石油与天然气化工  2023, Vol. 52 Issue (1): 69-73
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    蔚叶
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    蔚叶. LNG接收站BOG产生量的静态计算方法[J]. 石油与天然气化工, 2023, 52(1): 69-73.   DOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2023.01.011
    LNG接收站BOG产生量的静态计算方法
    蔚叶     
    北京燃气天津液化天然气应急储备项目部
    收稿日期：2022-04-07
    作者简介：蔚叶，1995年生，硕士研究生(理学硕士)，2020年毕业于曼彻斯特大学，电力系统工程专业，从事LNG接收站生产运行管理工作。E-mail：13820743091@163.com.
    摘要：目的 研究LNG接收站各工况下BOG产生量的静态计算方法。方法 将接收站的BOG产生拆解成不同的单一原因，并提供各单一原因下BOG产生量的静态计算方法，通过叠加可估算不同工况下全场的BOG产生总量。结果 以北燃LNG项目初设数据为基础，选择在卸船、最小外输、贫液、不装车运行工况下，将静态计算结果与初设提供的仿真计算结果对比分析，显示静态计算方法得出的BOG产生量具有较高的准确度。但静态计算方法现阶段仍具有不足之处。结论 静态计算方法在指导生产运行中有较高的可靠性和可行性。
    关键词：BOG    LNG接收站    静态计算方法    外输工况    
    Static calculation method of BOG generation in LNG terminal
    Yu Ye     
    Beijing Gas Tianjin LNG Emergency Storage Project, Tianjin, China
    Abstract: Objective A static calculation method of BOG generation under various working conditions in LNG terminal was studied. Methods The BOG generation in the LNG terminal was disassembled into different single causes, and the static calculation method of BOG generation under each single cause was provided. The total amount of BOG generation in the terminal under different working conditions can be estimated by superposition. Results Based on the initial data of the Beijing Gas LNG project, the static calculation results were compared with the simulation results under the conditions of unloading, minimum output, lean liquid and no loading. The results show that the BOG production calculated by the static calculation method has high accuracy. However, the static calculation method still has shortcomings at this stage. Conclusion The static calculation method has high reliability and feasibility in guiding production and operation.
    Key words: BOG    LNG terminal    static calculation method    transmission working condition    

    不同LNG接收站的储罐数量、容量、类型、设备型号、管廊排布、管线尺寸等均不相同，因此各接收站在不同工况下的蒸发气(boil off gas, BOG)产生量差异较大。准确计算BOG产生量是保障生产安全的一项重要工作。目前有两种BOG计算方法，即BOG静态计算方法和基于HYSYS仿真的计算方法。考虑到在实际运行中，运行人员大多数无HYSYS软件基础及仿真条件，且现有的技术文件无法穷尽所有工况下的BOG产生量。因此，寻求一种适用于指导运行人员较为准确地计算出不同工况下的BOG产生量的方法，有利于进一步保证LNG接收站的稳定运行。本研究将以北燃LNG项目数据为基础，对比静态计算和仿真计算的差异，由此讨论静态计算方法在指导运行操作方面的可行性。

    1 BOG产生量的仿真计算结果

    北燃LNG接收站初设文件依据是否卸船、5种外输量情况(零气化外输、最小外输、基荷外输、调峰外输、应急外输，如表 1所列)、LNG密度(贫、富液)和是否装车，将接收站划分为40种常见运行工况。但实际运行工况要远超40种。在北燃LNG项目的初设文件中，选26种常见工况，如表 2所列，利用HYSYS软件仿真计算BOG产生量。依照仿真结果，确定BOG产生量的最大正常运行工况为工况6：卸船、零气化外输、富液、不装车。该工况下BOG产生量仿真计算结果为40 712 kg/h。设计人员基于该仿真数据结合N+1备用原则，最终确定选择本项目设置6台压缩机，单台容量为6 145 m3/h。

    表 1    管道外输量

    表 2    计算工况描述

    针对表 2所列工况1，即卸船、最小外输量、贫液、不装车运行工况，初设仿真计算BOG产生量为36 089 kg/h。以下将利用静态计算方法确定工况1下BOG产生的原因及产生量。通过对比静态计算方法与初设仿真计算BOG产生量的结果，确定静态计算方法的准确度及可行性。

    2 基于实际运行工况的BOG产生量静态计算方法

    全厂BOG的产生共有以下几种原因：储罐内LNG吸热蒸发、全厂保冷循环管道内LNG吸热蒸发、卸船过程体积置换产生的BOG、卸船上进料时LNG闪蒸、高低压泵运行剩余热量导致LNG气化、气化外输时体积置换BOG产生量降低、槽车向接收站返气、外界气压变化引起的BOG变化、安全阀起跳、管道泄放、工艺隔离和恢复等[1]。考虑到前6种为工况1下BOG产生量的主要原因，因此将分别对其进行重点研究，利用静态计算方法确定站厂实际运行时BOG产生量，对初设仿真计算得出的BOG产生量进行验证。

    基于初设确定工况1下低温泵运行台数为：低压泵4台，高压泵2台。卸船时选定船侧LNG为富液，密度为467.14 kg/m3，岸侧为贫液LNG，密度为423 kg/m3。组成分别如表 3、表 4所列。

    表 3    贫液组成

    表 4    富液组成

    2.1 储罐内LNG吸热蒸发产生的BOG量

    储罐因为罐壁传热导致LNG吸热蒸发，设计的日最大蒸发率为0.05%。计算公式见式(1)：

    $ Q_1=\Sigma \frac{\rho_{\mathrm{LNG}} V_{\mathrm{T}} \eta}{24} $ (1)

    式中：Q1为储罐内LNG吸热蒸发产生的BOG量，kg/h；ρLNG为储罐内LNG密度，kg/m3；VT为储罐容积，m3，以本厂站为例，为2个全容9%Ni钢储罐，单个容积为20×104 m3，8个薄膜罐，单个容积为22×104 m3；η为储罐的日蒸发率，%，依据其他LNG接收站的实际运行经验，取0.04%。

    在卸船初始，储罐处于非满液位情况，至少有26.6×104 m3的容量余量，在卸船结束后，保守工况为满液位。因此，在卸船前，储罐的最大日蒸发量计算公式见式(2)：

    $ Q_1=\Sigma \frac{\rho_{\mathrm{LNG}}\left(V_{\mathrm{T}}-26.6\right) \eta}{24}=13352.7 \mathrm{~kg} / \mathrm{h} $ (2)
    2.2 保冷循环LNG吸热产生的BOG量

    LNG接收站管道均须采取保冷措施，各工况下，都应保持卸船总管、各储罐的进料管线、低压泵出口管线、低压输送总管、高压泵进、出口管线以及高压输出总管的冷态。冷循环量应保证在循环结束时避免LNG发生气化的可能。本站的保冷材料为PIR与泡沫玻璃。管道保冷循环中，因管道从环境吸热产生的BOG量计算公式见式(3)：

    $ Q_2=\Sigma \frac{q {\rm{ \mathsf{ π} }} D L}{1000 \gamma} \times 3600 $ (3)

    式中：Q2为管道内LNG吸热蒸发产生的BOG量，kg/h；q为管道热损失，取25 W/m2；D为管道直径, m；L为管道长度, m；γ为LNG气化潜热，取510 kJ/kg。

    本站各管道条件及保冷管道从外界吸收热量每小时产生的BOG量见表 5所列。由式(3)可得Q2=10 479.90 kg/h。

    表 5    管道参数及保冷循环产生的BOG量

    2.3 卸船时体积置换产生的BOG量

    LNG船进行卸料时，理论上会因为LNG进入储罐而置换出同体积的BOG，按照保守工况考虑，此工况可依照等量置换原则计算BOG[1]，其计算公式见式(4)：

    $ M_1=\frac{Q_{\mathrm{C}} M_{\mathrm{V}} T_0 p_{\mathrm{T}}}{22.4 T_{\mathrm{T}} p_0} $ (4)

    式中：M1为卸船时储罐体积置换产生的BOG量，kg/h；QC为卸料速率，取本站最大卸料速率12 000 kg/h；MV为罐内蒸发气摩尔质量，取16.41 g/mol；T0为BOG在标准状态下的温度，取273.15 K；p0为BOG在标准状态下的压力，取101.33 kPa；pT为LNG储罐在卸船时的操作压力124.33 kPa；TT为BOG在对应操作压力下的温度，取123.95 K，1 mol气体的体积为22.4 m3。

    由此计算，当以本站最大速率卸船时，体积置换产生的BOG量为M1=23 770.28 kg/h。

    卸船时，为保持卸速，常启用气相返回管线的PCV阀由接收站向船方返气。返气量计算方式同样采取等量计算原则，将船舱LNG的蒸发量纳入计算，计算公式见式(5)：

    $ M_2=\frac{Q_{\mathrm{C}} M_{\mathrm{V}}{ }^{\prime} T_0 p_{\mathrm{T}}{ }^{\prime}}{22.4 T_{\mathrm{T}}{ }^{\prime} p_0}-\frac{0.135 \% V_{\mathrm{C} }\rho}{24} $ (5)

    式中：M2为卸船时船舱需要返回的BOG量，kg/h；TT′为BOG在船上的温度，取142.55 K；pT′为BOG在船上的压力，取117.33 kPa；VC为LNG船容量，取本站可接纳最大船型容量260 000 m3；船日蒸发率取0.135%；ρ为船上LNG密度, kg/m3; MV′为船上蒸发气的摩尔质量，取18.52 kg/mol。

    在卸船初期，船舱LNG满液位时，岸向船返气量最小。在卸料结束后，船舱LNG蒸发率为0，岸向船返气量最大。卸船初期岸向船返气量M2为15 035.2 kg/h。此工况下，HYSYS仿真计算返气量为15 605 kg/h，可见体积置换计算方式较为准确。

    因此，卸船时体积置换产生的BOG量Q3为：

    $ Q_3=M_1-M_2=8735.08 \mathrm{~kg} / \mathrm{h} $ (6)

    式中：Q3为卸船时接收站体积置换产生的BOG量，kg/h。

    2.4 卸船时闪蒸产生的BOG量

    由于高压LNG的饱和温度高，储罐的LNG饱和温度低，当高压LNG进入常压储罐时，饱和温度降低，但是物质的总焓不变，因此部分LNG会吸热气化，即闪蒸。此时，闪蒸的本质为LNG在卸料总管内与进入到储罐后的焓值不同[2]。计算公式见式(7)：

    $ Q_4=\frac{h_1-h_2}{\gamma} Q_{\mathrm{C}} \rho $ (7)

    式中：Q4为卸船时闪蒸产生的BOG量，kg/h；h1为LNG进入储罐后的焓值，取-5 030.424；h2为进入储罐前的LNG的焓值，取-5 030.325；ρ为卸船管线进入储罐的LNG的密度，kg/m3。计算可得，全速卸料期间，闪蒸量Q4约为1 060.32 kg/h。

    2.5 低温泵运行产生的BOG量

    高低压泵为潜液泵，除对LNG做工外，剩余热量将会传入LNG使其气化。因此, 对于高低压泵，携带泵做功的LNG回到储罐会释放一定的BOG；另外，对于高压泵，理论上将再冷凝器出口的LNG全部加压气化外输。但在实际运行中，部分再冷凝器出口的LNG会经过高压泵的回流管线、保冷管线、泵井放空管线以及气化器的排净管线回到储罐而发生闪蒸产生BOG[3]。因此，该部分将分别计算因为泵的运行而产生的BOG量。

    2.5.1 低温泵运行余热产生的BOG量

    在本项目接收站，各区域所需要的保冷量如下：码头110 t/h，槽车总管9.6 t/h，10个储罐100 t/h，12台高压泵120 t/h。因此，全厂保冷量约为340 t/h，需要启动2台低压泵用于保冷。即工况1下，需运行4台低压泵和2台高压泵。低温泵运行产生的BOG量计算方式依照GB 51156-2015《液化天然气接收站工程设计规范》附录A给出的计算公式，见式(8)：

    $ M_3=\Sigma \frac{t P_{\mathrm{L}}\left(1-\eta_{\mathrm{L}}\right)}{\gamma} \frac{F_{\mathrm{LR}}}{F}+\Sigma \frac{t P_{\mathrm{H}}\left(1-\eta_{\mathrm{H}}\right)}{\gamma} \frac{F_{\mathrm{LR}}}{F} $ (8)

    式中：M3为低温泵运行余热产生的BOG量，kg/h；t为功与热之间的换算比，取3 600；PL为低压泵运行功率，单台280 kW；PH为高压泵运行功率，单台1 570 kW；ηL为低压泵效率，取70%；ηH为高压泵运行效率，取74%。

    在初设的HYSYS仿真计算中，低压输出总管的物质流量显示LNG流量为325 880.56 kg/h；进入再冷凝器的BOG流量为36 089.96 kg/h；去槽车总管的LNG流量为9 646.61 kg/h，所以，可计算得到低压泵出口去高压泵的LNG流量为352 323.91 kg/h。LNG经高压泵增压后去往气化器，即去气化器的LNG总流量为352 323.91 kg/h。由此可见，设计考虑低压泵与高压泵出口流量完全气化外输，此为理想状态，在现实中无法实现。因此，该数据需要实际运行数据支撑。由于本项目尚未投产，因而该部分数据缺失。考虑到唐山站站场规模与本站类似，且高低压泵型号与本站相同，故选取唐山站相同运行工况下的数据作参考，如表 6所列[3]。

    表 6    唐山站高低压泵运行参数 

    在实际运行中，返回流量计算方式如下：低压泵返回流量=各低压泵出口总流量-(高压泵入口流量-再冷凝器冷凝的BOG量)；高压泵的返回流量=各高压泵输出总流量-气化器入口总流量。因此，该工况下，低温泵运行余热产生的BOG量为1 776.00 kg/h。

    需注意，唐山数据来源于4个罐保冷的数据，在北燃LNG项目全部投产后10个罐的运行工况下，该部分BOG产生速度实际较目前计算结果会适当增大。

    2.5.2 再冷凝器出口LNG返回储罐的BOG量

    再冷凝器冷凝的BOG不能完全被高压泵加压气化外输，返回至储罐的部分可认为是再冷凝器做了一部分无用功。这个过程被冷凝后又被释放的BOG量的计算公式见式(9)：

    $ M_4=\left(M_5+\frac{C_{\mathrm{BOG}} Q_8 \Delta t}{\gamma}\right) \frac{F_{\mathrm{R}}}{F} $ (9)

    式中：M4为再冷凝器出口返回储罐的BOG量，kg/h；M5为再冷凝器出口返回储罐的BOG量，kg/h；Q8为压缩机处理的BOG量，取36 089.9 kg/h；CBOG为BOG的比热容，取1.987 kJ/(kg·℃)；Δt为压缩机出口至再冷凝器入口的温度差，取100 ℃；F为再冷凝器出口的LNG流量，t/h；FR为再冷凝器出口回流到储罐的LNG总流量，t/h。

    由于初设未考虑此部分BOG产生量，因此选择唐山站相同工况下的数据(见表 6)，在4台低压泵、2台高压泵运行时，$\frac{F_{\mathrm{R}}}{F} $取0.13，计算可得M4约为6 519.60 kg/h。

    因此，因低温泵运行产生的BOG量Q5为：

    $ Q_5=M_3+M_4=8296.36 \mathrm{~kg} / \mathrm{h} $ (10)

    式中：Q5为低温泵运行产生的BOG量，kg/h。

    2.6 气化外输产生的BOG量

    当接收站有气化外输量时，相当于通过抽走LNG而增大罐内BOG的容积。计算方式与体积置换相同，具体公式见式(11)：

    $ Q_6=\frac{V M_{\mathrm{V}} T_0 P_{\mathrm{T}}}{22.4 T_{\mathrm{T}} P_0} $ (11)

    式中：Q6为气化外输时体积置换产生的BOG量，kg/h；V为运行低压泵时的总流量，m3/h。

    该工况下运行4台低压泵总流量约为1 633.00 m3/h；可计算得Q6为3 232.74 kg/h。

    2.7 卸船工况LNG进入储罐冷凝罐壁时产生的BOG量

    卸船过程中，LNG进入储罐时，会冷却罐壁而使部分LNG气化为BOG。因冷凝罐体而产生的蒸发量计算公式见式(12)[4]：

    $ Q_7=\frac{c_{\mathrm{T}} \rho_{\mathrm{T}} V_{\mathrm{UT}} \Delta t}{\gamma} $ (12)

    式中：Q7为LNG冷凝罐壁产生的BOG量，kg/h；cT为储罐内壁材料比热容，取0.502 kJ/kg；ρT为储罐内壁材料密度，按照9%Ni钢材料计算，取7 890 kg/m3；VUT为内罐每小时被冷却的钢板体积，m3；Δt为内罐罐壁温度变化，取22 ℃。

    VUT=内罐钢板厚度×储罐周长×液面上升速率。9%Ni钢储罐内罐钢板厚度由下至上逐渐减小，取上部钢板的平均厚度，约13 mm，直径为84.2 m，液面上升速度等于卸船速度除以储罐内罐截面积，约为0.215 m/h。薄膜罐内罐为不锈钢波纹薄膜，厚度为1.2 mm，直径86.06 m，液面上升速度约为0.206 m/h。因此，北燃LNG接收站卸船时的VUT=2 m3/h，则Q7=332.97 kg/h。

    综上，在卸船、无装车、最小外输量的工况下，BOG产生量为39 022.38 kg/h，与仿真计算结果(36 089 kg/h)的偏差为8.12%。

    本研究提出的静态计算方法现阶段仍有以下不足之处，需在后续工作中进一步完善：①部分数据需要实际的运行数据支撑，在实际投产运行后，本方法计算结果更为精确和贴近实际；②按照初设仿真运算情况以罐压稳定于23 kPa进行计算，但实际工作中，需将罐压改变对BOG产生量的影响纳入计算[5]；③未考虑外界气压变化、安全阀起跳、管道泄放、设备隔离恢复等引起的BOG产生量的变化，在实际运行时均需纳入考虑；④静态计算结果为考虑BOG产生各单一原因叠加的保守结果。在实际运行时，各单一原因并非相互完全独立，因此，静态计算结果仅为参考的估算值，有一定的精确度限制，且在不同工况下精确度也不相同，需要对其他工况作进一步计算和研究。

    3 结论

    (1) 静态计算方法在计算各工况下BOG的产生量时具有较高的准确度。本研究按照设计给出的最小外输工况进行了BOG产生量的静态计算，得到的计算误差较小，计算部分基本无重叠。由于最小外输工况已经包含了全场大部分设备运行下产生BOG的原因，因此可认为静态计算方法能方便、准确地计算出BOG产生量，对于无仿真条件的接收站具有较高参考价值。

    (2) 静态计算方法可用于确定本站实际工况下最小外输量。设计所给出的最小外输量较为保守，未考虑装车和低温泵回流的情况，在本站运行中并不常见。未来槽车装车量预计为每天200车，装车量的需求约为360 t/h，需要另外启动2台低压泵。因此，未来会将槽车装车返气量与因低压泵运行台数调整产生的BOG量纳入考虑，可利用静态计算方法重新确定本站实际最小外输量。

    (3) 静态计算方法可用于确定不同工况下压缩机运行数量与负荷的匹配方案。在了解各部分计算原理和各部分产生的BOG量的大体数值后，运行人员将对全厂各工况的BOG产生量有清晰了解。通过细化各运行工况，可灵活地获得贴近实际运行的压缩机运行数量与负荷的匹配方案。在此方案下指导并保证运行人员工作的平稳性和安全性。同时，了解全厂BOG的产生量对指导下游再冷凝器和增压机的负荷调节也有较高的参考价值。

    (4) 静态计算方法更灵活、更贴近实际运行。由于设计考虑的运行工况偏理想，未将低温泵的回流纳入考虑，因此与实际运行情况差距较大。本研究提出的静态计算方法可弥补此不足，计算结果可依据实际情况增减。

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