输气管道放空天然气回收方案探讨

输气管道放空天然气回收方案探讨1储罐蒸发气的产生LNG一般通过远洋运输船舶运至LNG接收站。船舶抵岸后，通过码头和栈桥的卸料设施和管道，将LNG卸至LNG储罐[1]。以国内正在建设的某LNG接收站16×104m3储罐为例，阐述储罐蒸发气的产生和气量的计算。1.1储罐吸收外部热量产生蒸发气LNG接收站的储罐类型有全容罐、双容罐、单容罐、薄膜罐等[2]。LNG储罐结构复杂，特别是全容罐，其内外两层结构、钢壁和混凝土壁的交错形式，以及复杂的罐顶构件使储罐的吸热计算十分困难；罐内两相流体的热对流、热传递也非常复杂，迄今仍无可靠的方法计算储罐吸收外部热量产生蒸发气的气量。在实际工程中，大多采用经验值法计算。经验值法是根据目前世界上正在运行的LNG接收站储罐实际产生的蒸发气量进行估算的，公式如下：式中：G1为储罐因吸热产生的蒸发气量，kg/h；A为蒸发气产生系数，(0.05%～0.08%)/d；Ve为储罐实际储存LNG的量m3；ρ1为储罐储存LNG的密度kg/m3。LNG是一种混合物，在吸热时，蒸发气的组成与LNG混合物的组成比例不同，是以轻组分为主的混合物。上述公式仅能计算储罐蒸发气的产生量，无法计算LNG蒸发气的组分。蒸发气的组分计算采用闪蒸计算法，在实际工程中，一般借助软件进行计算。1.2体积置换产生蒸发气因体积置换产生的蒸发气量是指在LNG进料或出料时，由于LNG的进出导致储罐内蒸发气的增减量：式中：G2为因进出料变换引起的蒸发气量，kg/h；Qin为进入LNG储罐的LNG量，m3/h；Qout为排出LNG储罐的LNG量，m3/h。在体积置换过程中，置换的蒸发气不是按原LNG的组分比例排出，同样存在轻组分比例较大的现象，这部分蒸发气组分采用理论计算比较困难，在实际工程中，按储罐吸热模式来计算。1.3其他原因产生的蒸发气其他原因产生的蒸发气是指在外部条件发生变化或事故情况下产生的蒸发气。外部条件变化主要包括因大气压下降而产生的蒸发气，事故状态主要包括因储罐蒸发气外输系统发生故障，紧急排放或打开安全装置产生的蒸发气。由于这部分蒸发气量受LNG接收站所处环境、工艺系统设计方法和自控控制水平限制，产生的蒸发气量各不相同。在实际中，这部分蒸发气的产生量较少，通常不做考虑。2卸料和非卸料期间蒸发气的计算2.1卸料期间的储罐蒸发气卸料期间是指当LNG船舶到达码头后，进行卸料作业的过程。卸料期间储罐内产生的蒸发气除了正常状态下产生的蒸发气外，还包括LNG吸收卸料管道热量产生的蒸发气和蒸发气返回船舱弥补真空的气量。吸收卸料管道热量产生的蒸发气是指在卸料期间，船舶LNG在船泵输出压力下进入卸料管道后吸收的热量，此时LNG处于过冷状态，当LNG到达储罐后，由于压力降低，部分LNG转化为蒸发气。卸料期间储罐产生的蒸发气为：式中：GU为非卸料期间储罐的蒸发气量，kg/h；GP为吸收卸料管道热量产生的蒸发气量，kg/h；QP为模拟储罐吸热所产生的蒸发气量，m3/h；T为LNG的温度，K；L为管道长度，m；D为管道直径，mm；n为弯头个数；E为高程，m。由于LNG在卸料管道内处于单相液体状态，故其吸收热量的过程与普通管道的传热并无区别，当LNG经过调压装置后压力降低，进入储罐时部分LNG转化为蒸发气，此时蒸发气的量与LNG从管道中吸取的热量存在函数关系。在实际工程中，此时产生的蒸发气GP按储罐吸热的模式计算，即LNG从管道中吸取的热量近似于储罐从外界吸取的热量。在软件模型中，将QP作为储罐吸热来计算产生的蒸发气量。储罐产生的蒸发气在进入蒸发气处理系统之前将分流给LNG船舶补真空气，补真空气的蒸发气一般通过加压设备加压后进入船舱，加压设备包括风扇、鼓风机、压缩机等，不同等级设备的选用主要是依据蒸发气补真空气需要压力的高低。补真空气的目的是保障船舶在卸料期间，使船舱保持一定的压力，避免形成真空状态。卸料期间进入再冷凝系统的储罐蒸发气的计算公式为：式中：GR-S为蒸发气返回船舱补真空的气量，kg/h；GU-R为卸料期间进入再冷凝系统的储罐蒸发气量，kg/h；VS为船舱容积，m3；ρB为船舱内蒸发气的密度，kg/m3。2.2非卸料期间的储罐蒸发气非卸料期间储罐蒸发气与卸料期间相比，少了进入LNG储罐的置换蒸发气和吸收管道热量产生的蒸发气，增加了LNG吸收循环管道热量产生的蒸发气，蒸发气的计算与GP类似。非卸料期间储罐蒸发气为：式中：Gc为LNG吸收循环管道热量产生的蒸发气量，kg/h；GH为非卸料期间储罐的蒸发气量，kg/h。此时对于LNG低压泵输入而产生的储罐真空，由蒸发气压缩机出口蒸发气弥补，储罐吸入的蒸发气不应作为储罐蒸发气来考虑。非卸料期间储罐蒸发气进入再冷凝系统的蒸发气为：3储罐蒸发气的控制根据工程实际情况，储罐蒸发气绝大部分来源于LNG卸料期间，LNG进入储罐置换出的蒸发气，即G2；其次是LNG吸收的管道热量和储罐吸收的热量，即GP和G1。以国内某接收站实际工程计算为例，当接收站罐容为2座16×104m3储罐、卸料管道长约2km，外输天然气量约43×104kg/h时，卸料期间G2约为2.78×104kg/h，G1约为4630kg/h，GP约为1990kg/h；非卸料期间G1约为4630kg/h。在卸料期间，因卸料而置换的蒸发气约为80%。其可控制的环节是减少单位时间内的卸料量，从而有效减少储罐蒸发气的量，但卸料速率通常是由航道、自然条件和卸料管道长度综合确定的。如果卸料时间过长，对船舶费用、周边航道安全、船舶大小都有很大影响。目前世界上的LNG接收站多以大卸料速率为设计原则，其次是储罐从外部吸热和LNG从卸料管道吸热产生的蒸发气。对于这两部分可以采取的措施，一是增强储罐和卸料管道的保温效果；二是缩短卸料管道的长度和直径。非卸料期间储罐蒸发气的控制可采取第一种措施。