劉景俊 李學(xué)濤 唐建峰，3 王玉娟 劉鑫博 王冬旭

1中國(guó)石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司

2中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院

3中國(guó)石油大學(xué)（華東）山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

青島LNG 接收站裝車單元建有24 個(gè)裝車橇，其中17 個(gè)是LNG 裝車橇，裝車統(tǒng)一采用定量裝車系統(tǒng)，交接采用汽車衡進(jìn)行計(jì)量[1]。青島LNG接收站接收LNG 資源包括甲烷含量較高（CH4含量≥96%，摩爾分?jǐn)?shù)）的貧LNG，以及C2+含量較高（CH4含量≤90%，摩爾分?jǐn)?shù)）的富LNG[2-3]。目前接收站內(nèi)建有2 臺(tái)富液罐和2 臺(tái)貧液罐，裝車管線從LNG 儲(chǔ)罐罐內(nèi)低壓泵出口直接到站外裝車單元區(qū)域，工藝流程如圖1所示。

圖1 LNG裝車工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.1 LNG loading process flow diagram

LNG槽車進(jìn)站裝車前需在待裝區(qū)對(duì)預(yù)裝槽車的車輛狀況及安全附件進(jìn)行檢查，確保車輛符合裝車條件。檢驗(yàn)合格后進(jìn)行過(guò)磅稱重，記錄槽車皮重，然后駛?cè)胫付ㄑb車位，熄火并對(duì)車輛位置進(jìn)行固定。站方工作人員進(jìn)行靜電接地線、液相接口、氣相返回接口連接，確認(rèn)槽車罐內(nèi)液位、壓力符合裝車操作標(biāo)準(zhǔn)后，半開裝車閥門進(jìn)行管線驗(yàn)漏、吹掃、預(yù)冷，完成后全開閥門進(jìn)行正常充裝。當(dāng)裝車橇計(jì)量裝車質(zhì)量達(dá)到設(shè)定值時(shí)結(jié)束充裝，進(jìn)行斷臂作業(yè)，槽車出站再次過(guò)磅稱重。

由上述裝車操作流程可知，充裝崗人員及槽車司機(jī)對(duì)LNG 裝車總管中的LNG 物性難以有直接的認(rèn)識(shí)。青島LNG 接收站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中的四臺(tái)LNG儲(chǔ)罐皆可用于槽車充裝，且共用1根裝車總管管線，而裝車LNG 組分摩爾比卻并不固定，當(dāng)一種類型LNG 儲(chǔ)量不足或者槽車裝車需求變化時(shí)會(huì)通過(guò)儲(chǔ)罐出口處的閥門切換改變裝車LNG 類型。每臺(tái)LNG 儲(chǔ)罐設(shè)有1 套液位-密度-溫度測(cè)量裝置（LDT），可進(jìn)行從罐底至最高液位垂直高度內(nèi)的液位、密度、溫度測(cè)量。經(jīng)實(shí)際測(cè)量貧、富液LNG密度相差較大，富液罐LNG 密度長(zhǎng)期穩(wěn)定在470 kg/m3左右，貧液罐LNG 密度長(zhǎng)期穩(wěn)定在420 kg/m3左右。切換裝車LNG 類型勢(shì)必會(huì)造成裝車總管中的LNG 密度產(chǎn)生一定波動(dòng)，由于裝車采用質(zhì)量控制裝車，LNG裝車橇出口密度若發(fā)生持續(xù)性變化會(huì)極大增加槽車的超裝概率，增加運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)。LNG 槽車司機(jī)反映，裝車LNG 由高密度富液切換為低密度貧液后，裝車橇出口密度會(huì)降低進(jìn)而影響LNG 裝車體積發(fā)生變化，造成槽車實(shí)際充裝體積增加，中途運(yùn)輸過(guò)程中容易引起安全閥的變動(dòng)，繼而出現(xiàn)噴液現(xiàn)象[4]。而裝車單元的裝車橇不能對(duì)裝車液體密度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，槽車自身也缺少密度變化監(jiān)控裝置。為深入探究青島LNG 接收站貧富液切換后LNG 裝車橇出口密度變化規(guī)律，本文以過(guò)程模擬軟件Aspen HYSYS中的動(dòng)態(tài)模擬功能為研究手段，建立符合實(shí)際的LNG 裝車模型，對(duì)不同工況下LNG 裝車橇出口密度進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，得出相應(yīng)的LNG 裝車橇出口密度隨時(shí)間的變化曲線，并依據(jù)密度波動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間給出安全裝車指導(dǎo)意見[5]。

1 裝車模型建立

青島LNG 接收站LNG 裝車過(guò)程涉及長(zhǎng)距離的輸送管線，LNG貧富液切換是由管線閥門的開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，故裝車模型的準(zhǔn)確建立是研究的重要前提。根據(jù)青島LNG 接收站實(shí)際裝車流程，利用過(guò)程模擬軟件Aspen HYSYS 建立青島LNG 接收站LNG裝車工藝計(jì)算模型（圖2）。

圖2 基于Aspen HYSYS建立的LNG裝車工藝計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of LNG loading technology based on Aspen HYSYS

由于LNG 貧富液管線切換是一種裝車過(guò)程中的干擾和波動(dòng)，采用傳統(tǒng)的Aspen HYSYS穩(wěn)態(tài)模擬無(wú)法準(zhǔn)確模擬切換后一段時(shí)間內(nèi)的LNG 密度變化趨勢(shì)，所以采用軟件中的動(dòng)態(tài)模擬功能對(duì)其進(jìn)行研究。動(dòng)態(tài)流程模擬將時(shí)間變量引入系統(tǒng)，可預(yù)測(cè)干擾出現(xiàn)后工藝參數(shù)隨時(shí)間的變化情況，用以處理系統(tǒng)狀態(tài)與時(shí)間有關(guān)的問(wèn)題。

動(dòng)態(tài)模擬與穩(wěn)態(tài)模擬不同，動(dòng)態(tài)模擬的單元過(guò)程只有描述該過(guò)程的方程組而不包含方程組的任何解法，采用通用的求解軟件聯(lián)立所有方程以完成模型求解。由于動(dòng)態(tài)模擬中各個(gè)工藝參數(shù)都是時(shí)間的函數(shù)，導(dǎo)致了穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的重大差異。在動(dòng)態(tài)模擬中物料和熱量的衡算必須以微分形式呈現(xiàn)，要控制流程穩(wěn)定運(yùn)行，必須添加必要的控制器模塊，本研究采用Aspen HYSYS 中最常用的PID（比例積分微分）控制器模塊。PID 控制器算法簡(jiǎn)單、實(shí)施方便、控制系數(shù)整定容易，適用于對(duì)象比較復(fù)雜且要求無(wú)余差的場(chǎng)合，適合本研究的常規(guī)控制，且在石油、化工工程過(guò)程中，近90%的控制回路均采用以PID控制器為基礎(chǔ)的常規(guī)控制[6-9]。

采用青島LNG 接收站低壓總管中經(jīng)色譜分析儀得到的貧、富液組分進(jìn)行LNG 組分設(shè)定，具體組分設(shè)定如表1所示，單元模塊的選取及設(shè)定如表2所示。

表1 青島LNG接收站儲(chǔ)罐LNG組分設(shè)定Tal.1 Component setting of Qingdao LNG receiving station storage tank LNG

穩(wěn)態(tài)模型建立時(shí)，在保證切合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況以及模型計(jì)算準(zhǔn)確的前提下，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)化，在模型中將青島LNG 接收站現(xiàn)場(chǎng)貧、富液儲(chǔ)罐簡(jiǎn)化為各1個(gè)，對(duì)LNG裝車管線進(jìn)行簡(jiǎn)化，分為豎直管段及水平管段。根據(jù)青島實(shí)際情況設(shè)定模型環(huán)境溫度、保溫材料類型、保溫材料厚度及風(fēng)速，管線保溫材料為聚氨酯泡沫，傳熱系數(shù)為0.018 W/(m·K)，風(fēng)速采用LNG接收站全年平均風(fēng)速（10 m/s）。

為實(shí)現(xiàn)LNG 接收站現(xiàn)場(chǎng)工藝中貧、富液儲(chǔ)罐三通切換閥門的功能，在模型中貧、富液儲(chǔ)罐出口處各設(shè)置1 個(gè)閥門（VLV-100 和VLV-101），以兩閥門的開關(guān)模擬實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)貧、富液切換的效果。

表2 青島LNG接收站LNG裝車工藝模型的單元模塊設(shè)定Tal.2 Unit Module Setting of LNG Loading Technology Model in Qingdao LNG Receiving Station

穩(wěn)態(tài)模型建立后需要對(duì)模型準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。將輸入青島LNG 接收站某一時(shí)刻裝車單元富液裝車實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)模擬計(jì)算得出裝車橇出口密度為469.243 kg/m3，槽車裝車單元處利用密度檢測(cè)儀檢測(cè)LNG 裝車橇實(shí)際出口密度為469.95 kg/m3；輸入青島LNG 接收站某一時(shí)間裝車單元貧液裝車實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)模擬計(jì)算得出裝車橇出口密度為417.425 kg/m3，槽車裝車單元處利用密度檢測(cè)儀檢測(cè)LNG 裝車橇實(shí)際出口密度為421.01 kg/m3。誤差均在允許范圍內(nèi)，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際較為相符，因此可采用該模型進(jìn)行LNG 裝車橇出口密度模擬研究。

在穩(wěn)態(tài)模型基礎(chǔ)上添加裝車閥門的PID 控制器，對(duì)裝車進(jìn)行負(fù)反饋控制，設(shè)定控制器的比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間。參數(shù)設(shè)定如表3 所示，實(shí)現(xiàn)管線中LNG 的流動(dòng)，以便對(duì)LNG 裝車管線進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。貧、富液管線的切換是由站內(nèi)中央控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程即時(shí)控制，在模型中貧、富液儲(chǔ)罐出口兩閥門處各設(shè)置1個(gè)干擾TRF-1和TRF-2，用以改變動(dòng)態(tài)模擬中閥門的開度，以0 或者100%開度替代現(xiàn)場(chǎng)工藝中的管線切換操作以達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)貧、富液切換的效果。當(dāng)富液切換為貧液時(shí)，閥門VLV-100 開度由100%減小為0，閥門VLV-101 開度由0增加為100%；當(dāng)貧液切換為富液時(shí)，閥門VLV-101 開度由100%減小為0，閥門VLV-100 開度由0增加為100%。

利用軟件的動(dòng)態(tài)助手檢查模型是否滿足轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬的條件，在滿足的條件下對(duì)穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成功后對(duì)動(dòng)態(tài)模型中動(dòng)態(tài)進(jìn)程的控制時(shí)間、事件圖表進(jìn)行設(shè)定。設(shè)定完成后進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算，對(duì)貧、富液儲(chǔ)罐出口處兩閥門在同一時(shí)間施加不同開度調(diào)節(jié)干擾，即可得到相應(yīng)工況下裝車物流處LNG 裝車橇出口密度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。

表3 LNG裝車動(dòng)態(tài)模擬控制器參數(shù)設(shè)定Tal.3 LNG loading dynamic simulation controller parameter setting

2 模擬結(jié)果及安全裝車指導(dǎo)

青島LNG 接收站LNG 裝車單元目前建有17 個(gè)裝車橇，可同時(shí)容納1～17 輛LNG 槽車裝車，依據(jù)裝車操作規(guī)程，裝車時(shí)設(shè)定每輛槽車裝車流量10 kg/s。利用建立的青島LNG 接收站LNG 裝車模型對(duì)裝車單元不同裝車數(shù)量下的貧富液管線切換進(jìn)行LNG 裝車橇出口密度動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，將計(jì)算得出的LNG 裝車橇出口密度隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)進(jìn)行整理形成曲線。裝車管線由富液切換成貧液的計(jì)算結(jié)果形成密度曲線如圖3所示，裝車管線由貧液切換成富液的計(jì)算結(jié)果形成密度曲線如圖4所示。

圖3 不同裝車數(shù)量下LNG富液切換貧液后裝車橇出口密度Fig.3 Loading exit density after switching LNG rich liquid to barren liquid under different loading numbers

由圖3可以看出，在某一固定時(shí)間將LNG裝車管線中的富液切換成貧液后進(jìn)行LNG 裝車時(shí)裝車橇出口密度會(huì)逐漸降低，一段時(shí)間后管線中的富液完全替換為貧液，此時(shí)裝車橇出口密度會(huì)趨于穩(wěn)定。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同數(shù)量的LNG 槽車同時(shí)裝車對(duì)LNG裝車橇出口密度的變化影響較大，對(duì)不同裝車數(shù)量對(duì)應(yīng)的裝車橇出口密度穩(wěn)定所需時(shí)間進(jìn)行精確計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同LNG裝車數(shù)量對(duì)應(yīng)裝車橇出口密度穩(wěn)定所需時(shí)間（富切貧）Tal.4 Different LNG loading number corresponding to the stability time needed for loading exit density(rich liquid switching to barren liquid)

由表4可以看出，LNG裝車橇出口密度穩(wěn)定所需時(shí)間隨LNG 同時(shí)裝車數(shù)量的增加而降低，裝車數(shù)量較少時(shí)LNG 裝車橇出口密度穩(wěn)定所需時(shí)間較長(zhǎng)，9 輛以上的槽車同時(shí)裝車后裝車數(shù)量對(duì)裝車橇出口密度穩(wěn)定時(shí)間的影響漸小。主要是由于同時(shí)裝車數(shù)量的增加會(huì)加大管線輸送流量，進(jìn)而加速管線中的貧富液替換過(guò)程，縮短裝車橇出口密度變化趨于穩(wěn)定所需時(shí)間。管線中富液切換貧液會(huì)造成裝車橇出口密度降低，切換管線后裝載相同質(zhì)量的LNG會(huì)需要更大的容積，此時(shí)槽車司機(jī)如果不了解情況可能會(huì)引起槽車的高液位超裝，引發(fā)安全事故。

圖4 不同裝車數(shù)量下LNG貧液切換富液后裝車橇出口密度Fig.4 Loading exit density after switching LNG rich liquid to lean liquid under different loading numbers

由圖4可以看出，在某一固定時(shí)間內(nèi)將LNG裝車管線中的貧液切換成富液后LNG 裝車橇出口密度會(huì)逐漸升高，一段時(shí)間后貧液完全替換為富液裝車橇出口密度會(huì)趨于穩(wěn)定。管線中貧液切換富液會(huì)造成裝車橇出口密度升高，切換管線后裝載相同質(zhì)量的LNG 需要的容積會(huì)減小，不同數(shù)量的LNG 槽車裝車對(duì)其穩(wěn)定所需時(shí)間影響較大，不同裝車數(shù)量對(duì)應(yīng)的裝車橇出口密度穩(wěn)定所需時(shí)間如表5 所示。由表4、表5 可以看出，貧液切換富液和富液切換貧液后不同LNG 裝車數(shù)量對(duì)應(yīng)的裝車橇出口密度穩(wěn)定所需時(shí)間較為接近。

表5 不同LNG裝車數(shù)量對(duì)應(yīng)裝車橇出口密度穩(wěn)定所需時(shí)間（貧切富）Tal.5 Different LNG loading number corresponding to the stability time needed for loading exit density(barren liquid switching to rich liquid)

在青島LNG 接收站裝車單元實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，裝車人員對(duì)車輛的裝車橇出口密度與裝載液位容積的對(duì)應(yīng)關(guān)系了解甚少，大部分LNG 槽車司機(jī)采取估算容積值進(jìn)行裝車計(jì)量，當(dāng)貧富液切換后槽車司機(jī)對(duì)液位容積與裝載質(zhì)量發(fā)生的變化沒(méi)有理論上的清晰認(rèn)識(shí)。故針對(duì)52.6 m3標(biāo)準(zhǔn)LNG 槽車進(jìn)行液位、體積與貧富液裝車質(zhì)量對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算，結(jié)果如表6所示。由表中數(shù)據(jù)可知，相同液位對(duì)應(yīng)不同LNG的裝車質(zhì)量相差較大，按日常裝車常用90%裝載容積進(jìn)行對(duì)比，富液對(duì)應(yīng)裝車質(zhì)量22 021.803 kg，貧液對(duì)應(yīng)裝車質(zhì)量19 679.058 kg，貧富液裝車質(zhì)量差達(dá)到了2 000 kg，故需要槽車司機(jī)針對(duì)裝車容積及所需LNG 類型進(jìn)行相應(yīng)的裝車質(zhì)量選取，優(yōu)化裝車計(jì)量監(jiān)控機(jī)制，提高運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)。

青島LNG 接收站日常裝車頻率最高的為標(biāo)準(zhǔn)總?cè)莘e52.6 m3的標(biāo)準(zhǔn)LNG 槽車，考慮安全運(yùn)輸極限，裝載容積一般為總?cè)莘e的90%左右[10-11]。根據(jù)目前裝車單元操作規(guī)程中單輛LNG 槽車裝載流量設(shè)定10 kg/s，則每輛槽車充裝時(shí)間為30～35 min?；谇鄭uLNG 接收站貧富液管線切換后裝車橇出口密度穩(wěn)定所需時(shí)間（表4、表5），建議裝車LNG類型切換后采取7 輛或7 輛以上槽車同時(shí)裝車，以減少后續(xù)槽車裝車受到LNG 裝車橇出口密度變化的影響。

以某時(shí)刻現(xiàn)場(chǎng)LNG富液切換為貧液后7輛容積52.6 m3標(biāo)準(zhǔn)LNG 槽車同時(shí)裝車驗(yàn)證模擬結(jié)果。統(tǒng)一控制槽車裝載容積在90%左右，由LNG 槽車自帶液位計(jì)及LNG 裝車橇質(zhì)量流量計(jì)顯示值計(jì)算槽車罐內(nèi)LNG密度，槽車裝載液位及裝載質(zhì)量如表7所示。

表6 貧富液裝車對(duì)應(yīng)液位-體積-質(zhì)量對(duì)照表（52.6 m3標(biāo)準(zhǔn)LNG槽車）Tal.6 Liquid level-volume-quality comparison table for rich and barren liquid loading(52.6 m3 LNG standard tanker)

表7 富液切換貧液后7輛槽車裝載液位、質(zhì)量Tal.7 Loading liquid level and quality of 7 tank trucks after rich liquid switching to barren liquid

由上述實(shí)際裝車液位及裝載質(zhì)量計(jì)算得出的罐內(nèi)密度可知，富液切換為貧液后裝車橇出口密度明顯下降，7 輛槽車充裝完成后裝車單元進(jìn)入正常裝車模式，記錄之后8輛LNG槽車裝車數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 正常裝車模式下槽車裝載液位、質(zhì)量Tal.8 Tanker loading liquid level and quality in normal loading mode

對(duì)比表7、表8數(shù)據(jù)可知，7輛槽車同時(shí)充裝完成后管線中的LNG 組分接近穩(wěn)定，后續(xù)裝車橇出口密度不再發(fā)生較大變化，且與站內(nèi)貧液儲(chǔ)罐檢測(cè)LNG密度值相近。由此可以推斷當(dāng)7輛槽車裝載完成后管線內(nèi)貧富液替換已完成，與模擬計(jì)算結(jié)果相符合。

青島LNG 接收站裝車單元長(zhǎng)期處于高負(fù)荷狀態(tài)下工作，管線中貧富液切換會(huì)極大影響裝車效率，同時(shí)增加槽車運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)，故應(yīng)盡量減少貧富液切換次數(shù)。當(dāng)進(jìn)行貧富液切換后，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況安排一定數(shù)量槽車充裝以完成管線貧富液替換，建議采用7輛或以上數(shù)量槽車同時(shí)裝車以避免后續(xù)槽車受到裝車橇出口密度變化的影響，同時(shí)貧富液替換過(guò)程中進(jìn)行裝車時(shí)需嚴(yán)格觀察槽車液位指示及裝車質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)液位異常時(shí)應(yīng)立刻關(guān)閉裝車閥門并進(jìn)行安檢、采取保護(hù)措施。青島LNG 接收站裝車單元后期擴(kuò)建可增設(shè)LNG 裝車總管，貧富液各自通過(guò)單獨(dú)管線由儲(chǔ)罐輸送到裝車單元，設(shè)置貧富液裝車橇，根據(jù)用戶需求進(jìn)行貧富液分裝，以杜絕因貧富液切換引起的裝車計(jì)量問(wèn)題，保證安全生產(chǎn)。

3 結(jié)論

針對(duì)青島LNG 接收站LNG 裝車橇出口密度變化進(jìn)行了模擬研究，介紹了青島LNG 接收站LNG裝車實(shí)際工藝流程，基于Aspen HYSYS建立了貼合實(shí)際的裝車工藝流程模型，利用動(dòng)態(tài)功能模擬了不同工況下的裝車橇出口密度，并與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

（1）青島LNG 接收站貧富液裝車管線進(jìn)行切換后裝車橇出口密度會(huì)發(fā)生顯著變化，根據(jù)不同工況得到了對(duì)應(yīng)的LNG 裝車橇出口密度隨時(shí)間變化曲線。通過(guò)驗(yàn)證，建議貧富液切換后采取7 輛52.6 m3標(biāo)準(zhǔn)LNG 槽車同時(shí)裝車，槽車充裝完成后管線內(nèi)貧富液可完成全部替換，以最大限度減少受裝車橇出口密度變化影響的裝車數(shù)量。

（2）LNG 槽車同一液位容積下對(duì)LNG 貧富液的裝載質(zhì)量不同，建議槽車司機(jī)根據(jù)液位-體積-質(zhì)量對(duì)照表計(jì)算不同密度下的裝車質(zhì)量，充分利用槽車空間，提高裝車安全性。