天然气增压卸车工艺的模拟与分析

2019-07-02冷绪林邱春斌陈雅彬

石油与天然气化工 2019年3期

冷绪林邱春斌陈雅彬

中国石油管道局工程有限公司

液化天然气(liquefied natural gas，LNG)槽车运输在LNG输送方面有着巨大的市场需求，是管道输配的重要补充手段[1]，特别对于天然气管网没有覆盖、无法实现供气的区域，往往通过公路运输将LNG供应给工厂、民用或调峰用户。

气化站、加注站、调峰站的LNG槽车卸车方式主要有自增压卸车、潜液泵卸车、增压器和泵联合卸车3种卸车工艺。自增压卸车工艺是将LNG通过槽车本体增压口流入LNG卸车撬的自增压器，自增压器通常为空温气化器，LNG经自增压器气化为低温天然气后，通过槽车气相管口返回至槽车储罐气相空间，提高了槽车储罐的气相压力，增大了槽车储罐与接收LNG储罐之间的压力差，利用压力差作为动力源将LNG从槽车储罐输送至LNG储罐[2-5]。潜液泵卸车工艺是先连通LNG槽车和接收储罐的气相系统，将系统内的操作压力进行均压，然后开启潜液泵将LNG槽车内的LNG增压，输送至LNG储罐[6-7]。增压器和泵联合卸车工艺是先连通槽车和接收储罐的气相系统，将系统内的操作压力进行均压，压力平衡后断开气相系统。在潜液泵卸车过程中通过自增压器增大槽车储罐的操作压力，然后开启潜液泵，将槽车内的LNG增压，并输送至LNG储罐，卸车完成后需要通过放散系统给槽车储罐降压[8]。

自增压卸车工艺流程简单，无能耗，但卸车过程效率低，卸车时间长，受环境因素干扰大，设施占地面积较大，造成卸车撬利用率相对较低；潜液泵卸车工艺速度快，时间短，无需对站内储罐进行泄压，不消耗LNG，但工艺流程复杂，卸车撬占地面积较大，能耗高；自增压卸车工艺和潜液泵卸车工艺在卸车后期会在泵池中形成漩涡，可能会将气相引入潜液泵，对其造成损伤，难以将LNG槽车储罐卸放干净。

为了克服自增压卸车、潜液泵卸车的不利特点，结合实际工程项目的整体工艺系统的特点，提出了一种天然气增压卸车工艺，该工艺流程简单，可降低卸车时间，避免环境因素的干扰，提高了卸车撬的利用率，节省了卸车撬的占地面积。同时采用数值模拟软件，建立天然气增压卸车工艺的计算模型，研究计算天然气增压卸车过程中LNG槽车储罐内压力、温度、液位等参数随时间的变化过程，计算卸车过程所需时间及天然气流量，提高设计人员和操作人员对工艺流程的理解。

动态模拟可模拟化工生产装置的正常操作、稳定运行，已被国内外研究机构和工程公司大量应用[9-14]，其中孔录等[15]通过动态模拟软件对乙烯脱轻塔模拟，模拟实际生产过程中可能发生的扰动，并得到脱轻塔运行过程的临界操作值，指导工厂实际操作过程。本文采用动态模拟工具研究了单个LNG槽车卸车过程中LNG槽车储罐的压力、温度、液位等主要操作参数随卸车时间的变化趋势，同时也计算得到单个LNG卸车撬卸车工艺天然气增压所需流量及卸车、均压时间，可用于指导LNG槽车的实际卸车工艺。

1 计算基础参数

1.1 LNG槽车储罐的操作参数

典型LNG槽车容积约为52 m3，充装率90%，储罐直径2.36 m，长度12.0 m，储罐设计压力(表压)0.75 MPa，LNG槽车储罐日蒸发率为0.2%。通过调研实际工程项目数据，LNG槽车到达目的地进行卸料时的工艺操作参数如表1所示(此时储罐介质处于饱和状态，储罐为卧式)。

表1 LNG槽车卸车工艺参数Table 1 Process operation parameters of LNG truck unloading工艺参数数值LNG槽车储罐的操作压力/MPa0.125 25LNG储罐界区点操作压力/MPa0.07LNG槽车卸车速率/(m3·h-1)26～27LNG槽车储罐最大充装率/%90LNG槽车储罐卸车后剩余液体率/%5天然气操作压力/MPa1.4天然气操作温度/℃38LNG储罐有效容积/m325 000LNG接收站储罐操作压力/kPa20LNG储罐和LNG槽车储罐管口高度差/m20LNG槽车储罐直径/m2.36LNG槽车储罐长度/m12LNG槽车储罐日蒸发率/%0.2 注:表中所指操作压力均为表压(下同)。

LNG槽车运输LNG的组成如表2所示。

表2 LNG的组成Table 2 LNG composition%组分甲烷乙烷丙烷氮气摩尔分数95113

1.2 LNG槽车卸车动态模型

LNG槽车卸车工艺主要包括卸车过程和均压过程两个阶段。天然气经增压控制阀降压后经物流1连接至LNG槽车储罐的气相空间，对LNG槽车储罐进行增压，增压后的LNG经物流4、LNG储罐立管后被输送至LNG储罐。卸车速率通过液化天然气物流4的流量计调节天然气管线的流量控制阀来实现自动卸车，从而维持卸车流量的稳定。待LNG槽车储罐液位下降到5%时，操作员关闭天然气控制阀，停止增压，卸车过程结束；开启LNG槽车储罐相连物流9的控制阀，将LNG槽车储罐压力和LNG储罐气相系统压力进行均压，实现LNG槽车储罐降压，并尽可能降至最低，便于LNG槽车在液化厂和LNG接收站的再次充装。LNG槽车卸车和均压过程的数值模拟模型如图1所示，主要包括流量控制、压力控制及安全泄放设施。

首先建立稳态模型，运行并将LNG槽车储罐液位、压力、储罐立管等参数维持在卸车初始状态，储罐立管下游进入LNG储罐的边界压力(表压)设置为70 kPa，保证LNG能够顺利进入LNG储罐。待稳态计算完成后，转至动态模型，进行动态模拟研究。

2 数值模拟结果

2.1 卸车工艺计算

通过建立卸车工艺的数值模拟模型，研究LNG槽车储罐操作压力、LNG槽车储罐液位、LNG槽车储罐操作温度等操作参数随卸车时间的动态变化趋势，如图2和图3所示；计算了天然气增压所需的天然气体积流量、卸车LNG流量、卸车时间，如图4所示。

LNG槽车从天然气液化厂和LNG接收站装载完成，在长途运输过程中，LNG储罐内的液体和气体随着LNG槽车的移动实现充分混合，达到理想的气液平衡状态。本实际工程项目待装料的LNG储罐为大型LNG常压罐，储罐操作压力通常较低，因此卸车系统的背压较低。考虑到罐顶管线的沿程阻力损失、控制阀压降，LNG卸车管线至LNG储罐罐顶控制阀前的操作压力至少需70 kPa，如图3所示。LNG槽车储罐的操作压力只需克服卸车过程两个储罐高度差引起静压差和管道沿程阻力损失，即可满足卸车要求。从图3可看出，LNG槽车储罐液位呈线性下降趋势，是因为卸车工艺中采用了LNG卸车流量自动控制回路，尽可能地维持了卸车过程LNG速率的稳定性，从而使LNG槽车储罐的液位呈现直线下降；从图2可看出，槽车储罐的槽车压力和温度稳定小幅度升高，其中压力升高主要是因为随着LNG槽车储罐液位的下降，LNG槽车储罐LNG静液柱对接点处操作压力的贡献降低，只能通过小幅度提高LNG槽车储罐的操作压力来保证接点处的操作压力，提高卸车速率的稳定性，卸车从开始到结束，LNG槽车储罐操作压力由125.25 kPa升高至127.75 kPa；此外，由于该计算模型假定气相和液相的混合及闪蒸效率始终为理想状态，即LNG槽车储罐始终为气液平衡状态，操作温度也会随着操作压力的升高而升高。

从图2和图3可看出，从卸车开始至LNG槽车储罐液位为5%过程中共耗费约1.5 h，而自增压卸车工艺大约耗费3～4 h，天然气增压卸车工艺大大降低了卸车时间，提高了卸车撬的利用率。

从图4可看出，LNG槽车卸车过程LNG卸车速率在26～27 m3/h正常波动，所需天然气的体积流量在43～44 m3/h波动，天然气体积流量远大于LNG的置换量，主要是因为天然气进入LNG槽车储罐后，会同气相空间低温BOG和液相空间LNG进行传质和传热，导致天然气进入LNG槽车储罐后体积发生冷缩，故所需天然气的体积流量大于LNG卸车置换量。

2.2 均压工艺计算

通过建立均压工艺的数值模拟模型，研究LNG槽车储罐同LNG储罐均压过程中操作压力、操作温度等随均压时间的动态变化趋势，如图5所示。均压过程中LNG槽车储罐回流至LNG储罐的BOG流量和密度变化如图6所示。

LNG槽车卸车完毕时，通常需要将LNG槽车储罐压力同LNG储罐压力进行均压，降低LNG槽车储罐操作压力，尽可能避免LNG槽车在前往天然气液化厂和LNG接收站途中，因吸收环境热量而导致储罐明显升压或超压的发生。由图5可看出，在第5 min时开始进行均压，此时LNG槽车储罐压力迅速降低，储罐操作温度也相应迅速降低，大约9 min后，LNG槽车储罐压力同LNG储罐压力达到平衡，完成均压过程，此时，整个卸车的工艺操作过程基本结束。