基于普遍化压缩因子对小型LNG储罐蒸发气的计算研究-林本卿

　　

基于普遍化压缩因子对小型LNG储罐蒸发气的计算研究

林本卿 中海油海南天然气利用有限公司 570105

摘要：针对小型液化天然气（LNG）储罐，基于普遍化压缩因子图，在LNG储罐工作压力范围内，对理想气体状态方程加以修正，建立LNG储罐工作压力与压缩因子的关系，从而计算小型LNG储罐内蒸发气（BOG）质量，并提出改进建议和BOG回收利用方案。

关键词：LNG储罐；压缩因子；BOG蒸发；质量计算

1 前言

天然气是一种混和物，其组分因气田产气不同，以甲烷为主，以N及C2～C5的饱和烷烃类为辅，同时还含有少量的氦、氧、二氧化碳及硫等成分。LNG（Liquefied Natural Gas），即液化天然气，是指对天然气原料进行预处理，脱除其中的各类杂质，并通过低温工艺冷却所形成低温的液体混合物。LNG为无色无味无毒无腐蚀性的液体，它的密度为0.425 t/m3左右，燃点是650℃，沸点为-162.5℃，爆炸极限为5.0%～15％，压缩系数约为0.74～0.82。LNG液化后体积可以缩小为气态天然气体积的1/600，因便于储存广泛利用在交通、生活各个领域。此外，LNG携带的冷量还可以进行回收利用，应用于发电、空调、冷链、轮胎粉碎等多个领域。

2. LNG储存

LNG常规的储存方法包括常压储存和带压储存，采用什么储存方式，主要取决于储存量的大小。例如，使用16万m3大型储罐可以储存约6万吨LNG，设计压力常压；在LNG加气站，则使用60m3小型储罐储存24吨LNG，设计压力1.2Mpa；LNG槽车使用54m3小型储罐储存20吨LNG，设计压力0.8Mpa等。LNG钢制储罐型式可以分为立式和卧式，由于立式储罐占地面积较小，适用于储存量较小场合，卧式则较大；立式储罐要考虑风载，而卧式储罐则不需要，但地下储罐需要考虑抗浮措施；卧式储罐储存液位较低，因此可以忽略液柱静压力，立式储罐储存液位较高，要考虑液体静压；在液位较低时，立式储罐气相空间温度变化较大，卧式则要小很多。本文研究对象为带压储存的小型LNG卧式储罐，不考虑储罐气相空间温度场变化。

3. LNG蒸发

LNG储存在低温储罐中，由于真空度和物质换热原因，罐内LNG储存会不断吸收外界热量，从而导致部分LNG气化为气态，这种气体就是蒸发气（BOG，Boil Off Gas）。LNG蒸发气会导致储罐压力升高，造成罐内LNG液体不稳定，对终端用户也不利于储存和使用，是LNG产业重点关注研究的对象。BOG的组成主要取决于LNG的组分，对于理论纯甲烷，在温度低于-107℃的蒸发气密度等于空气密度。在日常生产过程中，由于温度不断升高，部分液体不断气化，直至压力达到甲烷在相应温度下的饱和压力为止。因此，在LNG组分不变的情况下，温度越高，BOG的量越大。在储罐储存及生产运行过程中，由于储罐保温失效或漏热等作用，罐内将会蒸发一定量的BOG。

在对天然气储存量盘点计算过程中，常常只计算储罐内液相天然气而忽视了气相BOG的质量，这不利于天然气储存量及安全管理。因此，如何准确计算BOG质量是LNG产业重要内容。李玉星等^[1]通过测试实验分析了LNG储罐内BOG空间温度场和日蒸发气体量随时间变化规律；孙宪航等^[2]从环境侵入、LNG泵运行及容积置换三个方面产生的热量比焓推算；宋鹏飞等^[3]对LNG接收站各个工艺环节热输入来计算BOG蒸发量；李清等^[4]及王友良^[5]分别对船舶用储罐和加气站储罐LNG存量分析计算，未考虑BOG蒸发量。本文拟通过分析小型LNG储罐内BOG的体积、压力、温度、压缩因子等各项参数关系，建立BOG质量计算模型，为LNG加气站、气化站等小型LNG储罐的BOG计算提供参考。

4 计算推导

由于LNG储罐为密闭空间，且对于中小型储罐气相空间的温度变化不明显，因此本次计算不考虑温度场导致密度变化因素。

在LNG储罐内，BOG的质量等于密度和气相空间体积的乘积，也就是：

（1）

其中： 为BOG质量，单位kg； 为BOG密度，单位kg/m3； 为BOG体积， 为储罐容积， 罐内液相LNG体积，单位m3。

根据公式（1）， 为储罐容积为给定值，可根据设备铭牌确定； 可以通过液位对照表读取； 可以通过修正的理想气体状态方程计算取得，具体如下：

（2）

得出

（3）

其中： 为储罐压力，单位Pa，可以通过储罐压力表读取； 为BOG气体摩尔质量，需根据气质组分计算； 为理想气体常数，8.314 J/(mol·K)； 为BOG平均温度，单位K。

据此，综合公式（1）、（2）、（3），得到LNG储罐BOG质量公式如下：

（4）

对于给定储罐容积和某种LNG组分，公式（4）中已知 （读压力表）， （气质报告）， ， （压力对应温度）， ， （读液位对照表），需要通过对比压力和对比温度的计算来确定 。

5 压缩因子

压缩因子是针对真实气体的PVT性质中，应用较为广泛而且是最为直接、准确的状态方程，代表实际气体与理想气体的偏离程度，对理想气体状态方程加以修正，如公式（2）所示。显然，可见压缩因子量纲是一。对于理想气体，在任何温度和压力条件下 均为1。在 <1时，真实气体的摩尔体积（ ）比同等条件下理想气体的摩尔体积小，更易于压缩；在 >1时，真实气体的摩尔体积比同等条件下理想气体的摩尔体积大，更难于压缩。由于 反映出真实气体压缩的难易程度，所以将它称为压缩因子。实际气体仅在压力较低（<1.0MPa）、温度较高（在10~20℃时）的情况下近似满足理想气体状态方程式。当压力很高或温度很低时，则要引入压缩因子 。

本文研究的对象BOG在生产运行过程中处于低温状态（约-120℃~-160℃），因此，需要考虑压缩因子对BOG密度的影响，才能更为准确计算BOG质量。

普遍化压缩因子图是根据实验数据绘制的表示压缩因子与对比压力、对比温度关系的曲线图。压缩因子的确定流程一般为：利用给定的压力和温度，分别求出对比压力 和对比温度 ，再通过图1查询相应的压缩因子。该图是1936年华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）的实验数据绘制，1954年纳尔逊和奥伯特提高了精度。

图1 华生和史密斯绘制的普遍化压缩因子图

6 结果分析

对于某液化厂提供的气质报告（甲烷83%， ），在 卧式储罐液位为500mm时，根据液位对照表 ，常数 。根据设备厂家资料，LNG储罐设计压力为1.44Mpa，工作压力1.2Mpa，在正常生产过程中由于热量侵入原因，储罐压力均在0.1Mpa~1.2Mpa内波动。因此，随机截取该压力范围内压力和相应饱和温度参数，并计算对比压力和对比温度，即可在图1中查到压缩因子，并根据公式（3）得出BOG质量结果如表1所示。

表1 不同饱和蒸汽压力下压缩因子和BOG质量

压力Mpa	温度℃	对比压力	对比温度	压缩因子	BOG质量kg
0.18	-156.1	0.04	0.6	0.97	341.15
0.23	-151.9	0.05	0.62	0.96	425.20
0.31	-147.5	0.06	0.65	0.95	558.85
0.4	-142.8	0.09	0.67	0.92	717.76
0.52	-137.9	0.11	0.69	0.91	909.17
0.68	-132.8	0.15	0.72	0.89	1171.46
0.87	-127.5	0.19	0.75	0.87	1477.44
1.11	-122.1	0.24	0.78	0.83	1905.22

通过上述计算过程与结果，可以看出：

（1）从温度与压力关系可以看出，在LNG储罐工作压力1.2Mpa范围内，温度越高，压力也就越大，因此，提高LNG储罐保温效果和周转率有利于降低BOG蒸发量；

（2）LNG储罐内BOG质量与储罐容积、液位高度、气质组分、压力、温度及其对应压缩因子等参数有关；

（3）按LNG密度等于430kg/m3计，液位高度500mm的液态LNG质量为11283.2kg，BOG质量在0.87Mpa压力时占储罐内天然气总重量的14.45%，因此在计算LNG储罐内天然气总量是不可忽略BOG质量；

7. BOG回收

针对LNG储罐产生的BOG气体回收利用，有助于企业降本增效和节能降耗，推动燃气企业高质量发展也有重大意义。BOG产生后，其温度已经高于LNG，要想回收利用。有以下几种方法：一是利用制冷工艺对BOG进行再液化，这种方法需要投资制冷装置，适用于BOG产生量大的场合；二是通过回气到储罐底部对BOG进行再冷凝，但需要考虑多次进行再冷凝会造成原本稳定的LNG蒸发，因此适用于有一定周转率的场合；三是采用压缩机增压方式变成CNG储存在气瓶组，将BOG从1Mpa左右增压到22Mpa，但有实践表明，该方法不但投资改造大，耗电也大，经济性较差；四是就近接入城镇燃气管道，只需投资一台气化计量加臭一体装置即可，但LNG成本高于城镇居民用气，需要与城镇燃气管道所属企业协商热值系数问题。

由此可见，无论采用何种BOG回收方式，都需要对原有工艺系统进行优化改造，根据不同的运营特点，并计算BOG回收利用的投资和收益，才能确定出一个合理的解决方案。

8. 结论与建议

本文根据理想气体状态方程并利用普遍化压缩因子加以修正，结合小型LNG储罐气相空间及生产参数特点，推导估算出BOG质量，适用于LNG加气站、气化站等小型LNG储罐应用场景。其它气质组分、储罐容积或液位高度情况下也可以依此计算。同时，就BOG回收利用提出适用于不同场合的措施，为LNG高效利用提供解决方案。

如对BOG质量有更加精确的结果需求，建议从以下几个方面加以改进：一是储罐内液相容积 是取自于厂家自带的液位对照表，采用的密度均是430kg/m3，未考虑温度对液相密度的影响，也就造成了气相空间 的误差；二是对于大型LNG储罐或立式LNG储罐，气相空间存在相对明显的温度场，需要考虑温度梯度与密度关系；三是对压力与BOG蒸发量的关系拟合成公式，制作成计算器，有利于日常库存盘点查询。

参考文献：

[1] 宋鹏飞，陈峰，侯建国. LNG接收站蒸发气(BOG)的静态计算[J].天然气化·C1化学与化工，2016,(41):48-50.

[2] 李清等. LNG动力船船用储罐液位及储量算法[J].船海工程，2017,46(4):106-109.

[3] 王友良.加气站储罐储气(液)量准确计量的探讨[J].石油库与加油站，2019,28(6):9-15.

[4] 李玉星等.密闭LNG储罐内的压力和蒸发率[J].化工学报，2010，61(5):1241-1246.

[5] 孙宪航等.液化天然气BOG的计算方法与处理工艺[J].油气储运，2012，31(12):931-933.

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