实现操作费用最小化的LNG接收站卸船工艺优化

2018-12-03朱祚良孙东旭何俊男胡本源田士章

天然气工业 2018年11期

吴明朱祚良孙东旭何俊男唐凯胡本源田士章

1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院 2.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院 3.中石油江苏液化天然气有限公司

0 引言

LNG接收站最首要的过程是接收由LNG船运送至接收站的LNG[1]，称为卸船工艺流程。卸船过程中的蒸发气（Boil Off Gas，以下简称BOG）产生量在接收站运行过程中占有较大比重。因此，系统地对卸船工艺流程进行优化对减少接收站运行成本具有现实意义。何淼[2]通过项目实际讨论了LNG接收站卸船过程中影响BOG产生量的各种因素。贾士栋等[3]通过建立一维流动传热模型对LNG接收站卸料管线的预冷过程进行了模拟，并分析了不同因素对预冷过程的影响。Park等[4]考虑了BOG产生量对直接外输和再冷凝两种BOG处理工艺之间切换的影响，研究了使操作费用最小化的保冷循环LNG流量。Lee等[5]针对地上储罐和地下储罐混合卸船情况，提出了优化的卸船流程。Srikanth等[6]开发了卸载操作的动态模型，实现了预冷和卸载操作策略之间的平衡。然而，针对操作变量对卸船工艺功耗的影响及其相关优化的研究却少有报道。

笔者基于卸船工艺操作费用的构成，建立了卸船工艺流程动态仿真模型，进而构建了以最小年总功耗为目标函数的卸船工艺优化运行模型，并应用优化运行模型对计算实例进行经济效益对比分析。

图1 LNG接收站卸船工艺流程图

1 LNG卸船工艺过程

1.1 卸船工艺

LNG接收站卸船工艺流程如图1所示。卸船工艺流程可分为3个阶段：保冷循环阶段、泄压阶段和卸船阶段。以下分述之。

1）保冷循环阶段。由于LNG本身低温、易挥发的特性，一旦有外界的热量流入[7]，LNG将不可避免地蒸发产生BOG[8]。因此当LNG接收站内无船只进行卸船时，接收站需要持续对卸船总管进行保冷循环，以减少卸船阶段BOG的产生[9]。具体操作为：LNG储罐内低压泵出口分出一部分LNG通过保冷循环管线流入卸船总管进行保冷循环，循环后的LNG一小部分返回罐内，大部分输送至低压外输总管，以避免罐内因流入过量高温LNG而产生大量BOG[10]。

2）泄压阶段。由于LNG船内压力远小于保冷循环时卸船总管内压力，因此在船舶进港卸船前需要降低卸船总管的压力。在此过程中，关闭保冷循环进、出口阀，使得管道内的LNG通过旁通阀流入储罐，直至卸船总管中的压力降至略小于码头卸料臂的压力，以便于卸船阶段的顺利进行。

3）卸船阶段。在对LNG进行全流量卸载前，需将卸料臂冷却至正常操作温度[11]。随后打开卸料阀和卸料臂阀，将船内LNG卸载至储罐内。在LNG船完成卸船操作后，保冷循环系统将重新启动，直到下一艘LNG船到达接收站[12]。

1.2 操作变量

有两个主要操作变量可用于调控LNG卸船工艺流程，分别是保冷循环LNG体积流量（Qrec）和保冷循环期间支路管线LNG流量（qbr）。

Qrec的作用是维持管线温度介于－160～－158℃。由于循环冷却，循环出口温度介于－157～－155 ℃，比入口温度（－160 ℃）稍高一些。根据接收站安全运行规定，循环进出口温度差推荐值为3～5 ℃[13]。通过改变循环流量，可以调节温度差值。当减少循环流量时，由于从环境传热，循环进出口温度差增加，反之亦然。

qbr的作用是保冷支路管线。支路管线流量一般比总循环流量小得多。在冷却支路管线后，LNG流入储罐。可以通过调节支路管线流量控制冷却工况。

1.3 操作费用分析

操作费用是接收站功耗的体现，卸船工艺流程的功耗分为泵功耗和压缩机功耗两部分。

在保冷循环阶段，泵的作用是通过保冷循环管线将LNG输送至卸船总管，从而起到保冷卸船管线的作用；而在泄压阶段和卸船阶段，由于保冷循环系统关闭，泵停止向保冷循环管线输送LNG。因此，泵仅在保冷循环阶段工作，功耗与参与保冷循环的LNG流量有关。泵功率用下式计算[14]。

式中Lpump（Qrec）表示受Qrec影响的泵功率，W；Δp（Qrec）表示受Qrec影响的保冷管线进出口压力损失，Pa；S表示安全系数；ηpump表示泵效率；ηmotor表示电动机效率。

在LNG接收站卸船工艺流程中，压缩机的作用是将产生的BOG输送至下游再冷凝器。在保冷循环阶段，由于LNG经保冷循环后温度升高，流入储罐的部分LNG必然会产生BOG；且由于阀门的节流现象[15]，LNG通过旁通阀后压力下降，将产生额外的BOG。在泄压阶段，由于管道内压力逐渐降低和阀门的节流现象，管道内会产生一定BOG，但产量较低。在卸船阶段，LNG船卸载了大量的低温LNG，此时由于泄压过程中保冷循环LNG流量的减少，卸船总管的温度必然升高，同时伴随着各个通过阀的节流现象，管道中会产生大量的BOG。因此，压缩机在整个卸船工艺流程持续工作，其功耗与BOG产生量有关。压缩机功率用下式计算[14]。

式中Lcomp（Qrec,qbr）表示受Qrec和qbr影响的压缩机功率，W；k表示比热容比；QI（Qrec,qbr）表示受Qrec和qbr影响的BOG体积流量，m3/h；pI表示压缩机入口压力，Pa；pO表示压缩机出口压力，Pa；ηB表示机械效率。

从工艺功耗的角度出发，引入卸船周期的概念。一个卸船周期可分为保冷循环和卸船两个阶段。由于泄压阶段停止了LNG保冷循环，泵不产生功耗，同时因泄压时间较短，压缩机的功耗可忽略，所以卸船周期未包含泄压阶段。

因此，一个卸船周期内的功耗可分为3部分：用于输送保冷循环LNG的低压泵功耗、保冷循环阶段，用于将BOG排出储罐的压缩机功耗和卸船阶段，用于将BOG排出储罐的压缩机功耗。可以判断低压泵功耗与卸船阶段压缩机的功耗是相互对立的：当保冷循环LNG流量增大时，低压泵功耗增加，管道保冷效果改善，管壁温度降低，卸船时产生的BOG气体量随之减少，BOG压缩机功耗减小；反之，当保冷循环LNG流量减小时，虽然泵提供的动力功耗减小，但由于管道温度较高，使卸船时产生的BOG量增大，即增加了压缩机功耗。因此可以说泵贡献了卸船工艺的动力功耗，而压缩机贡献了卸船工艺因热力问题而产生的功耗，两者联系紧密。泵与压缩机的功耗之和即为卸船工艺总功耗，一个卸船周期内总功耗计算式为：

式中WT（Qrec,qbr）表示受Qrec和qbr影响的卸船周期总功耗，kW·h；Lreccomp（Qrec,qbr）表示受Qrec和qbr影响的保冷循环阶段压缩机功率，W；Lunlcomp（Qrec,qbr）表示受Qrec和qbr影响的卸船阶段压缩机功率，W；T表示卸船周期，h；Tunl表示卸船时间，h。

2 卸船工艺流程控制方程及动态模拟

为了准确模拟实际的卸船过程，需要解决3方面问题：LNG卸船过程中的流动、传热与相变规律。运动方程描述了卸船系统流量与进出口压差、管道阻力之间的关系；传热方程描述了管道内LNG温度场分布；状态方程解答了流体相态与温度、压力和密度之间的变化规律。

2.1 运动方程

LNG在管道内流动时由于温度升高和压力降低，可能蒸发为BOG气体，即存在多相流动问题。基于均相流动模型得出的Beggs-Brill方程适用于水平管、垂直管和倾斜管的多相流问题求解[16]，压降梯度方程如式（4）所示。

式（4）中等号右侧分子第一项与第二项分别表示消耗于位差的压力损失和摩擦阻力引起的压力损失，分母表示动能变化引起的压力损失[17]。

2.2 传热方程

导热微分方程描述了管道温度场的分布规律，对于管道温度场计算适合使用柱坐标系形式的导热微分方程。当忽略管道周向温度变化、无内热源且导热系数为常数时的导热微分方程如式（5）所示[18-19]。

式中ρ表示导热介质密度，kg/m3；c表示导热介质比热容，J/（ kg·K）； t表示温度，℃；τ表示时间，s；K表示介质的传热系数；r表示距离管道中心轴线的径向距离，m；z表示管道轴向距离，m。

图2 LNG接收站卸船工艺流程动态模型图

2.3 状态方程

Stryjek和Vera[20]于1986年对PR方程进行了修正，提出了新温度函数形式的PR方程，称为PRSV方程[21]。此方程可用于极性和非极性物质，采用普通的混合规则就可以精确地预测气液平衡数据[22]。

PRSV方程的形式为[23-24]：

式中p表示压力，MPa；R表示气体常数，8.314 J/（mol·K）；t表示温度，K；V表示摩尔体积，m3/mol；a、b表示状态方程参数。

式中tc表示临界温度，K；pc表示临界压力，Pa；α（t）表示温度函数；k、k0表示状态参数；tr表示对比温度；k1表示每个纯组分的可调整参数；ω表示偏心因子。

2.4 动态模拟

LNG卸船过程每一阶段都有各自的边界条件，下一阶段的初始条件正是由上一阶段建立起的温度场、压力场和物性条件构成的。研究采用HYSYS V8.4为工具，使用Beggs-Brill方程完成多相流问题求解，选用PRSV方程作为物性计算方法，建立LNG卸船工艺流程动态模型并求解。模型如图2所示。基于接收站的实际运行工况输入相关的环境变量参数值以及LNG物性参数，并通过设置模型中阀门的开关状态依次模拟保冷循环、泄压和卸船3个过程。在模拟卸船过程时，由于瞬间产生大量的BOG与LNG混合，在管道内形成两相流动，可能会形成不稳定的模拟结果。若模拟结果不稳定，应在调整保冷循环流量和支路管线流量后重新模拟。在每一阶段都得到稳定的模拟结果后，即可计算泵、压缩机和卸船周期总功耗。动态模拟流程如图3所示。

3 卸船工艺优化运行模型及应用

3.1 卸船工艺优化运行模型

结合式（1）～（6），卸船工艺优化运行模型由目标函数、控制方程、边界条件和初始条件构成。

目标函数：

式中WA（Qrec,qbr）表示受Qrec和qbr影响的年总功耗，kW·h；A表示年卸船周期数。

控制方程：选用式（4）～（6）为优化模型的控制方程。

边界条件：

初始条件：保冷循环达到稳态时各变量值。

模型中有两个变量：Qrec和qbr。优化模型的目标函数、控制方程是非线性的，研究用如下方法求解优化模型：将保冷循环LNG流量作为外层循环，将支路管线流量作为内层循环。根据目标函数、控制方程及约束条件计算得到可行运行方案的集合，集合中最小值即为最优解，计算流程如图4所示。

图4 求最优解流程图

3.2 实例计算与经济效益分析

基于江苏如东LNG接收站实际运行参数进行实例分析。计算实例中天然气组分的物性参数如表1所示。接收站现有卸船工艺的运行参数不随环境参数变化，保冷循环流量（Qrec）和支路管线流量（qbr）分别为262 m3/h和12 m3/h。根据接收站下游用气量波动与环境参数的变化，可将卸船工况分为11月—次年3月的用气高峰期与4—10月的用气低谷期，涉及到的环境变量参数如表2所示。使用如图2所示动态仿真模型对现有卸船工艺进行动态模拟，得到接收站现有卸船工艺的年总功耗为2 010 MW·h。

表1 天然气组分的物性参数表

表2 环境变量及相关工艺参数表

图5为接收站用气高峰期与低谷期泄压阶段与部分卸船阶段的LNG与BOG流量曲线，其中0～10 min为泄压阶段，无LNG进罐且无BOG产生。卸船操作在第10 min开始，在卸船开始的瞬间，BOG大量产生并流入储罐，随后BOG流量逐渐下降，直至趋于平稳。这是因为在卸船开始的瞬间，由于管道与所卸载LNG的温差较大，同时伴随着阀门的节流效应，BOG流量会瞬间达到峰值；随着阀门完全开启且由于卸载低温LNG导致管道温度下降，BOG流量会逐渐减小直至趋于平稳。LNG流量在开始卸船后较短时间内增至最大卸船流量，并持续至卸船结束。

图5 用气高峰期与低谷期接收站泄压阶段和部分卸船阶段的LNG与BOG流量曲线图

图6 用气高峰期接收站年卸船总功耗随保冷循环LNG流量和支路管线流量变化趋势图

应用卸船工艺优化运行模型对接收站卸船工艺进行优化，同时进行非稳态传热过程分析，得到接收站卸船期间最小年功耗及对应运行工况。图6、7展示了用气高峰期与低谷期接收站卸船总功耗随操作变量的变化情况。从图6、7可知，随着Qrec的增加，用气高峰期卸船总功耗随之先减小后增加，用气低谷期卸船总功耗逐渐增加；在这两种工况下，qbr对总功耗的影响相对较小。经优化后的用气高峰期操作变量为Qrec=178.5 m3/h，qbr=9 m3/h，用气低谷期为Qrec=156.7 m3/h，qbr=9 m3/h，此时接收站年卸船总功耗为1 749 MW·h，相对于优化前的2 010 MW·h节能13.0%。