冷緒林 邱春斌 陳雅彬

中國(guó)石油管道局工程有限公司

液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)槽車運(yùn)輸在LNG輸送方面有著巨大的市場(chǎng)需求，是管道輸配的重要補(bǔ)充手段[1]，特別對(duì)于天然氣管網(wǎng)沒有覆蓋、無(wú)法實(shí)現(xiàn)供氣的區(qū)域，往往通過公路運(yùn)輸將LNG供應(yīng)給工廠、民用或調(diào)峰用戶。

氣化站、加注站、調(diào)峰站的LNG槽車卸車方式主要有自增壓卸車、潛液泵卸車、增壓器和泵聯(lián)合卸車3種卸車工藝。自增壓卸車工藝是將LNG通過槽車本體增壓口流入LNG卸車撬的自增壓器，自增壓器通常為空溫氣化器，LNG經(jīng)自增壓器氣化為低溫天然氣后，通過槽車氣相管口返回至槽車儲(chǔ)罐氣相空間，提高了槽車儲(chǔ)罐的氣相壓力，增大了槽車儲(chǔ)罐與接收LNG儲(chǔ)罐之間的壓力差，利用壓力差作為動(dòng)力源將LNG從槽車儲(chǔ)罐輸送至LNG儲(chǔ)罐[2-5]。潛液泵卸車工藝是先連通LNG槽車和接收儲(chǔ)罐的氣相系統(tǒng)，將系統(tǒng)內(nèi)的操作壓力進(jìn)行均壓，然后開啟潛液泵將LNG槽車內(nèi)的LNG增壓，輸送至LNG儲(chǔ)罐[6-7]。增壓器和泵聯(lián)合卸車工藝是先連通槽車和接收儲(chǔ)罐的氣相系統(tǒng)，將系統(tǒng)內(nèi)的操作壓力進(jìn)行均壓，壓力平衡后斷開氣相系統(tǒng)。在潛液泵卸車過程中通過自增壓器增大槽車儲(chǔ)罐的操作壓力，然后開啟潛液泵，將槽車內(nèi)的LNG增壓，并輸送至LNG儲(chǔ)罐，卸車完成后需要通過放散系統(tǒng)給槽車儲(chǔ)罐降壓[8]。

自增壓卸車工藝流程簡(jiǎn)單，無(wú)能耗，但卸車過程效率低，卸車時(shí)間長(zhǎng)，受環(huán)境因素干擾大，設(shè)施占地面積較大，造成卸車撬利用率相對(duì)較低；潛液泵卸車工藝速度快，時(shí)間短，無(wú)需對(duì)站內(nèi)儲(chǔ)罐進(jìn)行泄壓，不消耗LNG，但工藝流程復(fù)雜，卸車撬占地面積較大，能耗高；自增壓卸車工藝和潛液泵卸車工藝在卸車后期會(huì)在泵池中形成漩渦，可能會(huì)將氣相引入潛液泵，對(duì)其造成損傷，難以將LNG槽車儲(chǔ)罐卸放干凈。

為了克服自增壓卸車、潛液泵卸車的不利特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目的整體工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一種天然氣增壓卸車工藝，該工藝流程簡(jiǎn)單，可降低卸車時(shí)間，避免環(huán)境因素的干擾，提高了卸車撬的利用率，節(jié)省了卸車撬的占地面積。同時(shí)采用數(shù)值模擬軟件，建立天然氣增壓卸車工藝的計(jì)算模型，研究計(jì)算天然氣增壓卸車過程中LNG槽車儲(chǔ)罐內(nèi)壓力、溫度、液位等參數(shù)隨時(shí)間的變化過程，計(jì)算卸車過程所需時(shí)間及天然氣流量，提高設(shè)計(jì)人員和操作人員對(duì)工藝流程的理解。

動(dòng)態(tài)模擬可模擬化工生產(chǎn)裝置的正常操作、穩(wěn)定運(yùn)行，已被國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和工程公司大量應(yīng)用[9-14]，其中孔錄等[15]通過動(dòng)態(tài)模擬軟件對(duì)乙烯脫輕塔模擬，模擬實(shí)際生產(chǎn)過程中可能發(fā)生的擾動(dòng)，并得到脫輕塔運(yùn)行過程的臨界操作值，指導(dǎo)工廠實(shí)際操作過程。本文采用動(dòng)態(tài)模擬工具研究了單個(gè)LNG槽車卸車過程中LNG槽車儲(chǔ)罐的壓力、溫度、液位等主要操作參數(shù)隨卸車時(shí)間的變化趨勢(shì)，同時(shí)也計(jì)算得到單個(gè)LNG卸車撬卸車工藝天然氣增壓所需流量及卸車、均壓時(shí)間，可用于指導(dǎo)LNG槽車的實(shí)際卸車工藝。

1 計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)

1.1 LNG槽車儲(chǔ)罐的操作參數(shù)

典型LNG槽車容積約為52 m3，充裝率90%，儲(chǔ)罐直徑2.36 m，長(zhǎng)度12.0 m，儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力(表壓)0.75 MPa，LNG槽車儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率為0.2%。通過調(diào)研實(shí)際工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)，LNG槽車到達(dá)目的地進(jìn)行卸料時(shí)的工藝操作參數(shù)如表1所示(此時(shí)儲(chǔ)罐介質(zhì)處于飽和狀態(tài)，儲(chǔ)罐為臥式)。

表1 LNG槽車卸車工藝參數(shù)Table 1 Process operation parameters of LNG truck unloading工藝參數(shù)數(shù)值LNG槽車儲(chǔ)罐的操作壓力/MPa0.125 25LNG儲(chǔ)罐界區(qū)點(diǎn)操作壓力/MPa0.07LNG槽車卸車速率/(m3·h-1)26～27LNG槽車儲(chǔ)罐最大充裝率/%90LNG槽車儲(chǔ)罐卸車后剩余液體率/%5天然氣操作壓力/MPa1.4天然氣操作溫度/℃38LNG儲(chǔ)罐有效容積/m325 000LNG接收站儲(chǔ)罐操作壓力/kPa20LNG儲(chǔ)罐和LNG槽車儲(chǔ)罐管口高度差/m20LNG槽車儲(chǔ)罐直徑/m2.36LNG槽車儲(chǔ)罐長(zhǎng)度/m12LNG槽車儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率/%0.2 注:表中所指操作壓力均為表壓(下同)。

LNG槽車運(yùn)輸LNG的組成如表2所示。

表2 LNG的組成Table 2 LNG composition%組分甲烷乙烷丙烷氮?dú)饽柗謹(jǐn)?shù)95113

1.2 LNG槽車卸車動(dòng)態(tài)模型

LNG槽車卸車工藝主要包括卸車過程和均壓過程兩個(gè)階段。天然氣經(jīng)增壓控制閥降壓后經(jīng)物流1連接至LNG槽車儲(chǔ)罐的氣相空間，對(duì)LNG槽車儲(chǔ)罐進(jìn)行增壓，增壓后的LNG經(jīng)物流4、LNG儲(chǔ)罐立管后被輸送至LNG儲(chǔ)罐。卸車速率通過液化天然氣物流4的流量計(jì)調(diào)節(jié)天然氣管線的流量控制閥來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸車，從而維持卸車流量的穩(wěn)定。待LNG槽車儲(chǔ)罐液位下降到5%時(shí)，操作員關(guān)閉天然氣控制閥，停止增壓，卸車過程結(jié)束；開啟LNG槽車儲(chǔ)罐相連物流9的控制閥，將LNG槽車儲(chǔ)罐壓力和LNG儲(chǔ)罐氣相系統(tǒng)壓力進(jìn)行均壓，實(shí)現(xiàn)LNG槽車儲(chǔ)罐降壓，并盡可能降至最低，便于LNG槽車在液化廠和LNG接收站的再次充裝。LNG槽車卸車和均壓過程的數(shù)值模擬模型如圖1所示，主要包括流量控制、壓力控制及安全泄放設(shè)施。

首先建立穩(wěn)態(tài)模型，運(yùn)行并將LNG槽車儲(chǔ)罐液位、壓力、儲(chǔ)罐立管等參數(shù)維持在卸車初始狀態(tài)，儲(chǔ)罐立管下游進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐的邊界壓力(表壓)設(shè)置為70 kPa，保證LNG能夠順利進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐。待穩(wěn)態(tài)計(jì)算完成后，轉(zhuǎn)至動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬研究。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 卸車工藝計(jì)算

通過建立卸車工藝的數(shù)值模擬模型，研究LNG槽車儲(chǔ)罐操作壓力、LNG槽車儲(chǔ)罐液位、LNG槽車儲(chǔ)罐操作溫度等操作參數(shù)隨卸車時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，如圖2和圖3所示；計(jì)算了天然氣增壓所需的天然氣體積流量、卸車LNG流量、卸車時(shí)間，如圖4所示。

LNG槽車從天然氣液化廠和LNG接收站裝載完成，在長(zhǎng)途運(yùn)輸過程中，LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的液體和氣體隨著LNG槽車的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)充分混合，達(dá)到理想的氣液平衡狀態(tài)。本實(shí)際工程項(xiàng)目待裝料的LNG儲(chǔ)罐為大型LNG常壓罐，儲(chǔ)罐操作壓力通常較低，因此卸車系統(tǒng)的背壓較低。考慮到罐頂管線的沿程阻力損失、控制閥壓降，LNG卸車管線至LNG儲(chǔ)罐罐頂控制閥前的操作壓力至少需70 kPa，如圖3所示。LNG槽車儲(chǔ)罐的操作壓力只需克服卸車過程兩個(gè)儲(chǔ)罐高度差引起靜壓差和管道沿程阻力損失，即可滿足卸車要求。從圖3可看出，LNG槽車儲(chǔ)罐液位呈線性下降趨勢(shì)，是因?yàn)樾盾嚬に囍胁捎昧薒NG卸車流量自動(dòng)控制回路，盡可能地維持了卸車過程LNG速率的穩(wěn)定性，從而使LNG槽車儲(chǔ)罐的液位呈現(xiàn)直線下降；從圖2可看出，槽車儲(chǔ)罐的槽車壓力和溫度穩(wěn)定小幅度升高，其中壓力升高主要是因?yàn)殡S著LNG槽車儲(chǔ)罐液位的下降，LNG槽車儲(chǔ)罐LNG靜液柱對(duì)接點(diǎn)處操作壓力的貢獻(xiàn)降低，只能通過小幅度提高LNG槽車儲(chǔ)罐的操作壓力來(lái)保證接點(diǎn)處的操作壓力，提高卸車速率的穩(wěn)定性，卸車從開始到結(jié)束，LNG槽車儲(chǔ)罐操作壓力由125.25 kPa升高至127.75 kPa；此外，由于該計(jì)算模型假定氣相和液相的混合及閃蒸效率始終為理想狀態(tài)，即LNG槽車儲(chǔ)罐始終為氣液平衡狀態(tài)，操作溫度也會(huì)隨著操作壓力的升高而升高。

從圖2和圖3可看出，從卸車開始至LNG槽車儲(chǔ)罐液位為5%過程中共耗費(fèi)約1.5 h，而自增壓卸車工藝大約耗費(fèi)3～4 h，天然氣增壓卸車工藝大大降低了卸車時(shí)間，提高了卸車撬的利用率。

從圖4可看出，LNG槽車卸車過程LNG卸車速率在26～27 m3/h正常波動(dòng)，所需天然氣的體積流量在43～44 m3/h波動(dòng)，天然氣體積流量遠(yuǎn)大于LNG的置換量，主要是因?yàn)樘烊粴膺M(jìn)入LNG槽車儲(chǔ)罐后，會(huì)同氣相空間低溫BOG和液相空間LNG進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱，導(dǎo)致天然氣進(jìn)入LNG槽車儲(chǔ)罐后體積發(fā)生冷縮，故所需天然氣的體積流量大于LNG卸車置換量。

2.2 均壓工藝計(jì)算

通過建立均壓工藝的數(shù)值模擬模型，研究LNG槽車儲(chǔ)罐同LNG儲(chǔ)罐均壓過程中操作壓力、操作溫度等隨均壓時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，如圖5所示。均壓過程中LNG槽車儲(chǔ)罐回流至LNG儲(chǔ)罐的BOG流量和密度變化如圖6所示。

LNG槽車卸車完畢時(shí)，通常需要將LNG槽車儲(chǔ)罐壓力同LNG儲(chǔ)罐壓力進(jìn)行均壓，降低LNG槽車儲(chǔ)罐操作壓力，盡可能避免LNG槽車在前往天然氣液化廠和LNG接收站途中，因吸收環(huán)境熱量而導(dǎo)致儲(chǔ)罐明顯升壓或超壓的發(fā)生。由圖5可看出，在第5 min時(shí)開始進(jìn)行均壓，此時(shí)LNG槽車儲(chǔ)罐壓力迅速降低，儲(chǔ)罐操作溫度也相應(yīng)迅速降低，大約9 min后，LNG槽車儲(chǔ)罐壓力同LNG儲(chǔ)罐壓力達(dá)到平衡，完成均壓過程，此時(shí)，整個(gè)卸車的工藝操作過程基本結(jié)束。

從圖6可看出，均壓開始時(shí)，LNG槽車儲(chǔ)罐和LNG儲(chǔ)罐壓差最大，回氣質(zhì)量流量、體積流量和密度均快速達(dá)到峰值，回氣體積流量最大約為700 m3/h，回氣體積流量可用于指導(dǎo)回氣系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)。此外，隨著LNG槽車儲(chǔ)罐壓力的降低，回氣流量也逐漸降低，直至達(dá)到壓力平衡，回氣量為零。

3 結(jié)論

通過數(shù)值模擬軟件研究了單個(gè)LNG槽車卸車過程中壓力、溫度、液位等隨卸車時(shí)間的變化過程，同時(shí)也計(jì)算得出單個(gè)LNG卸車撬卸車工藝天然氣增壓所需流量，形成以下主要結(jié)論：

(1)LNG槽車卸車過程可分為卸車過程和均壓過程兩個(gè)階段。

(2)對(duì)于卸車目標(biāo)為L(zhǎng)NG常壓儲(chǔ)罐的工藝系統(tǒng)，LNG卸車系統(tǒng)同LNG儲(chǔ)罐接點(diǎn)處的操作壓力通常較低，本工程項(xiàng)目接點(diǎn)操作壓力約為70 kPa。

(3)卸車過程中，LNG槽車儲(chǔ)罐液位下降趨勢(shì)為線性趨勢(shì)，槽車儲(chǔ)罐的槽車壓力和溫度穩(wěn)定小幅度升高。卸車工藝過程從卸車開始至LNG槽車儲(chǔ)罐液位為5%過程中共耗費(fèi)約1.5 h，提高了卸車撬的利用率。

(4)卸車過程中，LNG卸車速率在26～27 m3/h正常波動(dòng)，所需天然氣的體積流量在43～44 m3/h波動(dòng)，所需天然氣的體積流量大于LNG卸車置換量。

(5)均壓回氣過程中，LNG槽車儲(chǔ)罐壓力迅速降低，儲(chǔ)罐操作溫度也相應(yīng)迅速降低，均壓過程共耗費(fèi)約9 min，期間回氣體積流量約為700 m3/h，可用于指導(dǎo)工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

(6)天然氣增壓卸車流程簡(jiǎn)單，卸車時(shí)間短，效率高，不受環(huán)境條件影響，大大提高了卸車撬的利用率。