林本卿

基于普遍化壓縮因子對(duì)小型LNG儲(chǔ)罐蒸發(fā)氣的計(jì)算研究

林本卿

（中海油海南天然氣利用有限公司， 海南 海口 570105）

針對(duì)小型液化天然氣（LNG）儲(chǔ)罐，基于普遍化壓縮因子圖，在LNG儲(chǔ)罐工作壓力范圍內(nèi)，對(duì)理想氣體狀態(tài)方程加以修正，建立LNG儲(chǔ)罐工作壓力與壓縮因子的關(guān)系，從而計(jì)算小型LNG儲(chǔ)罐內(nèi)蒸發(fā)氣（BOG）質(zhì)量，并提出改進(jìn)的計(jì)算方法和BOG回收利用方案建議。

LNG儲(chǔ)罐；壓縮因子；BOG蒸發(fā)；質(zhì)量計(jì)算

天然氣是一種混和物，其組分因氣田產(chǎn)氣不同，以甲烷為主，以N及C2～C5的飽和烷烴類為輔，同時(shí)還含有少量的氦、氧、二氧化碳及硫等成分。LNG（Liquefied Natural Gas），即液化天然氣，是指對(duì)天然氣原料進(jìn)行預(yù)處理，脫除其中的各類雜質(zhì)，并通過低溫工藝?yán)鋮s所形成低溫的液體混合物。LNG為無(wú)色無(wú)味無(wú)毒無(wú)腐蝕性的液體，它的密度為0.425 t·m-3左右，燃點(diǎn)是650 ℃，沸點(diǎn)為-162.5 ℃，爆炸極限為5.0%～15％，壓縮系數(shù)約為0.74～0.82。LNG液化后體積可以縮小為氣態(tài)天然氣體積的1/600，因便于儲(chǔ)存廣泛利用在交通、生活各個(gè)領(lǐng)域。此外，LNG攜帶的冷量還可以進(jìn)行回收利用，應(yīng)用于發(fā)電、空調(diào)、冷鏈、輪胎粉碎等多個(gè)領(lǐng)域。

1 LNG儲(chǔ)存

LNG常規(guī)的儲(chǔ)存方法包括常壓儲(chǔ)存和帶壓儲(chǔ)存，采用什么儲(chǔ)存方式，主要取決于儲(chǔ)存量的大小。例如，使用16萬(wàn)m3大型儲(chǔ)罐可以儲(chǔ)存約6萬(wàn)t LNG，設(shè)計(jì)壓力常壓；在LNG加氣站，則使用60 m3小型儲(chǔ)罐儲(chǔ)存24 t LNG，設(shè)計(jì)壓力1.2 MPa；LNG槽車使用54 m3小型儲(chǔ)罐儲(chǔ)存20 t LNG，設(shè)計(jì)壓力0.8 MPa等。LNG鋼制儲(chǔ)罐型式可以分為立式和臥式，由于立式儲(chǔ)罐占地面積較小，適用于儲(chǔ)存量較小場(chǎng)合，臥式則較大；立式儲(chǔ)罐要考慮風(fēng)載，而臥式儲(chǔ)罐則不需要，但地下儲(chǔ)罐需要考慮抗浮措施；臥式儲(chǔ)罐儲(chǔ)存液位較低，因此可以忽略液柱靜壓力，立式儲(chǔ)罐儲(chǔ)存液位較高，要考慮液體靜壓；在液位較低時(shí)，立式儲(chǔ)罐氣相空間溫度變化較大，臥式則要小很多。儲(chǔ)罐是LNG產(chǎn)業(yè)終端核心存儲(chǔ)容器，其存儲(chǔ)容積的精確標(biāo)定對(duì)計(jì)算終端站點(diǎn)LNG庫(kù)存有重要意義[1]。本文研究對(duì)象為帶壓儲(chǔ)存的小型LNG臥式儲(chǔ)罐，不考慮儲(chǔ)罐氣相空間溫度場(chǎng)變化。

2 LNG蒸發(fā)

LNG儲(chǔ)存在低溫儲(chǔ)罐中，由于真空度和物質(zhì)換熱原因，罐內(nèi)LNG儲(chǔ)存會(huì)不斷吸收外界熱量，從而導(dǎo)致部分LNG氣化為氣態(tài)，這種氣體就是蒸發(fā)氣（BOG，Boil Off Gas）。LNG蒸發(fā)氣會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐壓力升高，造成罐內(nèi)LNG液體不穩(wěn)定，對(duì)終端用戶也不利于儲(chǔ)存和使用，是LNG產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)關(guān)注研究的對(duì)象。BOG的組成主要取決于LNG的組分，對(duì)于理論純甲烷，在溫度低于-107 ℃的蒸發(fā)氣密度等于空氣密度。在日常生產(chǎn)過程中，由于溫度不斷升高，部分液體不斷氣化，直至壓力達(dá)到甲烷在相應(yīng)溫度下的飽和壓力為止。因此，在LNG組分不變的情況下，溫度越高，BOG的量越大。在儲(chǔ)罐儲(chǔ)存及生產(chǎn)運(yùn)行過程中，由于儲(chǔ)罐保溫失效或漏熱等作用，罐內(nèi)將會(huì)蒸發(fā)一定量的BOG。

在對(duì)天然氣儲(chǔ)存量盤點(diǎn)計(jì)算過程中，常常只計(jì)算儲(chǔ)罐內(nèi)液相天然氣而忽視了氣相BOG的質(zhì)量，這不利于天然氣儲(chǔ)存量及安全管理。因此，如何準(zhǔn)確計(jì)算BOG質(zhì)量是LNG產(chǎn)業(yè)重要內(nèi)容。陳銳瑩等[2]對(duì)液化天然氣儲(chǔ)罐靜置過程中的日蒸發(fā)率進(jìn)行全三維仿真模擬計(jì)算；趙金睿等[3]對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)液化天然氣取樣化驗(yàn)計(jì)算密度值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合篩選，從而計(jì)算LNG質(zhì)量。但該方法對(duì)LNG組分、溫度變化不具有普遍適用性；李清等[4]及王友良[5]分別對(duì)船舶用儲(chǔ)罐和加氣站儲(chǔ)罐LNG存量分析計(jì)算，未考慮BOG蒸發(fā)量。本文擬通過分析小型LNG儲(chǔ)罐內(nèi)BOG的體積、壓力、溫度、壓縮因子等各項(xiàng)參數(shù)關(guān)系，建立BOG質(zhì)量計(jì)算模型，為L(zhǎng)NG加氣站、氣化站等小型LNG儲(chǔ)罐的BOG計(jì)算提供參考。

3 計(jì)算推導(dǎo)

由于LNG儲(chǔ)罐為密閉空間，且對(duì)于中小型儲(chǔ)罐氣相空間的溫度變化不明顯，因此本次計(jì)算不考慮溫度場(chǎng)導(dǎo)致密度變化因素。

在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)，BOG的質(zhì)量等于密度和氣相空間體積的乘積，也就是：

得出

據(jù)此，綜合公式（1）、（2）、（3），得到LNG儲(chǔ)罐BOG質(zhì)量公式如下：

4 壓縮因子

壓縮因子是針對(duì)真實(shí)氣體的PVT性質(zhì)中，應(yīng)用較為廣泛而且是最為直接、準(zhǔn)確的狀態(tài)方程，代表實(shí)際氣體與理想氣體的偏離程度，對(duì)理想氣體狀態(tài)方程加以修正，如公式（2）所示。顯然，可見壓縮因子量綱是一。對(duì)于理想氣體，在任何溫度和壓力條件下均為1。在<1時(shí)，真實(shí)氣體的摩爾體積（V）比同等條件下理想氣體的摩爾體積小，更易于壓縮；在>1時(shí)，真實(shí)氣體的摩爾體積比同等條件下理想氣體的摩爾體積大，更難于壓縮。由于反映出真實(shí)氣體壓縮的難易程度，所以將它稱為壓縮因子。實(shí)際氣體僅在壓力較低（<1.0 MPa）、溫度較高（在10～20 ℃時(shí)）的情況下近似滿足理想氣體狀態(tài)方程式。當(dāng)壓力很高或溫度很低時(shí)，則要引入壓縮因子。

由于在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓縮因子由天然氣組分變化引起的變化非常小，趨近于1，可以忽略不計(jì)[6]。本文研究的對(duì)象BOG在生產(chǎn)運(yùn)行過程中處于低溫狀態(tài)（約-120～-160 ℃），因此，只需要考慮壓縮因子對(duì)BOG密度的影響，即可相對(duì)準(zhǔn)確計(jì)算出BOG質(zhì)量。

普遍化壓縮因子圖是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的表示壓縮因子與對(duì)比壓力、對(duì)比溫度關(guān)系的曲線圖。壓縮因子的確定流程一般為：利用給定的壓力和溫度，分別求出對(duì)比壓力P和對(duì)比溫度T，再通過圖1查詢相應(yīng)的壓縮因子。該圖是1936年華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）的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制，1954年納爾遜和奧伯特提高了精度。

圖1 華生和史密斯繪制的普遍化壓縮因子圖

5 結(jié)果分析

對(duì)于某液化廠提供的氣質(zhì)報(bào)告（甲烷83%，=18.87 g·mol-1），在=60 m3臥式儲(chǔ)罐液位為500 mm時(shí)，根據(jù)液位對(duì)照表LNG=26.24 m3，常數(shù)=8.314 J·mol-1·K-1。根據(jù)設(shè)備廠家資料，LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力為1.44 MPa，工作壓力1.2 MPa，在正常生產(chǎn)過程中由于熱量侵入原因，儲(chǔ)罐壓力均在0.1～1.2 MPa內(nèi)波動(dòng)。因此，隨機(jī)截取該壓力范圍內(nèi)壓力和相應(yīng)飽和溫度參數(shù)，并計(jì)算對(duì)比壓力和對(duì)比溫度，即可在圖1中查到壓縮因子，并根據(jù)公式（3）得出BOG質(zhì)量結(jié)果如表1所示。

表1 不同飽和蒸汽壓力下壓縮因子和BOG質(zhì)量

通過上述計(jì)算過程與結(jié)果，可以看出：

1）從溫度與壓力關(guān)系可以看出，在LNG儲(chǔ)罐工作壓力1.2 MPa范圍內(nèi)，溫度越高，壓力也就越大，因此，提高LNG儲(chǔ)罐保溫效果和周轉(zhuǎn)率有利于降低BOG蒸發(fā)量。

2）LNG儲(chǔ)罐內(nèi)BOG質(zhì)量與儲(chǔ)罐容積、液位高度、氣質(zhì)組分、壓力、溫度及其對(duì)應(yīng)壓縮因子等參數(shù)有關(guān)。

3）按LNG密度等于430 kg·m-3計(jì)，液位高度500 mm的液態(tài)LNG質(zhì)量為11 283.2 kg，BOG質(zhì)量在0.87 MPa壓力時(shí)占儲(chǔ)罐內(nèi)天然氣總重量的14.45%，因此在計(jì)算LNG儲(chǔ)罐內(nèi)天然氣總量是不可忽略BOG質(zhì)量。

6 BOG回收

BOG產(chǎn)生因素很多，從源頭上有儲(chǔ)罐選型、卸車、儲(chǔ)存、設(shè)計(jì)、設(shè)備管理等各個(gè)環(huán)節(jié)[7-8]。如在LNG儲(chǔ)罐頂部設(shè)置一套BOG回收系統(tǒng)，在罐內(nèi)壓力達(dá)到某個(gè)設(shè)定值時(shí)，BOG管道氣動(dòng)閥打開，抽取罐內(nèi)BOG，使罐內(nèi)壓力維持在安全范圍內(nèi)[9]。對(duì)于不可避免產(chǎn)生的BOG氣體，回收利用將有助于企業(yè)降本增效和節(jié)能降耗，推動(dòng)燃?xì)馄髽I(yè)高質(zhì)量發(fā)展。BOG產(chǎn)生后，其溫度已經(jīng)高于LNG，要想回收利用，有以下幾種方法：一是利用制冷工藝對(duì)BOG進(jìn)行再液化，這種方法需要投資制冷裝置，適用于BOG產(chǎn)生量大的場(chǎng)合；二是通過回氣到儲(chǔ)罐底部對(duì)BOG進(jìn)行再冷凝，但需要考慮多次進(jìn)行再冷凝會(huì)造成原本穩(wěn)定的LNG蒸發(fā)，因此適用于有一定周轉(zhuǎn)率的場(chǎng)合；三是采用壓縮機(jī)增壓方式變成CNG儲(chǔ)存在氣瓶組，將BOG從1 MPa左右增壓到22 MPa，但有實(shí)踐表明，該方法不但投資改造大，耗電也大，經(jīng)濟(jì)性較差。LNG大型儲(chǔ)罐則設(shè)置；四是就近接入城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿溃恍柰顿Y1臺(tái)氣化計(jì)量加臭一體裝置即可，但LNG成本高于城鎮(zhèn)居民用氣，需要與城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿浪鶎倨髽I(yè)協(xié)商熱值系數(shù)問題。

由此可見，無(wú)論采用何種BOG回收方式，都需要對(duì)原有工藝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，根據(jù)不同的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，并計(jì)算BOG回收利用的投資和收益，才能確定出一個(gè)合理的解決方案。

7 結(jié)論與建議

本文根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程并利用普遍化壓縮因子加以修正，結(jié)合小型LNG儲(chǔ)罐氣相空間及生產(chǎn)參數(shù)特點(diǎn)，推導(dǎo)估算出BOG質(zhì)量，適用于LNG加氣站、氣化站等小型LNG儲(chǔ)罐應(yīng)用場(chǎng)景。其他氣質(zhì)組分、儲(chǔ)罐容積或液位高度情況下也可以依此計(jì)算。同時(shí)，就BOG回收利用提出適用于不同場(chǎng)合的措施，為L(zhǎng)NG高效利用提供解決方案。

如對(duì)BOG質(zhì)量有更加精確的結(jié)果需求，建議從以下幾個(gè)方面加以改進(jìn)：一是儲(chǔ)罐內(nèi)液位、壓力、充裝質(zhì)量之間換算都是以一個(gè)固定的密度值進(jìn)行[10]，未考慮組分、溫度對(duì)液相密度的影響，也就造成了氣相空間BOG的誤差；二是對(duì)于大型LNG儲(chǔ)罐或立式LNG儲(chǔ)罐，氣相空間存在相對(duì)明顯的溫度場(chǎng)，需要考慮溫度梯度與密度關(guān)系；三是對(duì)壓力與BOG蒸發(fā)量的關(guān)系擬合成公式，制作成計(jì)算器，以適應(yīng)不同條件下BOG質(zhì)量計(jì)算。

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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，工程師，碩士研究生，2013年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油與天然氣工程專業(yè)，研究方向：天然氣終端利用項(xiàng)目開發(fā)、建設(shè)管理。

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1004-0935（2022）06-857-04