LNG接收站储罐冷却过程中蒸发气体的零排放技术
孔令海1, 黎文锋1, 邓文源2, 童文龙1
1.广东珠海金湾液化天然气有限公司
2.广东电网有限责任公司佛山电力局

作者简介:孔令海,1972年生,高级工程师,硕士研究生;主要从事LNG项目建设及技术管理工作。地址:(519000)广东省珠海市香洲区人民东路313号恒和中心16楼。电话:(0756)3220522。ORCID: 0000-0002-8083-187X。E-mail: konglh@cnooc.com.cn

摘要

LNG接收站的大型储罐在投用前需要逐步冷却至–162 ℃,冷却前储罐内充满氮气,冷却过程中将产生大量高含氮气的蒸发气体(BOG),LNG接收站工艺系统无法对其回收利用,只能直接排放至火炬;同时LNG储罐冷却中后期产生BOG的流量极大,超出了接收站BOG的回收处理能力,大量BOG被排放至火炬,造成大量浪费。为此,珠海LNG接收站通过调研国内已投用LNG储罐的冷却方式,并对其预冷过程进行研究,创新性地提出了储罐冷却前下排式氮气置换法和“BOG+LNG”储罐冷却工艺,降低了LNG储罐冷却过程中BOG的氮气含量,提高了LNG接收站冷能利用效率,同时也降低了BOG的产生量,使之能更好地匹配于LNG接收站BOG的回收处理能力。现场实验结果表明:①下排式氮气置换法能够在LNG储罐冷却前将罐内氮气置换至合格要求;②“BOG+LNG”储罐冷却工艺能够有效降低LNG储罐冷却过程中BOG的产生量,使之不超过LNG接收站的回收处理能力,实现了LNG储罐冷却过程中BOG的零排放。该方法可作为LNG储罐投产试车的借鉴和参考。

关键词: LNG接收站; 储罐; 投产试车; 氮气置换; 预冷; BOG; 零排放; 仿真; 置换
BOG zero emission technology in the process of tank cooling in LNG terminals
Kong Linghai1, Li Wenfeng1, Deng Wenyuan2, Tong Wenlong1
1. Guangdong Zhuhai Golden Bay LNG Ltd., Zhuhai, Guangdong 519001, China
2. Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Foshan, Guangdong 528000, China
Abstract

Large-scale tanks in LNG terminals should be cooled gradually down to –162 ℃ before they are put into service. Before the cooling operation, tanks are full of nitrogen. In the process of cooling, therefore, a large amount of boil-off gas (BOG) with high nitrogen content is generated, but it can only be discharged directly to the flare because the technological system of an LNG terminal is incapable of recycling it. Besides, the BOG flow rates in the middle and late stages of LNG tank cooling are extremely high, being beyond the recycling capacity of the terminal, so a large amount of BOG is discharged to the flare. As a result, a large amount of waste is generated. To solve this problem, the Zhuhai LNG Terminal investigated the cooling modes of in-service LNG tanks in China and studied their precooling processes and innovatively proposed a down-discharge nitrogen replacement method before tank cooling and a "BOG+LNG" tank cooling technology. As a result, nitrogen content of BOG in the cooling process of LNG tanks is decreased and cold energy utilization efficiency of LNG terminals is improved. Meanwhile, BOG generated in the process of LNG tank cooling is decreased to well match the BOG recycling capacity of LNG terminals. On-site experimental results indicated that by virtue of down-discharge nitrogen replacement , the nitrogen inside the tank is replaced to a qualified level. With the "BOG+LNG" tank cooling technology, BOG generated in the process of LNG tank cooling is reduced effectively, without exceeding the recycling capacity of the terminal. Thus, BOG zero emission is realized in the process of LNG tank cooling. This method can provide a reference for operation and production of LNG tanks.

Keyword: LNG terminal; Tank; Nitrogen replacement; Precooling; Boil-off gas (BOG); Zero emission; Simulation; Replacement

自2006年广东深圳大鹏LNG(液化天然气)接收站项目一期工程正式投产以来, 中国沿海LNG接收站建设进入高峰期[1], 目前已经投产LNG接收站11座, 投用16× 104 m3常压LNG储罐32座, 另有十几座大型LNG储罐即将投用或正在建设当中。接收站LNG储罐在投用前需要逐步冷却至– 162 ℃, 每座16× 104 m3常压LNG储罐冷却将消耗LNG2 200 m3, 冷却过程中产生的蒸发气(BOG)基本全部被放空, 从而造成大量浪费。为此, 通过优化LNG储罐冷却工艺, 提前置换氮气, 采用“ BOG+LNG” 冷却法(指引入LNG接收站自蒸发低温BOG, 采用LNG喷淋控温对LNG储罐进行递进式预冷, 直至冷却完成, 少量填充LNG)减少LNG储罐冷却过程中BOG的产生量, 满足LNG接收站工况要求, 实现了LNG储罐冷却过程中的BOG零排放, 极大地节省了调试成本。

1 LNG储罐冷却工艺及BOG零排放实施难点

LNG储罐冷却工艺主要是通过LNG对充满氮气的LNG储罐进行喷淋, 按3~5 ℃/h的降温速率对LNG储罐内壁及底部进行冷却, 直至LNG储罐底部温度冷却至– 155 ℃以下, LNG储罐开始小流量缓慢进液, 并建立一定液位, LNG储罐冷却过程中产生的BOG通过火炬进行放空, 冷却时要求LNG储罐底部或罐壁任意两个相邻检测点的温度梯度不得超过30 ℃, 内罐底部和罐壁表面的温度梯度不得超过50 ℃[2, 3], LNG储罐预冷过程图1所示。LNG储罐冷却实现BOG零排放主要存在以下难点:①冷却前LNG储罐内充满氮气, 冷却时BOG中氮气含量高, 对工艺系统造成影响; ②LNG储罐冷却过程中LNG的消耗量大, 短时间内产生较多BOG; ③LNG接收站正常工艺流程无法处理储罐冷却过程中产生的大量BOG。因此实施LNG储罐冷却过程中BOG零排放需要首先解决BOG中氮气含量高和短时间内BOG生成量大的问题。

图1 大型LNG储罐冷却过程图

2 LNG储罐冷却BOG零排放关键技术
2.1 LNG储罐冷却前置换氮气

2.1.1 置换氮气技术思路

传统LNG储罐冷却方式并未全面考虑LNG储罐氮气置换, 只是利用卸料管道冷却时产生的BOG对LNG储罐进行初步置换或不置换直接冷却, 导致LNG储罐冷却时BOG中氮气含量高, LNG储罐冷却完成投用一段时间后, 残留氮气逐步减少。结合甲烷(LNG的主要成分)与氮气的密度特性[4]表1)及LNG储罐的管道设置[5], 提出如下氮气置换技术思路:①利用甲烷及氮气的密度性质, 将常温天然气(BOG)通过工艺管道从LNG储罐顶部注入常温储罐(图2); ②控制LNG储罐处于稳压状态, 通过LNG储罐底部氮气吹扫管线将氮气排出(图2); ③密切监测氮气出口的可燃气体浓度, 将含有可燃气的氮气引入火炬放空直至置换合格。

图2 常温BOG置换氮气的过程图

表1 甲烷及氮气在压力为117 kPa、不同温度下的密度值统计表

2.1.2 常温天然气置换氮气实施情况

调整LNG接收站低温BOG压缩机负荷, 将出口常温(15~20 ℃)天然气(BOG)通过LNG接收站放空管线由LNG储罐顶部进入LNG储罐, 控制LNG储罐压力为20 kPa, 调整进入LNG储罐的气体量约5 000 m3/h, 氮气由LNG储罐内底部氮气吹扫管线引出, 整个置换过程持续40 h, 当氮气出口检测甲烷含量为85%时停止置换。氮气排放口甲烷检测情况如表2所示。

表2 氮气排放口甲烷含量检测情况表
2.2 LNG储罐冷却模拟及分析

2.2.1 LNG储罐冷却常规方式

LNG储罐冷却的常规方法为直接采用LNG喷淋方式冷却LNG储罐, 如图3所示, 喷入的LNG对周围的气体进行冷却, 再由冷却的气体对LNG储罐内壁吸热冷却(主要指内罐钢板、吊顶钢板、罐底、罐顶及环形空间保温材料), 直至LNG储罐冷却完成。冷却过程中大部分冷量来不及吸热便直接排放至火炬。

图3 LNG储罐常规喷淋冷却示意图

通过Simulink仿真工具采用MATLAB编程搭建LNG储罐冷却动态仿真平台[6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13](图4), 模拟LNG储罐冷却各阶段的LNG消耗量及时间, 结合福建LNG、浙江LNG及珠海LNG储罐冷却实例, 进行计算方式复核[14, 15, 16, 17], 结果如表3所示。

图4 LNG储罐冷却模拟平台搭建示意图

表3 LNG储罐常规冷却方式下LNG消耗量及持续时间的结果统计表

根据模拟结果得到LNG储罐冷却常规方式下LNG的消耗量及持续时间。

2.2.2 “ BOG+LNG” 储罐冷却

为了有效降低LNG储罐冷却操作风险, 减少LNG储罐冷却过程中BOG的生产量, 根据低温BOG密度特性(表1), 充分利用LNG接收站已投用储罐自蒸发产生的低温BOG冷量来冷却LNG储罐(图5), 通过工艺管道将低温BOG由下进液管线送入冷却LNG储罐, 调节进入LNG储罐的BOG量(3000~12 000 m3/h)和温度(在卸料总管喷入LNG, 控制BOG温度为– 120~– 155 ℃)以维持LNG储罐冷却速度, 冷却至目标温度后小流量填充LNG直至LNG储罐冷却完成。

图5 采用“ BOG+LNG” 储罐冷却示意图

按照2.2.1模型改变冷量吸热方式搭建平台, 并按照2.2.1方式模拟“ BOG+LNG” 储罐冷却各阶段温度变化情况, 计算复核LNG消耗量, 初步得到结果如表4所示。

表4 “ BOG+LNG” 储罐冷却LNG消耗量模拟结果表

2.2.3 两种LNG储罐冷却方式比较

1)两种方式均可完成LNG储罐冷却。

2)采用喷淋方式冷却LNG储罐时间短, 约59 h; 采用“ BOG+LNG” 方式冷却LNG储罐耗时长, 约122 h。

3)采用喷淋方式冷却LNG储罐单位时间的LNG消耗量大, LNG储罐冷却速率快; 采用“ BOG+LNG” 方式冷却LNG储罐单位时间的LNG消耗量小, LNG储罐降温速率慢。

4)采用“ BOG+LNG” 方式冷却LNG储罐在冷却后期降温速度慢, 需要加大LNG喷淋量。

3 LNG储罐冷却BOG零排放实践
3.1 珠海LNG“ BOG+LNG” 储罐冷却

利用已投用储罐自蒸发气冷却LNG储罐的过程如图6所示, 利用已投用LNG储罐1、2自然蒸发的低温BOG(最低温度可达– 140 ℃), 由卸料总管(图6中5所示)经底部进料管线进入预冷LNG储罐3, BOG由LNG储罐顶部管线排出储罐(图6中4所示), 经BOG压缩机处理外输。LNG储罐冷却过程中通过向卸料总管喷淋LNG对自蒸发BOG进行控温, 以保证LNG储罐温降速度为– 1~– 4 ℃/h, LNG储罐冷却后期引入少量LNG对储罐进行深冷直至LNG储罐冷却完成。

图6 利用已投用储罐自蒸发气冷却LNG储罐的过程图

对预冷LNG储罐3在冷却过程中实际LNG消耗量及冷却持续时间进行统计, 结果如表5所示。

表5 LNG储罐冷却中LNG消耗量的统计表

对比珠海LNG两种储罐冷却方式, 已投用LNG储罐1、2采用喷淋方式冷却, 冷却过程中生产的BOG通过火炬放空, 时间短, LNG消耗量大, LNG储罐3冷却前开展氮气置换, 采用“ BOG+LNG” 方式对LNG储罐进行冷却, LNG消耗量少, 耗时长。3座LNG储罐冷却过程中LNG消耗量及冷却时间统计结果如表6所示。

表6 采用不同LNG储罐冷却方式所消耗得LNG量统计表
3.2 LNG储罐冷却BOG零排放

一般情况下LNG接收站采用再冷凝方式处理BOG, 根据高压泵的特性及工况要求, 再冷凝器只能按照一定气液比处理BOG。根据表2表5工况下产生的BOG量, 按照接收站再冷凝器设计要求, BOG再冷凝处理对应一定的外输量[18, 19, 20], 根据珠海LNG设计要求BOG处理对应流量如表7 所示。由表7可知, 当再冷凝BOG量超过3× 104 m³ /h时, 瞬时气体外输量达51× 104 m3/h, 参与冷凝的LNG量将达408 m3/h, 这种工况对现实中接收站生产要求比较高, 基本无法处理。珠海LNG在储罐C冷却期间, BOG氮气含量极低, 最高BOG量为1.9× 104 m3/h, 最高气体外输量为32× 104 m3/h, 冷却期间所有BOG直接通过再冷凝方式回收, 实现储罐冷却BOG零排放。

表7 BOG再冷凝对应外输量表
4 结论

1)LNG储罐在冷却前可以采取底部排氮气法置换储罐中的氮气, 置换效果非常理想。

2)采用储罐底部进气法比顶部喷淋LNG法冷却效率更高, 冷能利用更充分, 消耗冷量更少。

3)采用“ BOG+LNG” 冷却法能够减少LNG储罐冷却过程中BOG的产生量, 匹配LNG接收站BOG处理能力, 实现LNG储罐冷却BOG零排放。

4)“ BOG+LNG” 冷却法在LNG储罐冷却过程中LNG消耗量少, 能够有效实现节能减排, 减少损耗。

5)储罐底部氮气置换法及“ BOG+LNG” 储罐冷却法可作为今后LNG储罐投产试车的借鉴和参考。

The authors have declared that no competing interests exist.

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