就是：

得出

据此，综合公式（1）、（2）、（3），得到LNG储罐BOG质量公式如下：

4 压缩因子

压缩因子是针对真实气体的PVT性质中，应用较为广泛而且是最为直接、准确的状态方程，代表实际气体与理想气体的偏离程度，对理想气体状态方程加以修正，如公式（2）所示。显然，可见压缩因子量纲是一。对于理想气体，在任何温度和压力条件下均为1。在<1时，真实气体的摩尔体积（V）比同等条件下理想气体的摩尔体积小，更易于压缩；在>1时，真实气体的摩尔体积比同等条件下理想气体的摩尔体积大，更难于压缩。由于反映出真实气体压缩的难易程度，所以将它称为压缩因子。实际气体仅在压力较低（<1.0 MPa）、温度较高（在10～20 ℃时）的情况下近似满足理想气体状态方程式。当压力很高或温度很低时，则要引入压缩因子。

由于在标准参比条件下的压缩因子由天然气组分变化引起的变化非常小，趋近于1，可以忽略不计[6]。本文研究的对象BOG在生产运行过程中处于低温状态（约-120～-160 ℃），因此，只需要考虑压缩因子对BOG密度的影响，即可相对准确计算出BOG质量。

普遍化压缩因子图是根据实验数据绘制的表示压缩因子与对比压力、对比温度关系的曲线图。压缩因子的确定流程一般为：利用给定的压力和温度，分别求出对比压力P和对比温度T，再通过图1查询相应的压缩因子。该图是1936年华生和史密斯利用二氧化碳（CO2）、氮（N）、氨（NH3）、甲烷（CH4）、丙烷（C2H6）和戊烯（C5H10）的实验数据绘制，1954年纳尔逊和奥伯特提高了精度。

图1 华生和史密斯绘制的普遍化压缩因子图

5 结果分析

对于某液化厂提供的气质报告（甲烷83%，=18.87 g·mol-1），在=60 m³卧式储罐液位为500 mm时，根据液位对照表LNG=26.24 m³，常数=8.314 J·mol-1·K-1。根据设备厂家资料，LNG储罐设计压力为1.44 MPa，工作压力1.2 MPa，在正常生产过程中由于热量侵入原因，储罐压力均在0.1～1.2 MPa内波动。因此，随机截取该压力范围内压力和相应饱和温度参数，并计算对比压力和对比温度，即可在图1中查到压缩因子，并根据公式（3）得出BOG质量结果如表1所示。

表1 不同饱和蒸汽压力下压缩因子和BOG质量

通过上述计算过程与结果，可以看出：

1）从温度与压力关系可以看出，在LNG储罐工作压力1.2 MPa范围内，温度越高，压力也就越大，因此，提高LNG储罐保温效果和周转率有利于降低BOG蒸发量。

2）LNG储罐内BOG质量与储罐容积、液位高度、气质组分、压力、温度及其对应压缩因子等参数有关。

3）按LNG密度等于430 kg·m-3计，液位高度500 mm的液态LNG质量为11 283.2 kg，BOG质量在0.87 MPa压力时占储罐内天然气总重量的14.45%，因此在计算LNG储罐内天然气总量是不可忽略BOG质量。

6 BOG回收

BOG产生因素很多，从源头上有储罐选型、卸车、储存、设计、设备管理等各个环节[7-8]。如在LNG储罐顶部设置一套BOG回收系统，在罐内压力达到某个设定值时，BOG管道气动阀打开，抽取罐内BOG，使罐内压力维持在安全范围内[9]。对于不可避免产生的BOG气体，回收利用将有助于企业降本增效和节能降耗，推动燃气企业高质量发展。BOG产生后，其温度已经高于LNG，要想回收利用，有以下几种方法：一是利用制冷工艺对BOG进行再液化，这种方法需要投资制冷装置，适用于BOG产生量大的场合；二是通过回气到储罐底部对BOG进行再冷凝，但需要考虑多次进行再冷凝会造成原本稳定的LNG蒸发，因此适用于有一定周转率的场合；三是采用压缩机增压方式变成CNG储存在气瓶组，将BOG从1 MPa左右增压到22 MPa，但有实践表明，该方法不但投资改造大，耗电也大，经济性较差。LNG大型储罐则设置；四是就近接入城镇燃气管道，只需投资1台气化计量加臭一体装置即可，但LNG成本高于城镇居民用气，需要与城镇燃气管道所属企业协商热值系数问题。

由此可见，无论采用何种BOG回收方式，都需要对原有工艺系统进行优化改造，根据不同的运营特点，并计算BOG回收利用的投资和收益，才能确定出一个合理的解决方案。

7 结论与建议

本文根据理想气体状态方程并利用普遍化压缩因子加以修正，结合小型LNG储罐气相空间及生产参数特点，推导估算出BOG质量，适用于LNG加气站、气化站等小型LNG储罐应用场景。其他气质组分、储罐容积或液位高度情况下也可以依此计算。同时，就BOG回收利用提出适用于不同场合的措施，为LNG高效利用提供解决方案。

如对BOG质量有更加精确的结果需求，建议从以下几个方面加以改进：一是储罐内液位、压力、充装质量之间换算都是以一个固定的密度值进行[10]，未考虑组分、温度对液相密度的影响，也就造成了气相空间BOG的误差；二是对于大型LNG储罐或立式LNG储罐，气相空间存在相对明显的温度场，需要考虑温度梯度与密度关系；三是对压力与BOG蒸发量的关系拟合成公式，制作成计算器，以适应不同条件下BOG质量计算。

［1］彭元博,王子正,曹哲. 液化天然气(LNG)储罐容量的测量与计算处理方法[J]. 品牌与标准化,2019(03):59-61.

［2］陈锐莹,陈峰,姜夏雪,等.液化天然气储罐动态日蒸发率数值模拟[J]. 石油化工设备,2020,49(04):13-17.

［3］赵金睿,吴仲昆,张大伟,等.储罐内液化天然气密度计算方法研究[J]. 计量学报,2021,42(01):72-77.

［4］李清,甘少炜,汪国庆,等. LNG动力船船用储罐液位及储量算法[J]. 船海工程,2017,46(04):106-109.

［5］王友良.加气站储罐储气(液)量准确计量的探讨[J].石油库与加油站，2019,28(6):9-15.

［6］韩彬, 朱玉琪. 天然气计量中压缩因子的修正[J]. 上海化工, 2019, 44 (06): 18-20.

［7］姜文政,胡郁. 关于LNG加气站损耗问题的分析[J]. 广东化工, 2018, 45 (15): 153-154.

［8］沈斌.天然气加气站降本增效的措施[J].石油库与加油站, 2019, 28 (02):16-20.

［9］陈杰,郭旭,翟耀峰,等．大型常压LNG双金属全容储罐建造[J].辽宁化工,2021，50(08):1246-1248.

［10］刘东进, 顾华. 船用LNG储罐液位测量装置[J]. 辽宁化工, 2020, 49 (10): 1297-1299.

Calculation and Research on Evaporation Gas of Small LNG Storage Tank Base on the Generalized Compression Factor

（CNOOC Hainan Natural Gas Utilizing Co., Ltd., Haikou Hainan 570105, China）

Based on the graph of the generalized compression factor, the ideal-gas equation for small-type LNG tank during its working pressure was rectified, the relation between working pressure of LNG tank and the compression factor was established,and the quality of boil off gas (hereinafter referred to as BOG in short) in the LNG tank was calculated, improved calculation method and BOG recovery solutions were also proposed.

LNG tank; Compression factor; Boil off gas; Quality calculation

2022-01-27

林本卿（1987-），男，海南儋州人，工程师，硕士研究生，2013年毕业于中国石油大学（北京）石油与天然气工程专业，研究方向：天然气终端利用项目开发、建设管理。

TQ052

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1004-0935（2022）06-857-04