基于Aspen Hysys的LNG接收站卸料工藝模擬

何俊男 ，吳 明 ，孫東旭 *，朱祚良 ，唐 凱 ，胡本源 ，田士章

(1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001;2.中石油江蘇液化天然氣有限公司，江蘇 南通 226000)

液化天然氣（LNG）是將天然氣在常壓下冷卻到-162℃儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)囊簯B(tài)物質(zhì)，主要成分是甲烷。LNG具有雜質(zhì)少、安全性好、儲(chǔ)存效率高、運(yùn)輸靈活等特點(diǎn)[1]，其體積約為同質(zhì)量氣態(tài)天然氣體積的1/600，質(zhì)量?jī)H為同體積水的45%左右[2-4]。隨著世界能源日趨緊張及煤炭、石油所帶來的環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，LNG由于具有清潔、高效、使用便捷等優(yōu)勢(shì)，將逐漸取代煤炭[5]，成為最具發(fā)展前景的能源和化工原料[6-7]，據(jù)預(yù)測(cè)，2040年以前，全球需求將每年上漲0.6%～1.5%[8]。我國(guó)天然氣的消費(fèi)需求量日益增大，自產(chǎn)天然氣已不能滿足市場(chǎng)需求，因此需要在沿海各地建設(shè)接收站進(jìn)口海外的LNG，在已有的廣東大鵬、福建、上海3座LNG接收站的基礎(chǔ)上，近年來又陸續(xù)在江蘇如東、大連、浙江寧波、天津、唐山、珠海等地新建6座大型LNG接收站[9-10]。

系統(tǒng)漏熱、動(dòng)力設(shè)備能量輸入、LNG卸料與外輸?shù)捏w積置換、壓差、閃蒸等[11-13]會(huì)在設(shè)備中產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣（BOG），處理過量的BOG將產(chǎn)生大量功耗，是接收站必須考慮的問題。Kurle等[14]研究了LNG船內(nèi)溫度、壓縮機(jī)處理能力、船艙最大冷卻速率對(duì)卸船時(shí)間的影響，根據(jù)模擬條件不同，當(dāng)壓縮機(jī)的處理能力提高時(shí)，卸船時(shí)間將減少，卸船時(shí)約有1.2%～2.5%的LNG蒸發(fā)為BOG。Kurle等[15]還分析了卸船時(shí)LNG的溫度與產(chǎn)生BOG量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)LNG的溫度由-160℃降低到-167℃時(shí)，產(chǎn)生的BOG量由63321kg/h降低到23061kg/h。Lee等[16]研究了循環(huán)管線和支路管線中LNG流量與年總功耗的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，年總功耗隨循環(huán)管線內(nèi)LNG流量的增大而增大，隨支路管線內(nèi)LNG流量的增加而增大。王小尚和曹玉春等[17-18]詳細(xì)分析了直接壓縮工藝和再冷凝工藝能耗的差異，得出再冷凝工藝更加節(jié)能的結(jié)論，并在再冷凝器中加裝預(yù)冷設(shè)備節(jié)約能耗。Li等[19-20]建立了BOG多階壓縮再液化工藝模型，發(fā)現(xiàn)多階壓縮工藝階數(shù)越多，系統(tǒng)總能耗越小，但節(jié)能效果會(huì)隨著階數(shù)增加而降低，二階系統(tǒng)是最優(yōu)BOG處理工藝，功耗可節(jié)約33%以上。Park等[21]將二級(jí)壓縮拓展到高壓壓縮機(jī)，并與再冷凝器前預(yù)冷系統(tǒng)結(jié)合，每年可節(jié)約22.7%的功耗。

文獻(xiàn) [14-16]介紹了相關(guān)變量對(duì)卸船時(shí)產(chǎn)生BOG量的影響，通過降低BOG量達(dá)到降低接收站功耗的目的，但影響接收站卸船時(shí)產(chǎn)生BOG量的因素眾多，現(xiàn)有研究并沒有進(jìn)行更系統(tǒng)和深入的討論；文獻(xiàn)[17-21]通過添加新的設(shè)備對(duì)接收站進(jìn)行優(yōu)化，雖然與現(xiàn)有工藝相比可節(jié)約更多功耗，但對(duì)于已建成的LNG接收站實(shí)際指導(dǎo)意義較小。因此，本文建立hysys動(dòng)態(tài)仿真模型，以保冷循環(huán)流量和支路流量為操作變量，接收站總功耗為目標(biāo)函數(shù)，改變環(huán)境因素形成不同的工況，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果分析不同環(huán)境因素對(duì)接收站功耗的影響，并得出不同工況下最優(yōu)保冷循環(huán)流量和支路流量，最后以接收站實(shí)際生產(chǎn)工況為例，驗(yàn)證此研究方法的可行性，并對(duì)接收站進(jìn)行優(yōu)化。

1 接收站卸船模型

1.1 LNG接收站卸船工藝系統(tǒng)

LNG接收站卸船分三個(gè)階段:保冷循環(huán)階段、減壓階段與卸料階段[22]，三個(gè)階段構(gòu)成一個(gè)卸船周期，卸船流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。在保冷循環(huán)階段，吊裝于儲(chǔ)罐底部的低壓泵輸出少量LNG，經(jīng)保冷循環(huán)管線（3km）流入卸船管線（3km）和卸料臂進(jìn)行保冷循環(huán)，卸船管線溫度保持在-160～-150℃，為防止LNG在保冷循環(huán)過程中吸熱產(chǎn)生大量BOG，管道內(nèi)要保持較高的壓力（0.8MPaG）。當(dāng)保冷結(jié)束后，大部分LNG流入低壓外輸管網(wǎng)，余下（每罐約5t/h）經(jīng)罐頂進(jìn)料旁通閥V4回流LNG儲(chǔ)罐，管道末端有少量BOG流入儲(chǔ)罐，日常蒸發(fā)也將產(chǎn)生少量BOG，壓縮機(jī)將多余BOG抽出以保持罐內(nèi)壓力穩(wěn)定（0.022MPaG）。V1和V2分別為保冷循環(huán)管線的進(jìn)出口閥門，其中V1控制保冷循環(huán)LNG流量，V2維持在某一開度不變。

減壓階段，由于LNG船的卸船泵出口壓力（0.4MPaG）要遠(yuǎn)小于卸船管線壓力，因此需要通過減壓使管道壓力適合進(jìn)行卸船操作，關(guān)閉循環(huán)管線的進(jìn)口閥門，通過旁通閥V4流出LNG逐漸降低卸船管道的壓力。

卸料階段，停靠在碼頭的LNG船方開啟卸料泵，接收站開啟卸料臂截?cái)嚅yV5將LNG經(jīng)卸船管道輸送到接收站，位于罐頂?shù)倪M(jìn)料閥V3尺寸遠(yuǎn)大于旁通閥V4的尺寸，二者在卸料階段均開啟。接收站在卸料期間仍向下游管網(wǎng)輸送LNG，因此卸料時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)仍有一定量的LNG。當(dāng)卸料結(jié)束后，接收站重新進(jìn)入保冷循環(huán)階段，直到下艘船開始卸料。

圖1 LNG卸船工藝示意圖

1.2 卸料動(dòng)態(tài)模型的建立

表1 詳細(xì)參數(shù)

圖2 江蘇LNG接收站HYSYS動(dòng)態(tài)模擬流程圖

采用Aspen公司的Hysys流程模擬軟件，選擇Peng-Robinson Stryjek Vera（PRSV）方程進(jìn)行模擬，首先根據(jù)接收站卸船工藝流程建立穩(wěn)態(tài)模型，由于工藝流程中許多干擾因素的存在，穩(wěn)態(tài)模型不能真實(shí)反應(yīng)出參數(shù)的變化，只能進(jìn)行定性分析[23]。與穩(wěn)態(tài)模型相比，動(dòng)態(tài)模型將時(shí)間變量引入系統(tǒng)，從而得到更加精確的動(dòng)態(tài)特征[24]，動(dòng)態(tài)模型如圖2所示，模型的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。卸料過程動(dòng)態(tài)模擬的操作流程如下:將動(dòng)態(tài)模擬設(shè)置為壓力驅(qū)動(dòng)，即通過壓差與物流阻力計(jì)算流量，通過控制閥實(shí)現(xiàn)工藝切換和參數(shù)調(diào)整[25]。如1.1所述，分三個(gè)階段進(jìn)行卸料過程仿真模擬，在保冷循環(huán)階段，模型管道內(nèi)保持穩(wěn)定的流量和溫度場(chǎng)，此時(shí)循環(huán)管線入口V1、出口閥門V2以及卸料旁通閥V4處于開啟狀態(tài)；在減壓階段，關(guān)閉V1、V2進(jìn)行減壓；最后將卸料閥門和儲(chǔ)罐進(jìn)料閥門打開，進(jìn)行卸料，操作流程如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)仿真模擬操作流程

2 模擬方案

2.1 影響接收站功耗的變量分析

1）保冷循環(huán)流量。保冷循環(huán)流量的作用是保持卸船管道的低溫狀態(tài)，保冷循環(huán)管線入口溫度通常為-161～-156℃，因此當(dāng)保冷循環(huán)流量越高，管道內(nèi)溫度越低，產(chǎn)生的BOG越少。接收站保冷循環(huán)管線的進(jìn)出口的適宜溫差為5～3℃，對(duì)應(yīng)的保冷循環(huán)流量范圍為155～260m3/h，當(dāng)循環(huán)流量接近155m3/h時(shí)，管內(nèi)產(chǎn)生的BOG量較大，若繼續(xù)降低流量，管道將有超壓的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)循環(huán)流量接近260m3/h時(shí)，管道內(nèi)溫度降低幅度較小，保冷效率較低。

2）支路流量。支路流量是指保冷循環(huán)結(jié)束后LNG經(jīng)支路管線回流儲(chǔ)罐的少部分LNG流量，由于回流入儲(chǔ)罐時(shí)會(huì)產(chǎn)生少量BOG，因此支路流量的作用是保持支路管線冷卻，支路流量的范圍為25～45m3/h。

3）環(huán)境溫度。環(huán)境溫度將影響管道的保冷效果，溫度較高時(shí)，管道保冷效果降低，產(chǎn)生更多的BOG，接收站當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境溫度為5～25℃。

4）卸船周期。一個(gè)完整的卸船周期包括循環(huán)、降壓和卸料三個(gè)階段，循環(huán)和降壓階段統(tǒng)稱為非卸料階段。接收站平均卸船速率約為12000m3/h，卸船周期通常為 2～15天，LNG船型為 (14.5～26.5)×104m3。本文模擬選取的卸船速率為12000m3/h，LNG船型為 14.5×104m3，計(jì)算得卸料所需的時(shí)間為12.08h，假設(shè)卸船周期為2天，則非卸料時(shí)間為35.92h。卸船周期代表著接收站每年卸船次數(shù)，當(dāng)卸船周期較短時(shí)，非卸料階段產(chǎn)生的功耗較小，但由于卸料頻繁，因此卸料階段功耗較高，反之當(dāng)卸船周期較長(zhǎng)時(shí)，循環(huán)階段產(chǎn)生的功耗較大，卸料階段的功耗較小。本文建立的模型基于卸船參數(shù)和卸船動(dòng)力費(fèi)用，均為人為可調(diào)控的參數(shù)，因此本文所建立的優(yōu)化模型還不能夠?qū)⑿洞陂g的租金考慮在內(nèi)。

5）卸船LNG溫度。接收站卸船溫度范圍為-161～-159℃，主要影響卸船階段BOG產(chǎn)生量，而卸船時(shí)LNG流量（卸船速率）較高，因此卸船溫度細(xì)微的變化都會(huì)對(duì)接收站功耗產(chǎn)生很大影響。

以上五個(gè)變量中，保冷循環(huán)流量和支路流量可以人為控制大小，例如通過V1控制保冷循環(huán)流量，通過V4控制支路流量，將這種變量定義為操作變量；而環(huán)境溫度、卸船周期、卸船LNG溫度這三個(gè)變量由接收站的工藝條件或環(huán)境條件限制，不能人為改變，定義這種變量為環(huán)境變量。

2.2 LNG接收站卸料工藝系統(tǒng)功耗分析

接收站卸船功耗主要包括低壓泵的功耗和壓縮機(jī)的功耗，其中壓縮機(jī)的功耗分為卸船時(shí)壓縮機(jī)產(chǎn)生的功耗與保冷循環(huán)時(shí)壓縮機(jī)產(chǎn)生的功耗。在保冷循環(huán)階段，儲(chǔ)罐底部的低壓泵輸送LNG冷卻循環(huán)管線和卸船管線，低壓泵功率的計(jì)算如式（1）[26]所示。

式中，Wpump為低壓泵功率，W；Qpump為低壓泵輸出LNG 的體積流量，m3/s；Pdrop為低壓泵壓降，Pa；S 為安全因數(shù)，取 1；ηpump為低壓泵效率，取 0.8；ηmotor為電機(jī)效率，取0.85。

壓縮機(jī)的作用是抽出儲(chǔ)罐內(nèi)的BOG，使罐內(nèi)壓力維持在安全范圍內(nèi)[27]。BOG主要來源于保冷循環(huán)階段和卸船階段:在保冷循環(huán)階段，分支管道的終點(diǎn)連接在儲(chǔ)罐的頂部，罐內(nèi)的壓力為123kPa左右，低于LNG在-156℃時(shí)的泡點(diǎn)壓力，因此在循環(huán)LNG通過旁通閥進(jìn)入儲(chǔ)罐時(shí)會(huì)產(chǎn)生BOG，需要壓縮機(jī)工作將BOG抽離儲(chǔ)罐，同理在卸船階段，大量LNG通過儲(chǔ)罐頂部的進(jìn)料閥進(jìn)入儲(chǔ)罐時(shí)，有更多的BOG產(chǎn)生，壓縮機(jī)在這一階段功耗更大，壓縮機(jī)功率計(jì)算如式（2）[26]所示。

式中:PB為壓縮機(jī)功率，W；k為氣體絕熱指數(shù)，取1.52；QI為壓縮機(jī)處理 BOG 的體積流量，m3/s；PI，PO為壓縮機(jī)入口、出口壓力，Pa；ηB為壓縮機(jī)效率，取0.7。

2.3 模擬方案

保冷循環(huán)流量的大小直接決定低壓泵功耗，間接決定壓縮機(jī)功耗，如當(dāng)保冷循環(huán)流量升高時(shí)，低壓泵的功耗一定升高，而由于保冷效果增強(qiáng)，卸船時(shí)產(chǎn)生的BOG量降低，壓縮機(jī)功耗必然減少，因此低壓泵與壓縮機(jī)功耗之間存在相反的作用，必然存在一個(gè)合適的保冷循環(huán)流量使總功耗最小。支路流量只影響壓縮機(jī)的功耗，當(dāng)增加支路流量時(shí)，存在兩種情況:①保冷效果增加導(dǎo)致BOG量降低，壓縮機(jī)功耗降低，接收站總功耗降低；②支路流量較小，增強(qiáng)了保冷效果但并不明顯，LNG流量的增加因而產(chǎn)生了更多的BOG使壓縮機(jī)功耗增加，接收站總功耗升高。因此支路流量對(duì)接收站的影響未可知。

因此通過改變不同的環(huán)境變量，模擬計(jì)算不同操作變量時(shí)接收站功耗情況，得到每個(gè)工況下最佳操作變量。變量的取值如表2所示。

表2 變量取值

3 模擬結(jié)果

圖4為支路流量25m3/h、環(huán)境溫度25℃、卸船周期5天、卸船溫度-161℃條件下保冷循環(huán)流量與接收站總功耗的關(guān)系，當(dāng)保冷循環(huán)流量升高時(shí)，總功耗升高，保冷循環(huán)流量為160m3/h總功耗最小，能夠節(jié)約功耗19.15%。

圖4 qby1-t3-T2-tunl1工況Qrec1～6對(duì)年總功耗的影響

圖5為支路流量25m3/h、環(huán)境溫度25℃、卸船周期2天、卸船溫度-159℃條件下保冷循環(huán)流量與接收站總功耗的關(guān)系，當(dāng)保冷循環(huán)流量為200 m3/h時(shí)，接收站的總功耗最小，可節(jié)約0.3%的功耗。由于環(huán)境變量不同，因此圖5工況與圖6工況下的最佳保冷循環(huán)流量不同，因此接收站不能采用固定的保冷循環(huán)操作方案，應(yīng)根據(jù)接收站環(huán)境靈活改變保冷循環(huán)流量。

圖5 qby1-t3-T1-tunl3工況Qrec1～6對(duì)年總功耗的影響

圖6為保冷循環(huán)流量160m3/h、環(huán)境溫度25℃、卸船周期5天、卸船溫度-161℃條件下支路流量與接收站總功耗的關(guān)系，當(dāng)支路流量增大時(shí)，總功耗升高，即雖然支路流量升高提高了保冷效果，但效果不明顯，所以支路流量升高時(shí)產(chǎn)生有更多BOG流入儲(chǔ)罐，支路流量為25m3/h總功耗最小，能節(jié)約5%的功耗。

圖6 Qrec1-t3-T2-tunl1工況qby1～4對(duì)年總功耗的影響

圖7為支路流量 25m3/h、環(huán)境溫度為5、15、25℃、卸船周期5天、卸船溫度-161℃條件下循環(huán)流量與接收站總功耗的關(guān)系，當(dāng)環(huán)境溫度增大時(shí)，接收站的功耗升高。

圖 7 qby1-t1～3-T2-tunl1 工況 Qrec1～6 對(duì)年總功耗的影響

圖8為保冷循環(huán)流量160m3/h、支路流量25m3/h、環(huán)境溫度25℃、卸船周期2～15天、卸船溫度-161℃條件下卸船周期對(duì)接收站總功耗的影響，當(dāng)周期升高時(shí)（卸船次數(shù)減少），低壓泵功耗升高，壓縮機(jī)功耗降低，總功耗減小。

圖8 Qrec1-qby1-t3-tunl1工況T1～4對(duì)年總功耗的影響

圖9為支路流量25m3/h、環(huán)境溫度25℃、卸船周期5天、卸船溫度-161～-159℃條件下保冷循環(huán)流量與接收站總功耗的關(guān)系，當(dāng)卸船溫度升高，總功耗增大，可通過降低保冷循環(huán)流量的方法降低總功耗。

圖 9 qby1-t3-T2-tunl1～3 工況 Qrec1～6 對(duì)年總功耗的影響

4 模擬方法應(yīng)用

接收站優(yōu)化前的保冷循環(huán)流量為240m3/h，支路流量為30m3/h，環(huán)境變量為環(huán)境溫度25℃，卸船周期5天，卸船溫度-161℃。按上文模擬方法，可以計(jì)算此環(huán)境變量下不同保冷循環(huán)流量與不同支路流量對(duì)應(yīng)的總功耗，以保冷循環(huán)流量為x軸，支路流量為y軸，總功耗為z軸建立三維圖，如圖10所示，由圖可知優(yōu)化前接收站總功耗為918000kW·h，最優(yōu)操作變量為:保冷循環(huán)流量160m3/h，支路流量25m3/h，最優(yōu)操作變量下總功耗為762000kW·h，可以節(jié)約17%的功耗。

圖 10 t3-T2-tunl1 工況 Qrec1～6、qby1～4 對(duì)年總功耗的影響

5 結(jié)論

LNG接收站功耗受保冷循環(huán)流量、支路流量、環(huán)境溫度、卸船周期、卸船溫度影響，通過建立接收站卸船工藝系統(tǒng)hysys動(dòng)態(tài)模型，以保冷循環(huán)和支路流量為操作變量，模擬計(jì)算了給定環(huán)境變量下接收站的功耗情況并得到最優(yōu)的操作參數(shù)，采用最優(yōu)的保冷循環(huán)流量和支路流量最多可以分別節(jié)約19.15%和5%的功耗。最后在實(shí)際工況下對(duì)接收站優(yōu)化，采用最優(yōu)操作變量能節(jié)約功耗17%，同時(shí)也驗(yàn)證了此模擬方法的可行性。