鮑磊 趙海燕 王全國(guó)

1.中國(guó)石油化工股份有限公司青島安全工程研究院 2.化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司遼河油田分公司供水公司安全環(huán)?？?/p>

在LNG加氣站(包含L-CNG加氣站)運(yùn)行過(guò)程中，由于LNG槽車(chē)運(yùn)輸、儲(chǔ)罐蒸發(fā)、卸車(chē)、調(diào)壓、預(yù)冷、管道吸熱、儲(chǔ)罐閃蒸和泵工作外輸?shù)仍蚨紩?huì)產(chǎn)生大量的BOG氣體[1]，給LNG加氣站帶來(lái)了巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失。目前針對(duì)LNG加氣站BOG放散問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了一定的研究。何東紅等從儲(chǔ)罐材質(zhì)、工藝優(yōu)化等提出了BOG回收方案[2];楊國(guó)柱等提出了液氮回收加氣站BOG的方案[3-4];吳曉南等提出了BOG再液化工藝[5];王坤等提出采用大冷量低溫制冷機(jī)液化回收BOG的方案[6-7];李兆慈等提出采用BOG為燃料的BOG利用方案[8];王景心針對(duì)LNG車(chē)氣瓶BOG進(jìn)行了吸附回收測(cè)試[9];廖曉夢(mèng)等提出將LNG加氣站BOG回收用作站內(nèi)生活用氣的思路[10]。分析目前國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究，主要圍繞LNG加氣站儲(chǔ)罐BOG進(jìn)行回收處理且BOG回收設(shè)備工藝較復(fù)雜，功耗大;而針對(duì)槽車(chē)BOG回收研究較少。目前尚無(wú)有效、快捷、高效的槽車(chē)BOG回收工藝。

本文針對(duì)該問(wèn)題，提出基于LNG冷量的BOG壓縮液化回收方案，并搭建了實(shí)驗(yàn)裝置，采用液氮和LNG開(kāi)展了BOG回收實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1 BOG壓縮液化回收工藝

從LNG槽車(chē)來(lái)的LNG含有一定規(guī)模的冷量，可以用該部分冷量對(duì)槽車(chē)BOG進(jìn)行液化回收。建立如圖1所示的BOG壓縮液化回收模型，以LNG換熱器模擬LNG與壓縮后的BOG換熱過(guò)程，LNG換熱器效率為100%。槽車(chē)殘余BOG經(jīng)壓縮機(jī)加壓后(此時(shí)稱(chēng)為CNG)，進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐底部，與過(guò)冷的LNG(LNG0)進(jìn)行直接接觸進(jìn)而被液化成為L(zhǎng)NG1。為便于計(jì)算，假設(shè)過(guò)冷LNG換熱后變?yōu)轱柡蛻B(tài)LNG(LNG2)，BOG被液化成飽和態(tài)LNG。其中，槽車(chē)BOG壓力為0.3 MPa，經(jīng)壓縮機(jī)加壓后壓力為0.5 MPa。模擬了加壓后BOG溫度為-60～40℃對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG的影響。

為便于分析，假設(shè)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG經(jīng)BOG換熱后完全變?yōu)轱柡蛻B(tài)LNG，分析所需要的LNG過(guò)冷度。其中，LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力為0.3 MPa，對(duì)應(yīng)飽和溫度為-146.6℃。

具體參數(shù)如表1所列。

表1 BOG壓縮液化模擬參數(shù)Table 1 Parameters of the model of BOG compression and re-liquefaction

表2 BOG壓縮液化主要物料參數(shù)Table 2 Parameters of the main materials of BOG compression and re-liquefaction

由圖2可以看出，隨著CNG溫度的上升，LNG0溫度從-147.50℃降到-147.85℃，過(guò)冷度為0.9～1.2℃，即只需要1℃左右的過(guò)冷度即可實(shí)現(xiàn)BOG的完全液化。

2 實(shí)驗(yàn)開(kāi)展與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

BOG壓縮液化實(shí)驗(yàn)裝置主要包括10 m3儲(chǔ)罐、2 m3儲(chǔ)罐、壓縮機(jī)、壓力傳感器、溫度傳感器，流量計(jì)等。具體連接如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置:壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力為0.2～0.3 MPa，壓縮機(jī)排氣壓力為0.6～0.65 MPa。

為表征BOG壓縮后液化量，定義BOG壓縮液化比λ為BOG液化量與BOG進(jìn)氣量的質(zhì)量比。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程包括壓縮機(jī)開(kāi)啟和壓縮液化過(guò)程:

(1)壓縮機(jī)開(kāi)啟過(guò)程:關(guān)閉閥門(mén)V1、V5，打開(kāi)閥門(mén)V2、V3、V4、V6，2 m3儲(chǔ)罐內(nèi)的氣體經(jīng)閥門(mén) V3、10 m3儲(chǔ)罐內(nèi)的氣體經(jīng)閥門(mén)V2進(jìn)入BOG壓縮機(jī)加壓后，由排氣口經(jīng)閥門(mén)V4、V6進(jìn)入2 m3儲(chǔ)罐，待BOG壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，關(guān)閉閥門(mén)V4、V6，打開(kāi)10 m3儲(chǔ)罐閥門(mén)V5。

(2)壓縮機(jī)壓縮液化過(guò)程:10 m3儲(chǔ)罐內(nèi)的BOG經(jīng)閥門(mén)V2、2 m3儲(chǔ)罐內(nèi)的氣體經(jīng)閥門(mén)V3進(jìn)入壓縮機(jī)加壓后，經(jīng)閥門(mén)V5進(jìn)入10 m3儲(chǔ)罐液相空間;當(dāng)2 m3儲(chǔ)罐壓力降低時(shí)(罐內(nèi)氣體基本被抽空時(shí))，關(guān)閉閥門(mén)V3，打開(kāi)閥門(mén)V1，繼續(xù)上述壓縮液化過(guò)程。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 液氮蒸氣壓縮液化回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果

液氮蒸氣在壓縮液化過(guò)程中壓縮機(jī)進(jìn)排氣溫度隨時(shí)間的變化如圖5所示。

其中，回氣量為67.9 kg(19 min);壓縮機(jī)排氣量為171 m3/h;壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力為0.2～0.3 MPa;壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度由-70℃降至-139.4℃，壓縮機(jī)排氣溫度由20℃降至-58.4℃，進(jìn)排氣最小溫差為81℃。

由圖5可以看出，隨著壓縮機(jī)排氣進(jìn)入儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐壓力(表壓)出現(xiàn)一定的上升，從最初的0.36 MPa上升到0.41 MPa(20 min這段時(shí)間忽略?xún)?chǔ)罐漏熱引起的儲(chǔ)罐壓力變化)，液位在736～740 mm之間震蕩。

壓縮機(jī)停機(jī)后的過(guò)程:進(jìn)氣管溫度和排氣管溫度逐步上升，且兩者溫差越來(lái)越小。

為計(jì)算BOG壓縮液化比，這里做兩個(gè)假設(shè):①BOG沒(méi)有被液化，儲(chǔ)罐液相體積不變;②BOG完全被液化，儲(chǔ)罐液相體積增加83 L。

由儲(chǔ)罐壓力(表壓)0.46 MPa上升到0.51 MPa，所需要的氣體量分別為5.6 kg和4.5 kg。

該實(shí)驗(yàn)條件下，計(jì)算得到:91.7%＜λ＜93.4%。

2.2.2 LNG蒸氣壓縮液化回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果

LNG蒸氣在壓縮液化過(guò)程中壓縮機(jī)進(jìn)排氣溫度隨時(shí)間的變化如圖6所示。

其中，回氣量為35.4 kg;壓縮機(jī)排氣量為223 m3/h;壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力為0.2～0.3 MPa;壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度由-100℃降至-106.7℃，壓縮機(jī)排氣溫度由-20℃降至-60.4℃，進(jìn)排氣最小溫差為46.3℃。

由圖7可以看出，隨著壓縮機(jī)排氣進(jìn)入儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐壓力(表壓)出現(xiàn)一定的上升，從最初的0.39 MPa上升到0.43 MPa(20 min這段時(shí)間忽略?xún)?chǔ)罐漏熱引起的儲(chǔ)罐壓力變化)，液位在247～255 mm之間震蕩，這主要是由于BOG氣體的進(jìn)入對(duì)液位產(chǎn)生了輕微的擾動(dòng)。

壓縮機(jī)停機(jī)后的過(guò)程:進(jìn)氣管溫度和排氣管溫度逐步上升，且兩者溫差越來(lái)越小。

BOG壓縮液化比λ的計(jì)算:

實(shí)驗(yàn)過(guò)程共有35.4 kg BOG氣體進(jìn)入儲(chǔ)罐，若全部液化，則體積增加83 L。

由于LNG氣化后體積遠(yuǎn)大于LNG體積，假設(shè)BOG壓縮進(jìn)入儲(chǔ)罐后，儲(chǔ)罐液位變化忽略不計(jì)(液位計(jì)讀數(shù)變化也很小)，儲(chǔ)罐氣相空間體積為7.2 m3。

假設(shè)BOG全部液化，則體積增加83 L，儲(chǔ)罐氣相空間為7.117 m3，則BOG液化率處于這兩者之間。

儲(chǔ)罐壓力(表壓)由0.49 MPa上升到0.53 MPa，則儲(chǔ)罐的氣相LNG蒸氣增加量為3373-3101=272 mol=3.808 kg或者3334-3101=233 mol=3.262 kg;

BOG壓縮液化比λ＞1-3.808/35.4=89.2%;

BOG壓縮液化比λ＜1-3.262/35.4=90.8%。

2.2.3 小結(jié)

不同的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

表3 液氨和LNG壓縮液化回收主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 3 Main parameters of BOG compression and re-liquefaction for liquid nitrogen and LNG

由表3可以看出，回氣量與液體總量比值越小，則BOG液化程度越大。對(duì)于站上剛卸完車(chē)的LNG儲(chǔ)罐，卸車(chē)后儲(chǔ)罐內(nèi)LNG假設(shè)為20 t，而B(niǎo)OG量為100 kg以?xún)?nèi)，則對(duì)應(yīng)的回氣量與液體總量比值＜0.5%，依照上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)，則BOG液化程度更高，與模擬的結(jié)果保持一致。

2.3 LNG儲(chǔ)罐無(wú)損存儲(chǔ)研究

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，BOG經(jīng)BOG壓縮液化后，低溫儲(chǔ)罐壓力均有一定程度的上升，為了更好地測(cè)試BOG進(jìn)儲(chǔ)罐后對(duì)儲(chǔ)罐壓力的影響，本研究對(duì)BOG壓縮液化進(jìn)入儲(chǔ)罐后儲(chǔ)罐壓力進(jìn)行模擬計(jì)算分析。為便于分析，作如下假設(shè):

(1)LNG儲(chǔ)罐容積:60 m3。

(2)BOG回收量為100 kg，其對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)罐壓力升至0.12 MPa左右(假設(shè)BOG壓縮液化比與上述LNG實(shí)驗(yàn)保持一致)，即BOG進(jìn)氣后儲(chǔ)罐壓力由0.3 MPa上升到0.42 MPa。

(3)BOG壓縮液化進(jìn)入儲(chǔ)罐后，儲(chǔ)罐不對(duì)外加液，僅由于外界漏熱導(dǎo)致儲(chǔ)罐壓力上升。

(4)LNG加氣站儲(chǔ)罐壓力升至1 MPa時(shí)，對(duì)外排放，即從儲(chǔ)罐當(dāng)前壓力升至1 MPa所經(jīng)歷的時(shí)間為儲(chǔ)罐的無(wú)損存儲(chǔ)時(shí)間。

采用HYSYS模擬計(jì)算，儲(chǔ)罐壓力隨時(shí)間的變化如圖8所示。

由圖8可以看出，儲(chǔ)罐氣相壓力從0.42 MPa到1 MPa，需要時(shí)間大于58 h。由此可以判斷:①對(duì)于加液卸液頻繁的LNG加氣站，則可以實(shí)現(xiàn)槽車(chē)的BOG回收;②對(duì)于加液不頻繁的LNG加氣站，則保守估計(jì)可以維持2～3天時(shí)間無(wú)排放存儲(chǔ)。

3 結(jié)論

本研究針對(duì)槽車(chē)BOG無(wú)有效回收的問(wèn)題，提出了基于BOG壓縮機(jī)利用LNG冷量進(jìn)行BOG壓縮液化回收的工藝，并開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明:

(1)BOG回收量與儲(chǔ)罐液體總量比值越小，則BOG液化回收率越高。

(2)對(duì)于站上剛卸完車(chē)的LNG儲(chǔ)罐，BOG壓縮液化回收率大于90%。

(3)BOG壓縮液化進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐后，LNG儲(chǔ)罐依然可以保持長(zhǎng)達(dá)58 h的無(wú)損存儲(chǔ)時(shí)間，這對(duì)于LNG加氣站減小BOG排放具有重要的意義。