CN103759135B - 一种bog零排放的lng储存方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种BOG零排放的LNG储存方法及装置。本发明装置的导流管一端与BOG冷凝器连接，另一端没入LNG储罐的液相内；BOG冷凝器设置在LNG储罐的上部气相空间；LNG储罐压力检测仪安装在LNG储罐的上部气相空间；冷凝管包括空心管、螺旋翅片和轴向导流板，液氮在管程内，BOG充满在管外；空心管的外周设有螺旋翅片，在空心管的正下端设有轴向导流板；空心管从进口段到出口端倾斜设置，与水平面的倾斜角θ为10°～30°。本发明实现了LNG的储存及BOG的回收的有效集成，在有效储存LNG的同时，实现BOG的零排放，适用性强，易于操控。

Description

一种BOG零排放的LNG储存方法及装置
技术领域
本发明涉及LNG（液化天然气）的储存技术领域，具体涉及一种无BOG（闪蒸汽）的LNG储存方法及装置。
背景技术
LNG储存温度为‐162℃，储存设备为低温常压储罐，LNG中的轻组分蒸发出来所形成的气体即为BOG，BOG聚集在储罐上方形成气相空间。LNG蒸发形成BOG有以下几点的原因：由于LNG与外界的温差可达到200℃以上，外界热量不断透过储罐的内外壁传到储罐内部；LNG罐内液下泵运行时部分机械能转化为热能；LNG船或车卸料时产生的容积置换；大气压变化引起储罐表压变化等等。一般LNG储罐的日蒸发率约为0.05～0.3%（质量）。BOG的产生会使贮罐气相空间的压力升高，造成安全隐患。为了保证储罐的安全，当罐内压力上升到一定值时，需将BOG通过BOG处理系统进行回收利用、排空或燃烧。
目前BOG的处理方法主要有以下四种：①将储罐BOG气体返回LNG船或槽车，填补LNG船罐或槽罐的真空。这种方法简洁、高效，但只适用于LNG船或槽车卸料过程。②送火炬或排入大气。容易产生资源浪费及环境污染，为紧急情况下的安全措施。③直接压缩工艺，即LNG储罐的BOG气体通过压缩机直接加压后输送至燃气管网。此方法能耗高，适合小型调峰型LNG接收站。④再冷凝工艺，即BOG气体通过低温压缩机加压，储罐内的液下泵送出相同压力的LNG，两者按一定比例在再冷凝器中直接换热，LNG利用“显冷”将BOG气体冷凝。这种方法成本高，经济性差，且关键设备即BOG压缩机的制造尚未实现国产化。
中国发明专利申请CN102155615A公开了一种具有BOG回收功能的LNG无泵加气方法及设备，该设备包括LNG加气机、罐车、LNG储罐、增压器、液氮冷肼和液氮储罐，可以实现LNG加气站在卸车和加液过程中为无泵流程，同时可依靠液氮将LNG储罐中的BOG冷凝，从而回收卸液过程中罐车和加液过程中车载钢瓶中的BOG，运行维护费用低，安全性高，但是该专利申请适用范围较小，仅针对LNG加气站的卸车和加液过程产生的BOG，不涉及对其他过程产生的BOG的处理，而且不涉及对LNG接收站、LNG卫星站和LNG调峰站等中大型LNG储存设备BOG的回收处理。此外，BOG冷凝器采用普通蛇形管，不能实现BOG的高效换热冷凝，导致能量利用率较低和液氮用量较大。
上述现有技术均未涉及适用范围广、成本低的真正意义上的BOG零排放的LNG储存方法及装置，也未涉及一种对BOG进行高效换热冷凝的BOG冷凝器设计。因此，有必要开发一种具备广谱性、运行安全稳定、投资费用低、操作灵活且流程简单的BOG零排放的LNG储存系统及高效的BOG冷凝器，以便更为经济有效的回收BOG。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种安全性好、低成本、占地面积小、易维护的BOG零排放的LNG储存方法及装置。
本发明在有效储存LNG的同时，实现BOG的零排放。从根本上解决工业中将BOG输出储罐进行回收处理而导致的设备投资费用高、占地面积大等问题，同时提高了LNG储存的安全性。在各种LNG储存设备，如LNG接收站大型储罐、LNG加气站的小型储罐、LNG槽车上的罐、LNG汽车上的LNG气瓶等，皆可实现BOG的零排放。本发明保证气相BOG上升冷凝过程中阻力小、流动通畅、BOG换热冷凝效率高，也可避免BOG冷凝液直接从冷凝器边缘滴落入储罐的液相中所引起的LNG液滴飞溅的危险，以实现BOG的高效、安全回收。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种BOG零排放的LNG储存装置：包括LNG储罐、液氮储罐、液氮流量调节阀、液氮流量计、液氮泵、LNG储罐压力检测仪、BOG冷凝器和导流管；液氮储罐与液氮泵的进口通过管道连接；液氮储罐与液氮泵的进口连接的管道上依次设有液氮流量计和液氮流量调节阀；液氮泵的出口与BOG冷凝器的进口通过管道连接；导流管一端与BOG冷凝器连接，另一端没入LNG储罐的液相内；BOG冷凝器设置在LNG储罐的上部气相空间；LNG储罐压力检测仪安装在LNG储罐的上部气相空间；
所述BOG冷凝器的冷凝管包括空心管、螺旋翅片和轴向导流板，液氮在管程内，BOG充满在管外；空心管的外周设有螺旋翅片，在空心管的正下端设有轴向导流板；空心管从进口段到出口端倾斜设置，与水平面的倾斜角θ为10°～30°。
优选地，所述轴向导流板的厚度为2‐5mm，高度为1.3‐1.5倍螺旋翅片的高度。
所述螺旋翅片的横截面为等腰三角形，相邻管之间的螺旋翅片交叉排列。
应用上述装置的BOG零排放的LNG储存方法：随着LNG储罐产生的BOG量增加，LNG储罐压力升高，当LNG储罐压力检测仪的检测值高于规定值时，开启流量调节阀，并启动液氮泵，使液氮经流量调节阀、流量计、液氮泵进入BOG冷凝器将BOG冷凝，BOG冷凝形成的冷凝液沿冷凝管的导流板流入导流管并返回LNG储罐的液相区，液氮供冷升温气化为氮气后从BOG冷凝器出口流出；调节液氮流量调节阀，使BOG的冷凝速率大于生成速率，LNG储罐内压力降低；随着BOG的冷凝，LNG储罐压力降低，当LNG储罐压力检测仪的检测值低于规定值时，调节液氮流量，使BOG的生成速率与冷凝速率维持平衡，LNG储罐内压力恒定，实现BOG的零排放。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、工艺成本低：本发明将BOG冷凝器设置在LNG储罐内，将LNG的储存及BOG的回收这两个空间上不同步的工艺创造性地集成，只需BOG冷凝器、液氮及相应的辅助设备即可实现对BOG的冷凝回收，解决了工业中将BOG输出储罐进行回收处理存在的设备投资费用高、占地面积大等问题。该发明成本低、占地面积小，大大降低了BOG的回收成本，利于大范围的推广应用。
2、安全性高：BOG为易燃易爆气体，该方法直接在LNG储罐中将BOG冷凝回收，避免了BOG输出储罐进行压缩处理回收的潜在危险性；以性质稳定无毒的液氮为冷源，提高了方法的安全性。
3、BOG回收效率高、安全：BOG冷凝器冷凝管选用螺旋翅片管，螺旋翅片的截面为等腰三角形，不仅增大换热面积，也增强流体扰动，提高换热效率。通过调整冷凝管与水平面的角度，使管外的轴向导流板具有增大管外换热面积和对BOG的冷凝液进行导流的作用，使BOG的冷凝液能顺利的沿导流板流入导流管并返回LNG液相区，实现BOG的高效和安全回收。
4、适用范围广：本发明工艺流程简单控制方便、安全灵活，在各种LNG储存设备，如LNG接收终端及LNG气化站的大型储罐，LNG槽车上的罐，LNG汽车上的LNG气瓶等，皆可实现BOG的零排放。
附图说明
图1为一种BOG零排放的LNG储存方法及装置的结构示意图。
图2为BOG冷凝器冷凝管的结构示意图。
图3为BOG冷凝器冷凝管的轴向剖面图。
图中示出：LNG储罐101、液氮储罐102、液氮流量调节阀103、液氮流量计104、液氮泵105、LNG储罐压力检测仪106、BOG冷凝器107、导流管108；空心管1、螺旋翅片2、轴向导流板3。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，但具体实施方式并不构成对本发明要求保护范围的限定。
如图1所示，一种BOG零排放的LNG储存装置，包括LNG储罐101、液氮储罐102、液氮流量调节阀103、液氮流量计104、液氮泵105、LNG储罐压力检测仪106、BOG冷凝器107和导流管108；液氮储罐102与液氮泵105的进口通过管道连接；液氮储罐102与液氮泵105的进口连接的管道上依次设有液氮流量计103和液氮流量调节阀104；液氮泵105的出口与BOG冷凝器107的进口通过管道连接；导流管108一端与BOG冷凝器107连接，另一端没入LNG储罐101的液相内；BOG冷凝器107设置在LNG储罐101的上部气相空间；LNG储罐压力检测仪106安装在LNG储罐101的上部气相空间，用于检测LNG储罐101的气相空间的压力。
如图2、3所示，BOG冷凝器107的冷凝管包括空心管1、螺旋翅片2和轴向导流板3，液氮在管程内，BOG充满在管外，即LNG储罐101的气相区。空心管1设有螺旋翅片2，在空心管1的正下端设有轴向导流板3；空心管1从进口段到出口端倾斜设置，与水平面的倾斜角θ为10°～30°；螺旋翅片的螺距依空心管的直径而设定，横截面优选为等腰三角形，相邻管之间的螺旋翅片交叉排列；通过以上对螺旋翅片的设置，即可增大管外的换热面积，增强管外的流体扰动程度，提高换热效率，保证BOG的高效冷凝回收。
轴向导流板3的厚度优选为2‐5mm，高度为1.3‐1.5倍螺旋翅片的高度，该设置不但可进一步增大管外的换热面积10‐20%，提高换热效率5‐10%，而且与空心管1倾斜设置配合保证BOG在冷凝管外壁冷凝成后，在重力作用下可沿导流板流入导流管并返回LNG储罐液相区，避免BOG冷凝液直接从冷凝管边缘滴落入液相的LNG中，引起的LNG液滴飞溅及加剧BOG产生的危险。
随着LNG储罐101产生的BOG量增加，LNG储罐101压力升高，当LNG储罐压力检测仪106的检测值高于规定值（LNG气化站小型储罐压力规定值可为0.8～5.0MPa，LNG接收站大型储罐压力规定值可为15～800kpa）时，开启液氮流量调节阀103，启动液氮泵105，‐196～‐170℃的液氮由液氮储罐102经液氮流量调节阀103、液氮流量计104、液氮泵105进入BOG冷凝器107进口，在冷凝管内将冷凝管外的‐162～‐140℃的BOG冷凝；BOG的冷凝液沿冷凝管的导流板入导流管108，并返回LNG储罐101的液相区，液氮供冷升温气化为氮气后从BOG冷凝器107出口流出。调节液氮流量调节阀103至适宜流量大小，使BOG的冷凝速率大于生成速率，LNG储罐内压力降低。
随着BOG的冷凝，LNG储罐压力降低，当LNG储罐压力检测仪106的检测值低于规定值时，调节液氮流量，使BOG的生成速率与冷凝速率维持平衡，LNG储罐内压力恒定，实现BOG的零排放。
实施例1
某LNG接收站中一种BOG零排放的LNG储存方法及装置，LNG储罐的参数如下：容量16万方，最大设计压力为29kpa，外罐、内罐直径分别为82000mm、80000mm，罐内温度‐162℃，LNG总量7680t，日蒸发率0.05%，BOG冷凝器的工作压力值规定为15～20kpa。
液氮流量的确定：‐162℃BOG产生量qB为7680×0.05%=3.84t/d，即0.16t/h。采用化工流程模拟软件Aspen进行模拟计算，按照‐162℃BOG被冷凝为‐162℃的饱和液体，液氮由‐196℃气化为‐170℃来计算所需液氮流量qN，结果qN=0.365t/h，则回收BOG质量与消耗液氮质量之比。
qB：qN=0.16：0.365=1：2.3
即回收1kgBOG需消耗2.3kg液氮。
项目利润：按照液氮价格1000元/吨，BOG价格3.5元/立方即4800元/吨，则回收16万方的LNG储罐的BOG利润为（4800‐1000）×3.84=14592元/天。
BOG冷凝器参数的确定：上述BOG冷凝过程中，所需换热面积15m2，选择冷凝管规格25x3mm，螺旋翅片高度20mm，螺距8mm，螺旋翅片的横截面为顶角为6°的等腰三角形，如此，可增大管外的换热面积约9倍，提高换热效率80%，保证BOG的高效冷凝回收。
冷凝管总长190m，则单位长度冷凝管的冷凝能力为：0.16×1000÷190=0.85kg/(h·m)，折合0.235g/(s·m)。
选择导流板的尺寸为厚度2mm，高为1.4倍螺旋翅片高度即28mm，导流板所能提供的最大粘附力为0.212g/(s·m)，因此确定冷凝管的倾斜角度θ=arccos0.9=25°。该设置不当可进一步增大管外的换热面积12%，提高换热效率7%，而且可相互配合保证BOG在冷凝管外壁冷凝成后，在重力作用下可沿导流板流入导流管并返回LNG储罐液相区，避免BOG冷凝液直接从冷凝管边缘滴落入液相的LNG中，引起的LNG液滴飞溅及加剧BOG产生的危险。
随着LNG储罐产生的BOG量增加，LNG储罐压力升高，当LNG储罐压力检测仪的检测值超过15kpa时，开启液氮流量调节阀并调节qN>0.365t/h，并启动液氮泵，使‐196℃液氮由液氮储罐经液氮流量调节阀、液氮流量计、液氮泵进入BOG冷凝器进口，在冷凝管内将冷凝管外的‐162℃的BOG冷凝；BOG的冷凝液沿冷凝管的导流板入导流管，并返回LNG储罐的液相区，液氮供冷升温气化为氮气后从BOG冷凝器出口流出。
随着BOG的冷凝，LNG储罐压力降低，当LNG储罐压力检测仪的检测值低于15kpa时，调节液氮流量使qN=0.365t/h，使‐196℃液氮由液氮储罐经液氮流量调节阀、液氮流量计、液氮泵进入BOG冷凝器进口，在冷凝管内将冷凝管外的‐162℃的BOG冷凝；BOG的冷凝液沿冷凝管的导流板入导流管，并返回LNG储罐的液相区，液氮供冷升温气化为氮气后从BOG冷凝器出口流出。如此，则可保证0.16t/h的BOG被冷凝，即BOG的生成速率与冷凝速率维持平衡，LNG储罐内压力恒定，实现BOG的零排放。
实施例2
某LNG卫星站中一种BOG零排放的LNG储存方法及装置，LNG储罐的参数如下：容量350立方，最大设计压力为10Mpa，外罐、内罐直径分别为4500mm、4000mm，罐内温度‐140℃，LNG总量477t，日蒸发率0.1%，BOG冷凝器的工作压力值规定为6Mpa。
液氮流量的确定：‐140℃BOG产生量qB为477×0.1%=0.477t/d，即19.8kg/h。采用化工流程模拟软件Aspen进行模拟计算，按照‐140℃BOG被冷凝为‐140℃的饱和液体，液氮由‐196℃气化为‐170℃来计算所需液氮流量qN，结果qN=40kg/h，则回收BOG质量与消耗液氮质量之比，qB：qN=19.8：40=1：2，即回收1kgBOG需消耗2kg液氮。
项目利润：按照液氮价格1000元/吨，BOG价格3.5元/立方即4800元/吨，则回收350方的LNG储罐的BOG利润为（4800‐1000）×0.477=1813元/天。
BOG冷凝器参数的确定：上述BOG冷凝过程中，所需换热面积0.9m2，选择冷凝管规格25x3mm，螺旋翅片高度15mm，螺距5mm，螺旋翅片的横截面为顶角为5°的等腰三角形，如此，可增大管外的换热面积8倍，提高换热效率75%，保证BOG的高效冷凝回收。
冷凝管总长15m，则单位长度冷凝管的冷凝能力为：19.8÷15=1.32kg/(h·m)，折合0.367g/(s·m)。
选择导流板的尺寸为厚度2.5mm，高为1.5倍螺旋翅片高度，即2.25mm，导流板所能提供的最大粘附力为0.338g/(s·m)，因此确定冷凝管的倾斜角度θ=arccos0.9=23°。该设置不但可进一步增大管外的换热面积10%，提高换热效率8%，而且可相互配合保证BOG在冷凝管外壁冷凝成后，在重力作用下可沿导流板流入导流管并返回LNG储罐液相区，避免BOG冷凝液直接从冷凝管边缘滴落入液相的LNG中，引起的LNG液滴飞溅及加剧BOG产生的危险。
随着LNG储罐产生的BOG量增加，LNG储罐压力升高，当LNG储罐压力检测仪的检测值超过6Mpa时，开启液氮流量调节阀并调节qN>40kg/h，并启动液氮泵，使‐196℃液氮由液氮储罐经液氮流量调节阀、液氮流量计、液氮泵进入BOG冷凝器进口，在冷凝管内将冷凝管外的‐140℃的BOG冷凝；BOG的冷凝液沿冷凝管的导流板入导流管，并返回LNG储罐的液相区，液氮供冷升温气化为氮气后从BOG冷凝器出口流出。
随着BOG的冷凝，LNG储罐压力降低，当LNG储罐压力检测仪的检测值低于6Mpa时，调节液氮流量使qN=40kg/h，使‐196℃液氮由液氮储罐经液氮流量调节阀、液氮流量计、液氮泵进入BOG冷凝器进口，在冷凝管内将冷凝管外的‐140℃的BOG冷凝；BOG的冷凝液沿冷凝管的导流板入导流管，并返回LNG储罐的液相区，液氮供冷升温气化为氮气后从BOG冷凝器出口流出。如此，则可保证19.8kg/h的BOG被冷凝，即BOG的生成速率与冷凝速率维持平衡，LNG储罐内压力恒定，实现BOG的零排放。

Claims (4)

1.一种BOG零排放的LNG储存装置，其特征在于：包括LNG储罐、液氮储罐、液氮流量调节阀、液氮流量计、液氮泵、LNG储罐压力检测仪、BOG冷凝器和导流管；液氮储罐与液氮泵的进口通过管道连接；液氮储罐与液氮泵的进口连接的管道上依次设有液氮流量计和液氮流量调节阀；液氮泵的出口与BOG冷凝器的进口通过管道连接；导流管一端与BOG冷凝器连接，另一端没入LNG储罐的液相内；BOG冷凝器设置在LNG储罐的上部气相空间；LNG储罐压力检测仪安装在LNG储罐的上部气相空间；
所述BOG冷凝器的冷凝管包括空心管、螺旋翅片和轴向导流板，液氮在管程内，BOG充满在管外；空心管的外周设有螺旋翅片，在空心管的正下端设有轴向导流板；空心管从进口段到出口端倾斜设置，与水平面的倾斜角θ为10°～30°。
2.根据权利要求1所述的BOG零排放的LNG储存装置，其特征在于：所述轴向导流板的厚度为2‐5mm，高度为1.3‐1.5倍螺旋翅片的高度。
3.根据权利要求1所述的BOG零排放的LNG储存装置，其特征在于：所述螺旋翅片的横截面为等腰三角形，相邻管之间的螺旋翅片交叉排列。
4.应用权利要求1‐3任一项所述装置的BOG零排放的LNG储存方法，其特征在于：
随着LNG储罐产生的BOG量增加，LNG储罐压力升高，当LNG储罐压力检测仪的检测值高于规定值时，开启流量调节阀，并启动液氮泵，使液氮经流量调节阀、流量计、液氮泵进入BOG冷凝器将BOG冷凝，BOG冷凝形成的冷凝液沿冷凝管的导流板流入导流管并返回LNG储罐的液相区，液氮供冷升温气化为氮气后从BOG冷凝器出口流出；调节液氮流量调节阀，使BOG的冷凝速率大于生成速率，LNG储罐内压力降低；随着BOG的冷凝，LNG储罐压力降低，当LNG储罐压力检测仪的检测值低于规定值时，调节液氮流量，使BOG的生成速率与冷凝速率维持平衡，LNG储罐内压力恒定，实现BOG的零排放。
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