實現操作費用最小化的LNG接收站卸船工藝優化

吳 明 朱祚良 孫東旭 何俊男 唐 凱 胡本源 田士章

1.遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院 2.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院 3.中石油江蘇液化天然氣有限公司

0 引言

LNG接收站最首要的過程是接收由LNG船運送至接收站的LNG[1]，稱為卸船工藝流程。卸船過程中的蒸發氣（Boil Off Gas，以下簡稱BOG）產生量在接收站運行過程中占有較大比重。因此，系統地對卸船工藝流程進行優化對減少接收站運行成本具有現實意義。何淼[2]通過項目實際討論了LNG接收站卸船過程中影響BOG產生量的各種因素。賈士棟等[3]通過建立一維流動傳熱模型對LNG接收站卸料管線的預冷過程進行了模擬，并分析了不同因素對預冷過程的影響。Park等[4]考慮了BOG產生量對直接外輸和再冷凝兩種BOG處理工藝之間切換的影響，研究了使操作費用最小化的保冷循環LNG流量。Lee等[5]針對地上儲罐和地下儲罐混合卸船情況，提出了優化的卸船流程。Srikanth等[6]開發了卸載操作的動態模型，實現了預冷和卸載操作策略之間的平衡。然而，針對操作變量對卸船工藝功耗的影響及其相關優化的研究卻少有報道。

筆者基于卸船工藝操作費用的構成，建立了卸船工藝流程動態仿真模型，進而構建了以最小年總功耗為目標函數的卸船工藝優化運行模型，并應用優化運行模型對計算實例進行經濟效益對比分析。

圖1 LNG接收站卸船工藝流程圖

1 LNG卸船工藝過程

1.1 卸船工藝

LNG接收站卸船工藝流程如圖1所示。卸船工藝流程可分為3個階段：保冷循環階段、泄壓階段和卸船階段。以下分述之。

1）保冷循環階段。由于LNG本身低溫、易揮發的特性，一旦有外界的熱量流入[7]，LNG將不可避免地蒸發產生BOG[8]。因此當LNG接收站內無船只進行卸船時，接收站需要持續對卸船總管進行保冷循環，以減少卸船階段BOG的產生[9]。具體操作為：LNG儲罐內低壓泵出口分出一部分LNG通過保冷循環管線流入卸船總管進行保冷循環，循環后的LNG一小部分返回罐內，大部分輸送至低壓外輸總管，以避免罐內因流入過量高溫LNG而產生大量BOG[10]。

2）泄壓階段。由于LNG船內壓力遠小于保冷循環時卸船總管內壓力，因此在船舶進港卸船前需要降低卸船總管的壓力。在此過程中，關閉保冷循環進、出口閥，使得管道內的LNG通過旁通閥流入儲罐，直至卸船總管中的壓力降至略小于碼頭卸料臂的壓力，以便于卸船階段的順利進行。

3）卸船階段。在對LNG進行全流量卸載前，需將卸料臂冷卻至正常操作溫度[11]。隨后打開卸料閥和卸料臂閥，將船內LNG卸載至儲罐內。在LNG船完成卸船操作后，保冷循環系統將重新啟動，直到下一艘LNG船到達接收站[12]。

1.2 操作變量

有兩個主要操作變量可用于調控LNG卸船工藝流程，分別是保冷循環LNG體積流量（Qrec）和保冷循環期間支路管線LNG流量（qbr）。

Qrec的作用是維持管線溫度介于－160～－158℃。由于循環冷卻，循環出口溫度介于－157～－155 ℃，比入口溫度（－160 ℃）稍高一些。根據接收站安全運行規定，循環進出口溫度差推薦值為3～5 ℃[13]。通過改變循環流量，可以調節溫度差值。當減少循環流量時，由于從環境傳熱，循環進出口溫度差增加，反之亦然。

qbr的作用是保冷支路管線。支路管線流量一般比總循環流量小得多。在冷卻支路管線后，LNG流入儲罐。可以通過調節支路管線流量控制冷卻工況。

1.3 操作費用分析

操作費用是接收站功耗的體現，卸船工藝流程的功耗分為泵功耗和壓縮機功耗兩部分。

在保冷循環階段，泵的作用是通過保冷循環管線將LNG輸送至卸船總管，從而起到保冷卸船管線的作用；而在泄壓階段和卸船階段，由于保冷循環系統關閉，泵停止向保冷循環管線輸送LNG。因此，泵僅在保冷循環階段工作，功耗與參與保冷循環的LNG流量有關。泵功率用下式計算[14]。

式中Lpump（Qrec）表示受Qrec影響的泵功率，W；Δp（Qrec）表示受Qrec影響的保冷管線進出口壓力損失，Pa；S表示安全系數；ηpump表示泵效率；ηmotor表示電動機效率。

在LNG接收站卸船工藝流程中，壓縮機的作用是將產生的BOG輸送至下游再冷凝器。在保冷循環階段，由于LNG經保冷循環后溫度升高，流入儲罐的部分LNG必然會產生BOG；且由于閥門的節流現象[15]，LNG通過旁通閥后壓力下降，將產生額外的BOG。在泄壓階段，由于管道內壓力逐漸降低和閥門的節流現象，管道內會產生一定BOG，但產量較低。在卸船階段，LNG船卸載了大量的低溫LNG，此時由于泄壓過程中保冷循環LNG流量的減少，卸船總管的溫度必然升高，同時伴隨著各個通過閥的節流現象，管道中會產生大量的BOG。因此，壓縮機在整個卸船工藝流程持續工作，其功耗與BOG產生量有關。壓縮機功率用下式計算[14]。

式中Lcomp（Qrec,qbr）表示受Qrec和qbr影響的壓縮機功率，W；k表示比熱容比；QI（Qrec,qbr）表示受Qrec和qbr影響的BOG體積流量，m3/h；pI表示壓縮機入口壓力，Pa；pO表示壓縮機出口壓力，Pa；ηB表示機械效率。

從工藝功耗的角度出發，引入卸船周期的概念。一個卸船周期可分為保冷循環和卸船兩個階段。由于泄壓階段停止了LNG保冷循環，泵不產生功耗，同時因泄壓時間較短，壓縮機的功耗可忽略，所以卸船周期未包含泄壓階段。

因此，一個卸船周期內的功耗可分為3部分：用于輸送保冷循環LNG的低壓泵功耗、保冷循環階段，用于將BOG排出儲罐的壓縮機功耗和卸船階段，用于將BOG排出儲罐的壓縮機功耗。可以判斷低壓泵功耗與卸船階段壓縮機的功耗是相互對立的：當保冷循環LNG流量增大時，低壓泵功耗增加，管道保冷效果改善，管壁溫度降低，卸船時產生的BOG氣體量隨之減少，BOG壓縮機功耗減小；反之，當保冷循環LNG流量減小時，雖然泵提供的動力功耗減小，但由于管道溫度較高，使卸船時產生的BOG量增大，即增加了壓縮機功耗。因此可以說泵貢獻了卸船工藝的動力功耗，而壓縮機貢獻了卸船工藝因熱力問題而產生的功耗，兩者聯系緊密。泵與壓縮機的功耗之和即為卸船工藝總功耗，一個卸船周期內總功耗計算式為：

式中WT（Qrec,qbr）表示受Qrec和qbr影響的卸船周期總功耗，kW·h；Lreccomp（Qrec,qbr）表示受Qrec和qbr影響的保冷循環階段壓縮機功率，W；Lunlcomp（Qrec,qbr）表示受Qrec和qbr影響的卸船階段壓縮機功率，W；T表示卸船周期，h；Tunl表示卸船時間，h。

2 卸船工藝流程控制方程及動態模擬

為了準確模擬實際的卸船過程，需要解決3方面問題：LNG卸船過程中的流動、傳熱與相變規律。運動方程描述了卸船系統流量與進出口壓差、管道阻力之間的關系；傳熱方程描述了管道內LNG溫度場分布；狀態方程解答了流體相態與溫度、壓力和密度之間的變化規律。

2.1 運動方程

LNG在管道內流動時由于溫度升高和壓力降低，可能蒸發為BOG氣體，即存在多相流動問題。基于均相流動模型得出的Beggs-Brill方程適用于水平管、垂直管和傾斜管的多相流問題求解[16]，壓降梯度方程如式（4）所示。

式（4）中等號右側分子第一項與第二項分別表示消耗于位差的壓力損失和摩擦阻力引起的壓力損失，分母表示動能變化引起的壓力損失[17]。

2.2 傳熱方程

導熱微分方程描述了管道溫度場的分布規律，對于管道溫度場計算適合使用柱坐標系形式的導熱微分方程。當忽略管道周向溫度變化、無內熱源且導熱系數為常數時的導熱微分方程如式（5）所示[18-19]。

式中ρ表示導熱介質密度，kg/m3；c表示導熱介質比熱容，J/（ kg·K）； t表示溫度，℃；τ表示時間，s；K表示介質的傳熱系數；r表示距離管道中心軸線的徑向距離，m；z表示管道軸向距離，m。

圖2 LNG接收站卸船工藝流程動態模型圖

2.3 狀態方程

Stryjek和Vera[20]于1986年對PR方程進行了修正，提出了新溫度函數形式的PR方程，稱為PRSV方程[21]。此方程可用于極性和非極性物質，采用普通的混合規則就可以精確地預測氣液平衡數據[22]。

PRSV方程的形式為[23-24]：

式中p表示壓力，MPa；R表示氣體常數，8.314 J/（mol·K）；t表示溫度，K；V表示摩爾體積，m3/mol；a、b表示狀態方程參數。

式中tc表示臨界溫度，K；pc表示臨界壓力，Pa；α（t）表示溫度函數；k、k0表示狀態參數；tr表示對比溫度；k1表示每個純組分的可調整參數；ω表示偏心因子。

2.4 動態模擬

LNG卸船過程每一階段都有各自的邊界條件，下一階段的初始條件正是由上一階段建立起的溫度場、壓力場和物性條件構成的。研究采用HYSYS V8.4為工具，使用Beggs-Brill方程完成多相流問題求解，選用PRSV方程作為物性計算方法，建立LNG卸船工藝流程動態模型并求解。模型如圖2所示。基于接收站的實際運行工況輸入相關的環境變量參數值以及LNG物性參數，并通過設置模型中閥門的開關狀態依次模擬保冷循環、泄壓和卸船3個過程。在模擬卸船過程時，由于瞬間產生大量的BOG與LNG混合，在管道內形成兩相流動，可能會形成不穩定的模擬結果。若模擬結果不穩定，應在調整保冷循環流量和支路管線流量后重新模擬。在每一階段都得到穩定的模擬結果后，即可計算泵、壓縮機和卸船周期總功耗。動態模擬流程如圖3所示。

3 卸船工藝優化運行模型及應用

3.1 卸船工藝優化運行模型

結合式（1）～（6），卸船工藝優化運行模型由目標函數、控制方程、邊界條件和初始條件構成。

目標函數：

式中WA（Qrec,qbr）表示受Qrec和qbr影響的年總功耗，kW·h；A表示年卸船周期數。

控制方程：選用式（4）～（6）為優化模型的控制方程。

邊界條件：

初始條件：保冷循環達到穩態時各變量值。

模型中有兩個變量：Qrec和qbr。優化模型的目標函數、控制方程是非線性的，研究用如下方法求解優化模型：將保冷循環LNG流量作為外層循環，將支路管線流量作為內層循環。根據目標函數、控制方程及約束條件計算得到可行運行方案的集合，集合中最小值即為最優解，計算流程如圖4所示。

圖4 求最優解流程圖

3.2 實例計算與經濟效益分析

基于江蘇如東LNG接收站實際運行參數進行實例分析。計算實例中天然氣組分的物性參數如表1所示。接收站現有卸船工藝的運行參數不隨環境參數變化，保冷循環流量（Qrec）和支路管線流量（qbr）分別為262 m3/h和12 m3/h。根據接收站下游用氣量波動與環境參數的變化，可將卸船工況分為11月—次年3月的用氣高峰期與4—10月的用氣低谷期，涉及到的環境變量參數如表2所示。使用如圖2所示動態仿真模型對現有卸船工藝進行動態模擬，得到接收站現有卸船工藝的年總功耗為2 010 MW·h。

表1 天然氣組分的物性參數表

表2 環境變量及相關工藝參數表

圖5為接收站用氣高峰期與低谷期泄壓階段與部分卸船階段的LNG與BOG流量曲線，其中0～10 min為泄壓階段，無LNG進罐且無BOG產生。卸船操作在第10 min開始，在卸船開始的瞬間，BOG大量產生并流入儲罐，隨后BOG流量逐漸下降，直至趨于平穩。這是因為在卸船開始的瞬間，由于管道與所卸載LNG的溫差較大，同時伴隨著閥門的節流效應，BOG流量會瞬間達到峰值；隨著閥門完全開啟且由于卸載低溫LNG導致管道溫度下降，BOG流量會逐漸減小直至趨于平穩。LNG流量在開始卸船后較短時間內增至最大卸船流量，并持續至卸船結束。

圖5 用氣高峰期與低谷期接收站泄壓階段和部分卸船階段的LNG與BOG流量曲線圖

圖6 用氣高峰期接收站年卸船總功耗隨保冷循環LNG流量和支路管線流量變化趨勢圖

應用卸船工藝優化運行模型對接收站卸船工藝進行優化，同時進行非穩態傳熱過程分析，得到接收站卸船期間最小年功耗及對應運行工況。圖6、7展示了用氣高峰期與低谷期接收站卸船總功耗隨操作變量的變化情況。從圖6、7可知，隨著Qrec的增加，用氣高峰期卸船總功耗隨之先減小后增加，用氣低谷期卸船總功耗逐漸增加；在這兩種工況下，qbr對總功耗的影響相對較小。經優化后的用氣高峰期操作變量為Qrec=178.5 m3/h，qbr=9 m3/h，用氣低谷期為Qrec=156.7 m3/h，qbr=9 m3/h，此時接收站年卸船總功耗為1 749 MW·h，相對于優化前的2 010 MW·h節能13.0%。

圖7 用氣低谷期接收站年卸船總功耗隨保冷循環LNG流量和支路管線流量變化趨勢圖

4 結論

1）通過對LNG接收站卸船工藝非穩態傳熱過程的分析，建立了動態仿真模型，對卸船期間非穩態傳熱過程進行了動態模擬，建立了卸船工藝優化運行模型。與傳統運行模式相比，卸船工藝優化運行模型的提出使得LNG接收站在卸船工藝操作期間能夠通過對操作變量的調整，實現最小化接收站操作費用的目的。

2）通過將研究成果應用于江蘇如東LNG接收站，在使用卸船工藝優化運行模型進行優化后，通過調節保冷循環LNG流量和支路管線流量可使年卸船總功耗降低13.0%。