宋宇 肖述民 高小永 陳勇 殷衛(wèi)兵

摘 要 以某LNG接收站為仿真對象，使用Aspen HYSYS流程模擬軟件，選取PRSV方程作為物性計算方程，建立了接收站穩(wěn)態(tài)模型。根據(jù)各個設備的運行參數(shù)，對接收站進行全流程模擬，得到了各物流、設備能耗等詳細參數(shù)，并利用此模型分析了外輸流量、溫度和壓力變化時對接收站各流程性能參數(shù)的影響。實驗結(jié)果表明：該流程模擬可以完全滿足各種復雜工況變化與調(diào)整的模擬仿真需求。

關鍵詞 流程模擬 LNG接收站 Aspen HYSYS 能耗

中圖分類號 TP319? ?文獻標志碼 A? ?文章編號 1000?3932（2024）01?0092?11

近年來，我國天然氣需求量日益增大，國產(chǎn)天然氣遠遠不能滿足市場需求，因此需要在沿海各地建設LNG接收站進口海外LNG作為補充。自2006年廣東大鵬LNG接收站順利投產(chǎn)，LNG接收站在國內(nèi)已經(jīng)發(fā)展十余年，作為天然氣儲備和調(diào)峰的主力，其重要性越來越顯著。

在LNG接收站中，卸料臂和卸船管線都要進行保冷循環(huán)，只有在卸船操作時才會停止，由于需要低壓泵的輸出，并且過程中會產(chǎn)生閃蒸氣（BOG），BOG又需要各類耗能設備處理，所以在保冷循環(huán)過程中會消耗大量的能源。熊華彬等基于HYSYS模擬仿真軟件計算接收站的卸料能力，得到全速卸料期間罐壓變化的大小，該研究對調(diào)整卸料過程速度的快慢有一定的指導作用，但是研究內(nèi)容范圍較小，沒有形成整體的方案［1］。由于站內(nèi)各個設備的漏熱、泵的做功等原因，接收站內(nèi)也會產(chǎn)生大量的BOG，造成儲罐及管線內(nèi)壓力升高，當壓力達到工藝所允許的最大值，就會造成超壓排放或者進行火炬燃燒，這些都會造成大量的能源浪費，并且嚴重污染環(huán)境［2，3］。付子航建立了靜態(tài)與動態(tài)的設計模型，對LNG接收站設計階段的BOG產(chǎn)生量進行估算，為后續(xù)建設LNG儲罐和BOG處理設備的合理配置提供支持［4，5］。鹿曉斌等基于HYSYS流程模擬對接收站進行仿真分析，計算出BOG生成量，比傳統(tǒng)的計算方法更加準確［6］。PARK C等利用Aspen Plus流程模擬對接收站進行模擬仿真，提出在外輸需求波動情況下采用直接壓縮工藝和再冷凝工藝結(jié)合使用的方法［7，8］。LNG汽化過程中，各種氣化器都有一定的能耗，劉家琛等對3種常用的氣化器的優(yōu)點和不足進行了分析，并建立了ORV模型［9］。周華等根據(jù)ORV的特性曲線和實驗數(shù)據(jù)，給出了具體的優(yōu)化方案，實際驗證表明節(jié)能效果明顯［10］。王新對SCV的運行狀況和優(yōu)化措施進行了分析，并對其運行進行了仿真，得出了高水浴溫度與低廢氣甲烷濃度的最佳結(jié)合點，以降低燃料消耗［11］。

綜上所述，前人對LNG接收站的研究多集中在工藝機理改進、設備優(yōu)化等方面。而在LNG接收站的實際生產(chǎn)過程中，隨著下游用戶的用氣需求不斷變化，接收站的運行工況需要頻繁切換與調(diào)整，而目前的人工決策方案往往不夠精準，以致于需要長時間的調(diào)整設備運行參數(shù)，并給生產(chǎn)帶來不確定的安全風險，為此，目前對LNG接收站的研究多傾向于構建生產(chǎn)過程智能決策系統(tǒng)，進行具有人工智能的生產(chǎn)過程設備選擇、工藝優(yōu)化決策，并輔助工藝崗位操作人員進行設備操作等。為保證LNG接收站安全、高效運行，智能操作方案的合理性與經(jīng)濟性亟需仿真驗證平臺，因此能夠適應各種工況變化的LNG接收站流程模擬是LNG接收站智能化建設的關鍵。

1 流程模擬技術

化工過程模擬仿真是通過一系列數(shù)學物理模型來描述物理或者化學變化的過程，這些數(shù)學物理模型包括有相平衡、傳遞方程和化工過程動態(tài)學的物料衡算和能量衡算方程。流程模擬仿真技術主要分為穩(wěn)態(tài)模擬仿真和動態(tài)模擬仿真，化工過程模擬仿真通常以穩(wěn)態(tài)模擬仿真為主，這是一種依靠計算機的仿真方式。穩(wěn)態(tài)模擬仿真以化工工藝流程的原理為基礎進行建模，并根據(jù)各物流的特性（包括組成、溫度、壓力及流量等），采用數(shù)學方法建模來描述整個工藝流程。利用仿真軟件輔助進行各物料的物性和熱力學計算，并按照工藝操作條件進行工藝流程模擬，幫助科研人員對工藝技術、操作工況進行分析和優(yōu)化［12］。與穩(wěn)態(tài)模擬仿真相比，動態(tài)模擬仿真最大的不同之處在于引入了時間概念，穩(wěn)態(tài)模擬仿真過程中各節(jié)點參數(shù)是不會隨著時間推移而發(fā)生變化的，而動態(tài)模擬仿真則把工藝過程中的各種干擾因素考慮在內(nèi)，將時間參數(shù)引入其中，通過求解數(shù)學微分方程得到過程動態(tài)特性，其具體區(qū)別見表1。

常用的流程模擬軟件主要有Aspen HYSYS、Aspen PLUS、Honewell UniSIM Design、PRO/Ⅱ及gPROMS等，還有開源的軟件DWSIM等，這些軟件能夠?qū)崿F(xiàn)設備的尺寸計算、物理計算、操作分析及工藝優(yōu)化等功能，為化工過程的模擬和仿真提供有力的支持。筆者利用Aspen HYSYS對LNG接收站的工藝流程進行模擬。HYSYS是由國際知名石油和天然氣加工仿真軟件公司研制的大型專家系統(tǒng)，其具有以下幾個特點：

a. HYSYS采用事件驅(qū)動，在模擬仿真時，當變化一種或者幾種變量時，另一些變量也會隨之改變，算出的結(jié)果自動更新。通過這種途徑能使研究人員對所研究的流程有更加徹底的了解，也更加方便操作。

b. HYSYS由多種模塊構成，各種化工設備齊全、工具種類豐富，允許拆分成子流程，并可以獨立計算。

c. 物性計算功能精確，HYSYS數(shù)據(jù)庫包含了數(shù)以千計的純粹物質(zhì)數(shù)據(jù)和數(shù)以萬計的互動參數(shù)，并且可以為用戶提供多種材料和模型。HYSYS能夠?qū)ξ粗兞窟M行自動運算，并對其進行前后延伸。

2 LNG接收站工藝系統(tǒng)

2.1 工藝設備及參數(shù)

LNG接收站中的設備主要有儲罐、低壓泵、BOG壓縮機、再冷凝器、高壓泵、增壓壓縮機、氣化器及海水泵等。儲罐都采用全容式混凝土儲罐，有良好的保溫性能，能使LNG得到低溫保存，采用BOG壓縮機對儲罐進行壓力控制，采用安全閥進行高壓防護，采用真空閥門進行低壓保護。低壓泵位于LNG儲罐內(nèi)的泵井里，依靠泵井頂部的電動機驅(qū)動，其作用是將罐內(nèi)LNG抽出，輸送至再冷凝器和保冷循環(huán)管線。BOG壓縮機用于回收處理BOG，站內(nèi)產(chǎn)生的BOG經(jīng)過壓縮后采用增壓壓縮機通過直接壓縮工藝處理或者輸送至再冷凝器通過再冷凝工藝處理。再冷凝器是再冷凝工藝中的關鍵設備，BOG和過冷的LNG從再冷凝器的頂部進入，在填料床上混合，使BOG冷凝成LNG。高壓泵的作用是將LNG再次加壓，輸送至氣化器汽化外輸。

表2是某LNG接收站的主要工藝設備參數(shù)。

2.2 工藝流程

LNG接收站的功能就是接收來船LNG、儲存LNG、汽化LNG并通過天然氣管網(wǎng)向下游輸送，其在整個液化天然氣產(chǎn)業(yè)鏈中處于關鍵位置，是遠洋運輸LNG和陸上天然氣供給的紐帶［13］。圖1為LNG接收站的工藝流程，按功能主要分為3個部分，卸料系統(tǒng)、BOG處理系統(tǒng)和汽化外輸系統(tǒng)。卸料系統(tǒng)又分為3個階段，保冷循環(huán)階段、減壓階段和卸料階段，3個階段構成一個卸船周期［14］。首先是保冷循環(huán)階段，位于LNG儲罐內(nèi)部的低壓泵輸出少量的低溫LNG，通過保冷循環(huán)管線流入卸料管線和卸料臂進行保冷循環(huán)，使卸船管線溫度維持在-155 ℃左右；然后是減壓階段，由于LNG船上的卸船泵出口壓力要遠小于卸船管線的壓力，所以在卸料開始之前要通過減壓使卸船管線壓力減小；最后是卸料階段，打開LNG船上的卸料泵和站內(nèi)的卸料臂，通過卸船管線輸送至指定儲罐，卸料完成后，采用氮氣對管線和設備進行清掃，然后接收站將再次進入保冷循環(huán)階段。BOG處理系統(tǒng)主要分為兩種工藝模式，直接壓縮工藝和再冷凝工藝。直接壓縮工藝的工作原理是通過壓縮機和增壓壓縮機直接將BOG的壓力和溫度提升至外輸標準，其優(yōu)點是控制簡單且不受最大外輸氣量的限制，但是其能耗偏高，僅適用于外輸管線壓力較小或者BOG處理量較小的接收站。再冷凝工藝的原理是利用過冷的LNG對壓縮后的BOG進行冷凝。汽化外輸系統(tǒng)使用較多的是海水開架式氣化器（ORV）和浸沒燃燒式氣化器（SCV），ORV使用天然海水作為熱交換介質(zhì)，能耗主要為海水泵等設備用電，運營成本低；SCV水浴加熱依靠本場內(nèi)的天然氣燃燒加熱，其水浴溫度可以保證水浴盤管中的LNG汽化，其能量消耗包括諸如燃料天然氣和SCV鼓風機之類的設備的電力消耗，雖然運營成本高，但是可全年使用［15］。

3 LNG接收站仿真模型建立

3.1 物性計算

建立一個流程仿真模型，首先必須將組分信息和選定的熱力學計算方法輸入到物性環(huán)境中，然后再進行仿真模型搭建。要對LNG接收站的整個生產(chǎn)過程進行分析，必須首先確定各個工質(zhì)的物性參數(shù)，而這些物性參數(shù)的計算精度將直接影響模擬的準確性。當前，被廣泛應用于LNG物性參數(shù)方面計算的狀態(tài)方程主要有SRK、BWR、PR、PRSV、LKP及SHBWR等，其中最適合LNG接收站流程模擬的方程為PR方程和PRSV方程［16］。筆者選用PRSV方程，具體如下［17］：

式中 a——臨界因數(shù)相關的常數(shù)；

a（T）——對比溫度T和偏心因子ω的函數(shù)；

a（T）——開式溫度下函數(shù)a的值；

b——常數(shù)；

k——偏心因子函數(shù)；

k——物質(zhì)相關的純物質(zhì)參數(shù)；

p——壓力，Pa；

p——臨界壓力，Pa；

R——氣體狀態(tài)系數(shù)，8.314 J/（mol·K）；

T——溫度，K；

T——臨界溫度，K；

T——對比溫度，T=T/T；

v——比體積，m3/kg；

ω——偏心因子。

筆者研究的流體為LNG，多來自于澳大利亞、卡塔爾及巴布亞新幾內(nèi)亞等國，主要成分是甲烷，摩爾分數(shù)約為85.0%～99.9%，另外還含有少部分乙烷、丙烷、丁烷等烴類物質(zhì)，還有部分氮氣雜質(zhì)。表3為某接收站某一期來料的組分信息。

利用HYSYS流程模擬軟件計算出初始的物性參數(shù)，接收站的工況為20 ℃，101.3 kPa，卸船總管內(nèi)的溫度為-162 ℃、壓力為131.3 kPa，得到其物性參數(shù)見表4。

3.2 仿真模型

根據(jù)該站的工藝設備數(shù)據(jù)和來料物性數(shù)據(jù)HYSYS模型，主要設備包括LNG儲罐、罐內(nèi)低壓泵、BOG壓縮機、高壓泵、海水泵、再冷凝器、ORV氣化器、SCV氣化器及空冷器等。在模型建立過程中，在Tank模塊中選擇儲罐，并連接進口物流LNG?XL、汽相出口BOG、液相出口LNG和能流Q?CG；在Pump模塊中選擇泵，分別作為低壓泵、高壓泵和海水泵使用，低壓泵進口為罐內(nèi)LNG，加壓1 000～1 600 kPa后經(jīng)過三通分成兩股，一股外輸供氣，另一股對站內(nèi)進行保冷循環(huán)，高壓泵進口為再冷凝的LNG與旁通LNG經(jīng)過混合后的物流，出口送至ORV和SCV，需將壓力提升至外輸需求；在Compressor模塊中選取壓縮機，分別作為BOG壓縮機和增壓壓縮機使用，在直接壓縮過程中，BOG先通過BOG壓縮機加壓，再通過增壓壓縮機加壓至外輸壓力，在再冷凝過程中，BOG通過BOG壓縮機加壓至與進入再冷凝器的LNG壓力相等；在Heater模塊中選取換熱器作為SCV使用；Heat Exchanger模塊中選取再冷凝器和ORV；節(jié)流閥選取Valve模塊。

圖2為LNG接收站全流程仿真模型，模型中同時模擬了BOG處理的兩種工藝，即直接壓縮工藝和再冷凝工藝，采用分流器控制流量，當采用再冷凝工藝時，物流13的比例為1，關閉閥門V4、壓縮機2和增壓機，使BOG全部進入再冷凝器，并通過調(diào)節(jié)器ADJ?1調(diào)節(jié)進入再冷凝器的過冷LNG流量，目標為使所有BOG全部液化；當采用直接壓縮工藝時，物流12的比例為1，關閉閥門V6和V9，關閉壓縮機1，通過壓縮機2和增壓機的加壓達到外輸壓力要求，并采用空冷器對BOG進行降溫以達到外輸溫度要求；同時，還可以采用兩種工藝聯(lián)用的方式處理BOG，即通過計算設置一個合適的分流比例，同時開啟兩種工藝。模擬中還同時模擬了LNG汽化的兩種方式，即海水開架式氣化器ORV和浸沒燃燒式氣化器SCV，在夏季海水溫度較高時，常只采用ORV汽化，模擬中通過分流器控制物流30的比例為1；在冬季海水溫度較低時，常采用兩種氣化器聯(lián)用的方案，模擬中可以通過分流器控制物流30和物流33的比例。

3.3 仿真結(jié)果

根據(jù)上述模型將某接收站實際參數(shù)輸入后得到模擬計算數(shù)據(jù)，儲罐表壓為20 kPa，罐內(nèi)溫度為-157.1 ℃，通過ADJ?2控制儲罐的熱流大小，保證BOG在0.1%左右。低壓泵絕熱效率設為75%，出口物流壓力設為1 400 kPa。通過SET?1控制進入再冷凝器的BOG壓力和LNG壓力相等，即通過物流14的壓力控制物流6的壓力。通過ADJ?1控制進入再冷凝器的LNG流量，保證所有的BOG全部被冷凝，即控制物流5的流量，保證物流19的流量為0，進而也控制了三通TEE?101的分割率。采用直接壓縮工藝和再冷凝工藝聯(lián)用方式，物流12和物流13各占50%，在直接壓縮工藝中，壓縮機2絕熱效率設為75%，出口壓力設為1 500 kPa，增壓機絕熱效率設為75%，出口壓力隨外輸需求壓力變化，空冷器壓降設為10 kPa；在再冷凝工藝中，壓縮機1的絕熱效率設為75%，高壓泵絕熱效率設為75%，出口壓力隨外輸需求壓力變化。汽化過程中也采用ORV和SCV聯(lián)用方式，由于一般采用ORV全負荷運行，所以這里設定采用ORV汽化的LNG量較大，其中物流30占比90%，物流33占比10%，在ORV汽化工藝中，海水入口溫度設為20 ℃，壓力為大氣壓，海水泵絕熱效率為75%，壓差為200 kPa，海水出口溫度為5 ℃，ORV管程壓降為200 kPa，殼程壓降為50 kPa；在SCV汽化工藝中，SCV氣化器壓差為200 kPa。所有閥門壓降均設為10 kPa，外輸天然氣壓力設為7 500 kPa，溫度為10 ℃。通過對各設備及物流參數(shù)的定義，啟動流程模擬仿真，可以得出各關鍵物流組分的物質(zhì)的量百分比（表5～8）。

根據(jù)表中所示參數(shù)可以得到如下流程模擬結(jié)果：

設BOG的產(chǎn)生量為0.1%，入罐LNG流量為40 000 kmol/h，得出儲罐出口BOG物質(zhì)的量流量為40 kmol/h，通過ADJ?2控制進入儲罐的熱流達到目標，這里ADJ?2控制器的允許誤差為0.9 kmol/h，步長為90 000 kJ/h，Q?CG的初始值設為1.5×107 kJ/h，控制過程如圖3所示，最終調(diào)整值為1.104×107 kJ/h。

為了控制再冷凝器氣相出口流量為0，需要控制進入再冷凝器LNG的流量，即物流5的流量，這里ADJ?1的允許誤差設為0.001 kmol/h，步長設為9 kmol/h，物流5的初始流量設為800 kmol/h，控制過程如圖4所示，物流5的最終調(diào)整值為637.2 kmol/h。

低壓泵的功率為751.9 kW，高壓泵的功率為3 384.6 kW，海水泵的功率為507.7 kW，汽化所需要的海水流量為3.846×105 kmol/h，壓縮機1的功率為24.03 kW，壓縮機2的功率為26.30 kW，增壓壓縮機的功率為30.76 kW，空冷器UA值（總傳熱系數(shù)與總換熱面積的乘積）為2 945 kJ/（℃·h），ORV的UA值為7.845×106 kJ/（℃·h），熱負荷為4.222×108 kJ/h，SCV的熱負荷為4.691×107 kJ/h。

4 外輸工況變化分析

4.1 外輸需求變化的影響

LNG接收站在不同時段需求量都不同，且波動范圍大，具有明顯的峰谷特性。隨著外輸需求的變化，站內(nèi)汽化量也需要隨著調(diào)整，這里保持其他參數(shù)不變，設定入罐的LNG流量在30 000～60 000 kmol/h之間變化，研究其對接收站運行性能的影響。

由圖5可知，隨著LNG流量的逐漸增大，BOG的產(chǎn)生量和天然氣外輸量隨之增大。由圖6、7可知，由于低壓泵、高壓泵和各壓縮機的出入口壓力保持不變，但是流經(jīng)的流量隨LNG流量增大而增大，所以低壓泵、高壓泵和各壓縮機功耗隨之增大。由圖8可知，由于ORV和SCV氣化器的進出口溫差不變，但是隨著流量的增大，其熱負荷相應增大。由此可見，外輸需求的變化對站內(nèi)各個設備的功耗和熱負荷影響較大，當外輸負荷變化時，需要合理地決策各設備的運行數(shù)量和功率，開啟或關閉各生產(chǎn)線。

4.2 外輸壓力變化的影響

由于天然氣外輸管網(wǎng)壓力較高且變化范圍較大，LNG站內(nèi)經(jīng)常需要調(diào)整外輸壓力，范圍一般在4～14 MPa之間波動。這里使外輸溫度和流量保持不變，設定外輸壓力在5～10 MPa之間波動，研究其對接收站運行性能的影響。

由圖9、10可知，隨著外輸壓力的提高，高壓泵出口溫度升高，ORV和SCV的熱負荷均減小，汽化所需的海水流量減少。由圖11可知，隨著外輸壓力的提高，由于低壓泵、壓縮機1、壓縮機2進出口溫度和壓力都不變，所以其功耗不變，由圖12可知，隨著外輸壓力的提高，高壓泵、增壓壓縮機的功耗增加，海水泵功耗降低，由于高壓泵能耗提升較大，導致流程總功耗增加。由此可見，隨著外輸壓力的提高，高壓泵的能耗必將增大，可以通過減少海水流量降低海水泵功耗。

4.3 外輸溫度變化的影響

在LNG接收站運行過程中，外輸天然氣在管道中的溫度不低于1 ℃，所以氣化器出口溫度一般不低于2 ℃。根據(jù)某接收站的實際情況，設定氣化器出口溫度在5～20 ℃之間變化，研究其對接收站運行性能的影響。

由圖13～16可知，隨著外輸溫度的上升，由于低壓泵、高壓泵、壓縮機1、壓縮機2、增壓壓縮機的進出口溫度和壓力都不變，其功耗不變，但是會導致?lián)Q熱量增大，進而增大ORV和SCV的熱負荷和海水流量，導致海水泵功耗增加，總功耗增加。因此，在接收站的實際運行中，應當在滿足外輸溫度的條件下，盡可能地降低外輸溫度，以降低生產(chǎn)功耗。

5 結(jié)束語

通過HYSYS流程模擬軟件，結(jié)合LNG接收站內(nèi)基本物性數(shù)據(jù)選擇最合理的熱力學計算方法，在建模過程中采用了精度較高的PRSV方程，調(diào)研LNG接收站工藝流程，收集基礎工藝參數(shù)，建立了合理的LNG接收站HYSYS計算模型，并針對外輸條件的變化，分析了外輸流量、溫度和壓力分別對流程性能參數(shù)的影響。利用本模型可以進一步對整個LNG接收站進行能耗優(yōu)化，實現(xiàn)各個設備的實時匹配、各個參數(shù)的精準控制，在滿足外輸要求的條件下使整個站場能耗最低。還可以對LNG接收站進行動態(tài)仿真建模，研究其動態(tài)變化規(guī)律，準確分析不同時刻的能耗情況。

參 考 文 獻

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