鮑磊 趙海燕 王全國

1.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院 2.化學品安全控制國家重點實驗室3.中國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)保科

在LNG加氣站(包含L-CNG加氣站)運行過程中，由于LNG槽車運輸、儲罐蒸發(fā)、卸車、調(diào)壓、預冷、管道吸熱、儲罐閃蒸和泵工作外輸?shù)仍蚨紩a(chǎn)生大量的BOG氣體[1]，給LNG加氣站帶來了巨大的安全風險和經(jīng)濟損失。目前針對LNG加氣站BOG放散問題，國內(nèi)學者對其進行了一定的研究。何東紅等從儲罐材質(zhì)、工藝優(yōu)化等提出了BOG回收方案[2];楊國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LNG車氣瓶BOG進行了吸附回收測試[9];廖曉夢等提出將LNG加氣站BOG回收用作站內(nèi)生活用氣的思路[10]。分析目前國內(nèi)學者的研究，主要圍繞LNG加氣站儲罐BOG進行回收處理且BOG回收設備工藝較復雜，功耗大;而針對槽車BOG回收研究較少。目前尚無有效、快捷、高效的槽車BOG回收工藝。

本文針對該問題，提出基于LNG冷量的BOG壓縮液化回收方案，并搭建了實驗裝置，采用液氮和LNG開展了BOG回收實驗測試。

1 BOG壓縮液化回收工藝

從LNG槽車來的LNG含有一定規(guī)模的冷量，可以用該部分冷量對槽車BOG進行液化回收。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換熱過程，LNG換熱器效率為100%。槽車殘余BOG經(jīng)壓縮機加壓后(此時稱為CNG)，進入LNG儲罐底部，與過冷的LNG(LNG0)進行直接接觸進而被液化成為LNG1。為便于計算，假設過冷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BOG壓力為0.3 MPa，經(jīng)壓縮機加壓后壓力為0.5 MPa。模擬了加壓后BOG溫度為-60～40℃對儲罐內(nèi)LNG的影響。

為便于分析，假設儲罐內(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過冷度。其中，LNG儲罐內(nèi)壓力為0.3 MPa，對應飽和溫度為-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℃，過冷度為0.9～1.2℃，即只需要1℃左右的過冷度即可實現(xiàn)BOG的完全液化。

2 實驗開展與結(jié)果分析

2.1 實驗裝置與實驗過程

BOG壓縮液化實驗裝置主要包括10 m3儲罐、2 m3儲罐、壓縮機、壓力傳感器、溫度傳感器，流量計等。具體連接如圖3所示。

實驗參數(shù)設置:壓縮機進氣壓力為0.2～0.3 MPa，壓縮機排氣壓力為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進氣量的質(zhì)量比。

實驗過程包括壓縮機開啟和壓縮液化過程:

(1)壓縮機開啟過程:關(guān)閉閥門V1、V5，打開閥門V2、V3、V4、V6，2 m3儲罐內(nèi)的氣體經(jīng)閥門 V3、10 m3儲罐內(nèi)的氣體經(jīng)閥門V2進入BOG壓縮機加壓后，由排氣口經(jīng)閥門V4、V6進入2 m3儲罐，待BOG壓縮機運行穩(wěn)定后，關(guān)閉閥門V4、V6，打開10 m3儲罐閥門V5。

(2)壓縮機壓縮液化過程:10 m3儲罐內(nèi)的BOG經(jīng)閥門V2、2 m3儲罐內(nèi)的氣體經(jīng)閥門V3進入壓縮機加壓后，經(jīng)閥門V5進入10 m3儲罐液相空間;當2 m3儲罐壓力降低時(罐內(nèi)氣體基本被抽空時)，關(guān)閉閥門V3，打開閥門V1，繼續(xù)上述壓縮液化過程。

2.2 實驗結(jié)果

2.2.1 液氮蒸氣壓縮液化回收實驗結(jié)果

液氮蒸氣在壓縮液化過程中壓縮機進排氣溫度隨時間的變化如圖5所示。

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

由圖5可以看出，隨著壓縮機排氣進入儲罐，儲罐壓力(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這段時間忽略儲罐漏熱引起的儲罐壓力變化)，液位在736～740 mm之間震蕩。

壓縮機停機后的過程:進氣管溫度和排氣管溫度逐步上升，且兩者溫差越來越小。

為計算BOG壓縮液化比，這里做兩個假設:①BOG沒有被液化，儲罐液相體積不變;②BOG完全被液化，儲罐液相體積增加83 L。

由儲罐壓力(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。

該實驗條件下，計算得到:91.7%＜λ＜93.4%。

2.2.2 LNG蒸氣壓縮液化回收實驗結(jié)果

LNG蒸氣在壓縮液化過程中壓縮機進排氣溫度隨時間的變化如圖6所示。

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

由圖7可以看出，隨著壓縮機排氣進入儲罐，儲罐壓力(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這段時間忽略儲罐漏熱引起的儲罐壓力變化)，液位在247～255 mm之間震蕩，這主要是由于BOG氣體的進入對液位產(chǎn)生了輕微的擾動。

壓縮機停機后的過程:進氣管溫度和排氣管溫度逐步上升，且兩者溫差越來越小。

BOG壓縮液化比λ的計算:

實驗過程共有35.4 kg BOG氣體進入儲罐，若全部液化，則體積增加83 L。

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

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

儲罐壓力(表壓)由0.49 MPa上升到0.53 MPa，則儲罐的氣相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)

不同的實驗介質(zhì)對應的實驗參數(shù)如表3所示。

表3 液氨和LNG壓縮液化回收主要實驗參數(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。對于站上剛卸完車的LNG儲罐，卸車后儲罐內(nèi)LNG假設為20 t，而BOG量為100 kg以內(nèi)，則對應的回氣量與液體總量比值＜0.5%，依照上述的實驗結(jié)果趨勢，則BOG液化程度更高，與模擬的結(jié)果保持一致。

2.3 LNG儲罐無損存儲研究

由上述實驗結(jié)果可以看到，BOG經(jīng)BOG壓縮液化后，低溫儲罐壓力均有一定程度的上升，為了更好地測試BOG進儲罐后對儲罐壓力的影響，本研究對BOG壓縮液化進入儲罐后儲罐壓力進行模擬計算分析。為便于分析，作如下假設:

(1)LNG儲罐容積:60 m3。

(2)BOG回收量為100 kg，其對應的儲罐壓力升至0.12 MPa左右(假設BOG壓縮液化比與上述LNG實驗保持一致)，即BOG進氣后儲罐壓力由0.3 MPa上升到0.42 MPa。

(3)BOG壓縮液化進入儲罐后，儲罐不對外加液，僅由于外界漏熱導致儲罐壓力上升。

(4)LNG加氣站儲罐壓力升至1 MPa時，對外排放，即從儲罐當前壓力升至1 MPa所經(jīng)歷的時間為儲罐的無損存儲時間。

采用HYSYS模擬計算，儲罐壓力隨時間的變化如圖8所示。

由圖8可以看出，儲罐氣相壓力從0.42 MPa到1 MPa，需要時間大于58 h。由此可以判斷:①對于加液卸液頻繁的LNG加氣站，則可以實現(xiàn)槽車的BOG回收;②對于加液不頻繁的LNG加氣站，則保守估計可以維持2～3天時間無排放存儲。

3 結(jié)論

本研究針對槽車BOG無有效回收的問題，提出了基于BOG壓縮機利用LNG冷量進行BOG壓縮液化回收的工藝，并開展了實驗測試，測試結(jié)果表明:

(1)BOG回收量與儲罐液體總量比值越小，則BOG液化回收率越高。

(2)對于站上剛卸完車的LNG儲罐，BOG壓縮液化回收率大于90%。

(3)BOG壓縮液化進入LNG儲罐后，LNG儲罐依然可以保持長達58 h的無損存儲時間，這對于LNG加氣站減小BOG排放具有重要的意義。