LNG接收站外输管网充压和泄压的动态模拟计算

贾保印，胡本源，贺永利，宋媛玲，许 洋，田海星

1.中国寰球工程有限公司，北京 100012

2.中石油江苏液化天然气有限公司，江苏南通 210000

在LNG 接收站实际运营过程中，通常天然气外输管道的操作压力随着下游用户用气特点会在一定范围内无规则地波动。此外，在某些电力紧张的地区，当地政府为了调整用电高峰通常规定商业用电的白天电价远远高于夜晚电价。为了降低运行成本，LNG 接收站通常按照白天小流量外输，晚上大流量外输的运营方式，因此造成管道的操作压力波动较大，这就需要能够准确掌握天然气管网充压过程的时间、充压速率等规律，以指导实际操作过程。可借助动态模拟离线研究计算获得上述数据和规律。

此外，LNG 接收站内天然气管道的设计压力往往高于天然气外输管道的设计压力，在正常操作过程中，需设置压力高高联锁以关闭上游压力源来保证下游天然气外输管道的安全，但该设置的效果和有效性取决于压力高高联锁设定值取值的正确性。该取值取决于下游管道容积、上游天然气来料流量、下游切断阀的关闭时间等，难以通过定性来设定。此外，当下游天然气管道处于事故状态时（如外输管道破裂、下游站场着火等工况），需停止LNG 接收站天然气外输，并实施紧急泄压以降低安全风险。不同天然气管网在操作压力时降压速率、降压时间明显不同，这也需操作人员准确掌握不同初始状态的降压速率规律。

采用稳态模拟计算方法基本上不能解决上述问题，只能引入动态模拟的计算分析方法。动态模拟在处理复杂混合物组成体系、流体超临界状态变化、安全泄放动态过程、工艺过程控制、安全评估以及生产操作培训等方面具有独特的优势。动态模拟引入时间变量，能够计算获取流程参数随时间的变化，准确反映工艺操作的动态变化过程，同实际生产过程基本吻合。动态模拟基于微分方程和偏微分方程，计算过程更为复杂，已被国内外研究机构和工程公司大量应用[1-15]。

本文以某LNG 接收站外输管道的实际运行工况为例，借助动态模拟软件HYSYS，研究计算上述工况下天然气外输管网充压过程和泄压过程中工艺参数的动态变化趋势，为安全设计和运维提供指导。

1 天然气外输管道基础数据

1.1 工艺流程

本项目的主要工艺流程见图1。

图1 LNG 接收站天然气输送工艺流程

来自再冷凝器的LNG 进入高压LNG 泵入口管，经高压LNG 泵增压后，从控制阀（HCV -101） 进入开架式气化器（ORV） 系统，气化后进入天然气外输管网。高压LNG 泵系统设置有最小流量控制回路（FIC-101），以保证高压LNG泵的流量维持在正常允许的最小流量以上；ORV入口管道设置有流量计和流量控制阀（FCV-102）用于控制LNG 的流量；LNG 接收站和天然气外输管网通过紧急切断阀（ESDV-103） 实现紧急隔离；天然气外输管道分输站距离LNG 接收站约15 km，分输站末端设有切断阀。

1.2 主要工艺参数

（1） 天然气各组分含量和工艺参数见表1 ～2。

表1 天然气各组分含量

表2 天然气外输管道的主要工艺操作参数

（2） 高压LNG 泵的性能曲线。高压LNG 泵的性能曲线如图2 所示。

1.3 动态模型

计算过程利用HYSYS Dynamic 中的离心泵、管段、孔板等模块建立模型，并借助流量控制阀、压力控制阀、流量控制器、压力控制器、电子表格和趋势图等模块分析工具，研究了不同工况的工艺性能动态变化趋势，模型页面如图3 所示。

图2 高压LNG 泵性能曲线

2 天然气外输动态模拟

2.1 动态模拟工况

天然气外输管道充压和泄压过程的动态响应模拟工况包括：

工况一，研究当天然气外输管道分输站切断阀关闭，而充压最大流量为200 t/h 时，天然气管道在8 000 ～9 500 kPa 不同初始压力时，充压时间与流量控制阀开度的关系。

工况二，研究当天然气外输管道泄压，而管道压力为10 000 kPa 时，泄压质量流量、操作温度和泄压实际的变化。

图3 天然气外输工艺动态模型页面

2.2 动态模拟结果及分析

2.2.1 工况一计算结果及分析

工况一的计算结果如图4 ～7 所示。

图4 天然气外输管道外输站紧急切断阀关闭曲线

图5 外输管道充压过程操作压力随时间的变化

从图4 可看出，天然气外输管道分输站紧急切断阀从100%开度至完全关闭的时间为20 s。

图6 在不同初始压力充压过程中管道储气物质的量的变化

图7 外输管道充压过程ORV入口流量调节阀开度变化

从图5 可看出，当外输初始压力由8 000 kPa增长到9 500 kPa 时，外输管道的增压过程耗费时长从 19 960 s（约 5.54 h） 缩短为 1 686 s（约0.468 h），即随着管道初始压力的增大，达到天然气管网设计压力的时间在缩短。从图6 可看出，外输管道内部存储的天然气质量随运行时间的变化趋势与操作压力的变化趋势相同。

天然气外输管道充压过程ORV 入口流量调节阀开度变化曲线见图7。从图7 可看出，当天然气管道的初始压力为8 000 kPa 时，随着运行时间的延长，FCV-102 的开度逐渐降低。这是因为随着运行时间的增加，天然气管道压力的不断升高，该管道上的压力信号就会通过串级控制ORV 入口流量控制阀，压力充压导致管道压力逐渐升高，当操作压力高于压力控制设定值时，控制回路会降低ORV 入口流量控制的设定值，进而使得控制阀的开度逐渐降低。此外，外输管道的初始压力越高，ORV 入口流量控制阀的压降就越小，需要流量控制阀的开度越大。上述计算结果同实际运行工艺参数完全相符。

实际运行过程中，天然气外输管道的充压时间除受管道初始压力、充压小时流量的影响外，还受管道容积、管道下载量、环境温度等因素的影响，管道容积越大，充压时间越长，管网储气能力越强；管道下载量越大，充压时间越长；环境温度越高，天然气管道最大储气能力越低。

2.2.2 工况二计算结果及分析

天然气外输管道在某些特定事故状态下除中断外输外，还需进一步泄压，泄压操作通常借助LNG 接收站的火炬系统来实现。API 521—2014 给出了紧急放空时间的推荐值：在泄漏、失效或火灾等紧急情况下，紧急放空系统可按照在15 min 内将系统压力降至690 kPa 为基础进行设计。

本文对天然气外输管道在最大工作压力下依托LNG 接收站的火炬系统进行泄压操作进行研究，同时计算和选择泄放设施的流通能力。图8 和图9为天然气管网压力从初始压力10 000 kPa 泄压至690 kPa 过程中的操作压力、储气质量、操作温度、质量流量的变化曲线。

图8 外输管道泄压过程中操作压力和气体质量的变化

图9 泄压过程中的管道操作温度和天然气泄放流量的变化

从图8 和图9 可看出，当天然气管道由初始压力10 000 kPa 开始泄压时，管道压力和管道储气质量均在不断下降，并且泄压速率呈现下降趋势。泄放气体最大质量流量约为78 t/h，发生在泄放刚开始阶段，小于LNG 接收站已有火炬系统的处理能力，可通过火炬系统进行部分排放，天然气管道泄放至690 kPa 时需32 h（115 200 s），此时泄放设施的流通能力约为5 t/h。此外，泄放过程中下游温度由于节流效应而急剧降低，随后由于天然气管道吸收环境热量，因而温度不断恢复甚至升高。

3 结论

对天然气外输管道充压和泄压过程的动态计算表明，动态模拟可真实模拟天然气管网充压和泄压的实际过程，可离线给出充压时间、流量、压力等理论依据，可定量指导操作人员制定详细准确的开车启动或检维周期，节省了操作运行成本，具有一定的经济性；同时可用于校核天然气管道安全仪表系统联锁设定值及紧急切断阀关闭时间的合理性，从而为工艺设计和运行维护操作提供指导。