液化天然气接收站不同船期下动态罐容模型建立及分析

多志丽

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

截至2019年底，我国已建成投产LNG接收站22座(不含港、澳、台)，目前在建(扩建)LNG接收站14座、规划20余座。LNG接收站项目遍布沿海省市。

LNG储罐用于缓冲连续的供气需求和不连续的接船供应，可有效地缓冲季节不均匀及日不均匀外输带来的冲击。因此LNG储罐是LNG接收站稳定运行的核心设备【1-3】。同时LNG储罐是LNG接收站投资的重要部分，也是决定LNG接收站施工进度的关键设备【4】。因此根据接收站的生产运行确定合理的LNG罐容，可提升接收站运行能力、节省建设投资、缩短站场建设周期。

液化天然气接收站罐容计算包括静态罐容计算及动态罐容计算两种方式。静态罐容计算是计算某一时刻下接收站罐容需求量。动态罐容是根据接收站外输量、卸船速率计算每时刻下接收站LNG库存量，取最大值为接收站罐容需求量。

船期是影响动态罐容计算的重要因素。LNG接收站船期模式可分为均匀船期、半均匀船期和自主船期3种模式。均匀船期是指根据站场处理规模及码头运行能力均匀安排1年的船期。半均匀船期是指接收站按月做接船计划，均匀安排每月接船数量。自主船期是指完全根据库存量合理安排船期，当库存量小于安全储量时，通过卸船来增加库存量。

1 静态罐容计算

目前国内通常采用静态罐容计算，其计算见式(1)【5】。

Vs=VT+(n×Q)-(t×q)+Q′

(1)

式中：Vs——LNG接收站储存能力，m3；

VT——LNG船容，m3；

n——安全储备天数，d；

Q——最大LNG日输出量，m3/d；

t——卸料时间，h；

q——卸船期间的LNG小时输出量，m3/h；

Q′——应急储备量，m3。

影响LNG接收站储存能力的因素较多，如LNG运输船的船容、LNG接收站的外输要求、LNG运输船延期运输、恶劣天气等【5】。确定LNG接收站的储存能力一般考虑以下影响因素：LNG运输船的有效容积和船运安排、储罐安全余量、满足调峰任务的存储量以及其他计划的事件(如LNG运输船的延期或维修)或不可预料事件(如气候突然变化)所需的存储量等。

由式(1)可以看出：静态计算法仅能计算某个瞬时状态下接收站所需罐容，不能准确地表达接收站连续运行时所需罐容。同时静态计算法没有考虑船期安排、季节调峰等对接收站存储能力的影响，因此其既无法计算最大罐容出现的工况，也无法体现极端工况下的储罐需求量，从而无法合理安排站场生产运行。

2 动态罐容计算

夏庆修、付子航【6-7】等人针对LNG动态罐容计算进行了研究，其计算方法可归结为均匀船期。但其仅考虑了季节调峰影响，并未考虑日调峰影响，且考虑影响因素单一。李广周【8】等人分析了大型LNG接收站储罐罐容与调峰方式的关系。本文将针对不同的船期计划，建立3种动态计算模型进行对比研究。

动态罐容计算见式(2)。本文计算原则为接收站LNG库存量需大于等于零。

V(t)=V(t-1)+qs(t)-q(t)

(2)

式中：V(t)——t时刻下接收站LNG库存量，m3;

V(t-1)——(t-1)时刻下接收站LNG库存量，m3;

qs(t)——卸船工况t时刻下的卸船量，m3，若为非卸船工况，则该值为0;

q(t)——(t-1)至t时刻，接收站外输量，m3。

由式(2)可知，接收站罐容计算的决定性因素包括接收站日外输量及船期。

2.1 动态罐容计算影响因素

2.1.1 接收站外输量

接收站工程建设可研阶段，市场分析报告会根据市场需求预测该接收站每月外输量。为了计算的准确性，在动态罐容分析时，根据日不均匀系数将月外输量细化至日外输量，然后平均至小时外输量(此处不再考虑小时不均匀系数影响)。

影响城市燃气的日不均匀性的主要因素是居民生活习惯，与地区关系不大。一般城市的日不均匀系数波动较小，基本上在0.8～1.2【9-10】之间。

2.1.2 船期

均匀船期一般多用于天然气液化厂，即销售方。半均匀船期、自主船期多用于天然气接收站，即购买方。

国际最大LNG船型为Q-max，船容为26.6×104m3，大部分已建接收站均可卸载该船型。Q-max船全球仅14艘，预定量较少。目前市场主流是16×104～18×104的大型LNG船【11】，充装系数为0.9。

2.1.3 安全储存天数

大部分LNG接收站建于沿海城市，这些地区发生极端天气(台风、大雾、冰冻等)是大概率事件，因此需考虑由于极端天气影响导致的码头不可卸船作业工况。同时LNG资源自输送地至接收站路途遥远，船期延误也是必须考虑的因素。所以安全储备天数为码头不可连续作业天数与船期延迟天数之和。安全储备量Sq为安全储存天数与当天外输需求量之积。

在半均匀船期及均匀船期模型中考虑了发生1次不可作业的极端工况。

2.1.4 单码头卸船频率

根据海事规定， LNG船不允许夜航， 因此需根据实际航线长度、 站场的卸船速率， 在考虑手续办理时间后， 确定单座码头两船最小间隔天数D。

2.2 动态罐容计算模型

2.2.1 均匀船期动态模型

根据市场预测及日不均匀系数，确定每天外输量{Ai}i=1～365，则年外输量为B=∑Ai。每年到港LNG船数计算见式(3)。

N=B/ρ/(Vε)

(3)

式中：N——每年到港LNG船数，向上取整，艘;

B——年总外输量，kg;

ρ——LNG密度，kg/m3;

V——主力船型有效容积，m3;

ε——充装系数，取0.9。

非卸船日，令mi=0；卸船日，令mi=1。一年中每天第24时刻实际罐容计算见式(4)。

(4)

1

式中：T1、Ti、Ti-1——分别为第1天、第i天、第(i-1)天的第24时刻实际罐容，m3;

A0——初始库存量，m3;

A1、Ai——分别为第1天、第i天总外输量，m3。

卸船日卸船后罐容计算见式(5)。

(5)

式中：TSi——卸船日卸船后罐容，m3;

θ——卸船速率，m3/h。

若min(Ti)<0，则接收站所需罐容为{max(TSi)-min(Ti)}；若min(Ti)≥0，则接收站所需罐容为{max(TSi)}。

2.2.2 半均匀船期动态模型

半均匀船期动态模型是在均匀船期动态模型基础上调整每月总来船量，增加高峰月来船量，减少低谷月来船量。

每月外输量为Mk=∑Ai，其中k=1～12，i=1～(k月天数)。同理于每年到港LNG船数量计算方法，求出每月需到港LNG船数Nmk，其中k=1～12。

确定船期后，同理于均匀船期动态模型，求出半均匀船期模型下接收站所需罐容为{max(TSi)-min(Ti)}或{max(TSi)}。

2.2.3 自主船期动态模型

自主船期动态模型与上述两种模型不同之处为船期的确定。

设接收站安全储备量为Sq，当储罐库存量Ti-1

在进行以上计算时，需满足两船卸载间隔天数≥最小间隔天数D。确定卸船日后，储罐罐容计算同均匀船期罐容计算。

3 某接收站动态罐容计算

中国某沿海城市拟建设规模为600×104t/a 的LNG接收站，根据市场调研报告，其外输预测见表1；日不均匀系数高值取1.2，低值取0.8，则该站每日外输量见图1。该接收站建设1座LNG码头，以17.2×104m3LNG船为主力船型，装载系数为0.9【11】，卸船速率为14 000 m3/h，LNG密度为425 kg/m3。该地区海事不允许夜航，根据船容及卸载速率计算,每座码头卸船最小间隔时间为2 d，即每座码头最大卸船频率为3 d卸载1船。

图1 某接收站每日外输分解

表1 某接收站外输量预测

3.1 均匀船期动态计算

该接收站规模为600×104t/a，则需要卸载的LNG船次为：

N=600/[0.425×(17.2×0.9)]=91.2≈92艘

两船间隔时间Δt=365/92-1=4，即4 d卸载1船。

根据编制的“LNG储罐均匀船期罐容计算程序”进行模拟计算，结果见图2。根据模拟结果可得，均匀船期动态计算最大罐容需求为165×104m3，需建设9座20×104m3LNG储罐。

图2 均匀船期动态计算得到的罐容需求

3.2 半均匀船期动态计算

根据表1计算出每月外输量、需来船量，修订均匀船期的船期安排。由于该地区单码头卸船最小间隔时间为2 d，则每月最多安排10艘船。修订后船期安排见表2。由表2可知： 均匀船期1年内共接卸92艘船， 经过调整后， 半均匀船期1年内共接卸船数保持92艘不变。

表2 某接收站半均匀船期安排

根据编制的“LNG储罐半均匀船期罐容计算程序” 进行模拟计算，结果见图3。由模拟结果可得：半均匀船期最大罐容需求为83.8×104m3，需建设5座20×104m3LNG储罐。

图3 半均匀船期动态计算得到的罐容需求

鉴于该站位于中国北方海湾，根据气候条件分析，12月～次年1月底是该地区海水结冰的高发时间。分别模拟12月或1月发生1次船舶无法到港工况，即12月或1月减少1艘船到港安排，模拟结果见图4和图5。由图4和图5可知，两种工况最大罐容需求量均为83.8×104m3，说明冬季发生极端工况对最终罐容需求量无影响。这是由于夏季外输量少，来船数量较多，为冬季的极端工况储备了足够罐容。

图4 半均匀船期动态计算得到的12月发生1次极端工况的罐容需求

图5 半均匀船期动态计算得到的1月发生1次极端工况的罐容需求

3.3 自主船期动态计算

该站位于北方，考虑码头受气候影响，不可连续作业天数取5 d；考虑海运途中、货源或船只等突发状况导致船延迟到达天数2 d，则安全储备天数为7 d，安全储备量为Sq=7Ai。

单座码头连续两船卸载间隔最小为2 d。根据编制的“LNG储罐自主船期罐容计算程序”进行模拟计算，结果见图6。由模拟结果可得：在不考虑冬季发生因环境影响和船期延误导致无法卸船工况时，自主船期最大罐容需求为43.7×104m3，需建设3座20×104m3LNG储罐；1年来船92艘，与均匀船期、半均匀船期计算结果一致。

图6 自主船期动态计算得到的不考虑极端因素工况下的罐容需求

根据编制的“LNG储罐自主船期罐容计算程序1.1”模拟计算12月15日～次年1月30日之间发生1次7 d不可连续作业工况罐容需求。该程序可自动模拟计算该段时间每一天处于不可作业工况下接收站罐容需求，并选出其中最大值。由计算结果可知，当1月20日起发生极端工况时，罐容需求最大，为69.4×104m3，需建设4座20×104m3LNG储罐，计算结果见图7。

图7 自主船期动态计算得到的考虑发生1次极端工况的罐容需求

3.4 3种动态模型对比

根据某接收站的模拟结果可知：

1) 在不发生极端工况的情况下， 采用均匀船期模型、 半均匀船期模型及自主船期模型计算， 罐容需求量分别为165×104、 83.8×104、43.7×104m3。自主船期模型较均匀船期模型可节省73.5%罐容，较半均匀船期模型可节省47.8%罐容。

2) 在发生1次极端工况的情况下，采用半均匀船期模型及自主船期模型计算，罐容需求量分别为83.8×104、69.4×104m3。该工况下，自主船期模型较半均匀船期模型可节省17.2%罐容，且自主船期模型可确定导致最大罐容需求的发生极端工况的日期。

4 结论

储罐建设的投资在接收站建设投资中占很大比重，因此储罐个数的确定至关重要。本文分析了现有静态分析方法的弊端，并提出了均匀船期、半均匀船期和自主船期3种动态模型，同时编制了相应的计算程序。针对某接收站实际预测外输情况，分别采用3种动态模型模拟不发生极端工况和发生1次极端工况的情况下该接收站所需罐容。通过对比分析得出以下结论：

1) 动态罐容计算方法考虑船期安排、气量的季节调峰和日调峰以及安全余量影响，因此不论是均匀船期还是自主船期，不论是基荷型还是调峰型的接收站，其罐容都应该采用动态罐容分析法确定，以符合生产实际需求。

2) 均匀船期模型对船期安排自由度最小，半均匀船期模型适中，自主船期模型较高。自主船期模型适用于公司具有多座接收站、可自由安排船期的情况。

3)在不考虑极端工况的情况下，自主船期模型较均匀船期模型可节省73.5%罐容，较半均匀船期模型可节省47.8%罐容；在考虑1次极端工况的情况下，自主船期模型较半均匀船期模型可节省17.2%罐容。因此，采用均匀船期模型，所需罐容最大；采用半均匀船期模型，所需罐容适中；采用自主船期模型，所需罐容最少，可节省大量建设投资。

4) 建议各接收站项目根据实际进货计划，合理安全船期，尽可能做到自主船期经营模式，从而减少储罐建造个数，节省投资。