LNG接收站再冷凝器非設(shè)計工況運行動態(tài)模擬分析

鄧勵強　李寧　郭開華

中山大學工學院

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LNG接收站再冷凝器非設(shè)計工況運行動態(tài)模擬分析

鄧勵強李寧郭開華

中山大學工學院

再冷凝器的控制操作繁多且相互關(guān)聯(lián)，容易造成操作不當，同時由于設(shè)備性能下降等原因，再冷凝器運行經(jīng)常進入非設(shè)計工況，影響接收站正常生產(chǎn)。利用動態(tài)模擬方法可有效還原事故經(jīng)過，探尋預防措施。在已有LNG接收站再冷凝系統(tǒng)動態(tài)仿真模型的基礎(chǔ)上，完善了再冷凝器的冷凝量計算模塊，更加全面地模擬再冷凝器在各種工況下的運行情況，仿真結(jié)果得到了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的驗證。進一步動態(tài)模擬探究了再冷凝器長時間高液位運行時，采用高壓補氣降低液位措施的風險，以及提出在截斷高壓NG管線恢復正常運行過程中，需結(jié)合實際情況考慮重設(shè)氣液配比系數(shù)的操作改進建議。

再冷凝器低溫過程動態(tài)模擬操作優(yōu)化

液化天然氣(LNG)作為綠色能源得到越來越廣泛的應用，已成為我國能源結(jié)構(gòu)中不可或缺的部分[1]。我國已投入大量財力與精力提升LNG接收能力，保證沿海城市的天然氣供應安全[2]。近年來，由于從業(yè)人員的經(jīng)驗積累和相關(guān)學者研究的深入，我國LNG接收站技術(shù)國有化水平逐年提高[3-5]。越來越多的研究開始關(guān)注到接收站的動態(tài)運行過程，希望針對接收站運行過程中所產(chǎn)生的實際問題提出解決方案[6-7]。作為保證接收站平穩(wěn)運行的再冷凝工藝系統(tǒng)，由于設(shè)備折損、調(diào)控操作不到位等原因，使得再冷凝器存在運行至非設(shè)計工況風險，嚴重時還造成停產(chǎn)事故。因而，本文在相關(guān)研究基礎(chǔ)上，采用動態(tài)仿真手段，還原實際事故發(fā)生過程，分析事發(fā)原因，并進一步提出相應的改進意見，以保證再冷凝系統(tǒng)更加可靠、穩(wěn)定地運行。

1　再冷凝器動態(tài)模型建立

1.1再冷凝器運行控制簡述

再冷凝器是LNG接收站氣化工藝的樞紐環(huán)節(jié)，承擔著整個工藝承上啟下的作用，其主要功能包括以下2個方面[8]：

(1) LNG儲罐內(nèi)的蒸發(fā)氣(BOG)經(jīng)壓縮機加壓后在再冷凝器內(nèi)的填料床層中與LNG直接接觸，通過該部分的強化換熱作用，BOG被重新冷凝成為LNG回到系統(tǒng)。

(2) 同時再冷凝器還作為LNG高壓輸送泵入口的緩沖容器，通過相關(guān)管路閥門的操作，確保進入高壓泵的LNG過冷度和壓力達到要求。

因此，對再凝凝器運行的控制目標如下：

(1) 流量控制： 使進入再冷凝器的LNG和BOG按一定比例混合，保證進入的BOG被完全冷凝。

(2) 液位控制： 防止液位過高使得LNG進入天然氣(NG)系統(tǒng)，亦或是由于液位過高，致使高壓泵氣相平衡管線內(nèi)出現(xiàn)兩相流，誘發(fā)管路振動等問題。同時，也需防止液位過低，無法為高壓泵提供緩沖。

(3) 壓力控制： 正常工況下，再冷凝器底部壓力與高壓泵入口壓力密切相關(guān)，要求高壓泵的吸入壓力盡量恒定，避免泵的氣蝕。當再冷凝器出現(xiàn)被旁路或隔離時，還需注意再冷凝器內(nèi)部的超壓問題。

其中，液位控制是接收站穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。從設(shè)計角度出發(fā)，再冷凝器存在可靠的運行液位，在液位高度為5.5 m和1.4 m之間分別存在低液位控制與高液位控制，如圖1所示。正常情況下，通過相關(guān)的控制操作，再冷凝器液位能夠保持在該區(qū)間內(nèi)，保障接收站的平穩(wěn)運行。但是在接收站的運行過程中，由于設(shè)備損耗、人員誤操作等原因，會導致再冷凝器運行至非設(shè)計工況，若得不到控制調(diào)整，將導致再冷凝器被隔離，影響接收站的安全生產(chǎn)。如再冷凝器運行至低低液位0.4 m或高高液位5.7 m時，將觸發(fā)ESD連鎖(用于緊急停車的連鎖系統(tǒng))：高壓泵和BOG壓縮機關(guān)停，前者還將導致高壓補氣管線閥門關(guān)閉。兩種情況均屬于事故工況，一旦發(fā)生將嚴重影響接收站的運行。在某些接收站的運行記錄中，也曾經(jīng)發(fā)生過類似的事故。因而有必要更全面細致地了解再冷凝器運行至非設(shè)計工況時，各項參數(shù)的變化規(guī)律及過程，從而掌握更加科學合理的操作調(diào)控方法，盡量避免事故工況的發(fā)生。

1.2再冷凝器動態(tài)模型原理

將再冷凝器內(nèi)部冷凝量Wcond分成填料層直接接觸冷凝和圓柱狀氣相空間與液相表面對流冷凝兩部分，并分別進行計算：

Wcond=Wcondp+Wcondc

(1)

其中，填料層部分冷凝量Wcondp需先由進液量WLNG等參數(shù)根據(jù)onda.等人提出的經(jīng)驗公式[9]，得出填料層的有效換熱比表面積：

(2)

根據(jù)Bravo和Fair的經(jīng)驗公式[10-11]，由式(2)得到如下?lián)Q熱系數(shù)表達式：

(3)

進而填料層部分冷凝量計算如下，其中需對汽化潛熱進行修正得hl′：

(4)

(5)

Ja=Cp(tL-tLNG)/hl

(6)

hl′=hl·(1+0.68Ja)

(7)

由于再冷凝器上部圓柱體的氣相空間內(nèi)的BOG總是與液相的頂表面存在相互接觸[12]，因而也有小部分的冷凝量Wcondc：

(8)

(9)

(10)

RaL=g(tcond-tL)(H-L)3/αGνGtf

(11)

后續(xù)模型驗證反映出，上述方法可有效回歸出再冷凝器不同狀態(tài)下的冷凝能力，再利用下列關(guān)鍵參數(shù)關(guān)聯(lián)式，構(gòu)建再冷凝器的動態(tài)模型：

WG=WBOG+WNG

(12)

(13)

(14)

(15)

ΔHG=S(ρG1(1-L1)hcond1-ρG0(1-L0)hcond0)

(16)

(Wout+(L1-L0)SρL)hL0-ΔHG

(17)

將上述完整的再冷凝器動態(tài)模型加載至原有再冷凝系統(tǒng)內(nèi)進行動態(tài)模擬[13]。

2　再冷凝器動態(tài)模擬結(jié)果

2.1以非設(shè)計工況驗證再冷凝器動態(tài)模型

模擬過程不考慮工質(zhì)組分變化，接收站儲存LNG組分及BOG測定組分見表1。

表1 再冷凝系統(tǒng)工質(zhì)組成Table1 Materialcompositionofre-condensingsystem工質(zhì)工質(zhì)摩爾分數(shù)/%C1C2C3C4C5N2LNG87.438.343.240.530.40.06BOG99.340.030000.63

利用該接收站某次單獨關(guān)閉一臺高壓泵導致液位快速上升，在關(guān)閉了BOG壓縮機負載后，用高壓補氣將液位壓回穩(wěn)定運行區(qū)間內(nèi)的過程，對再冷凝器動態(tài)模型進行驗證。對現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)進行如下歸一化處理，其匯總?cè)鐖D2所示。

(18)

其中，X(i)代表入口LNG流量WLNG、入口BOG流量WBOG、溫度ti、高壓泵流量Whp、高壓NG補氣閥門開度VNG和液化L這些變量不同時刻的記錄值；Y(i)表示這些變量歸一化值，使得這些不同變化范圍的變量過程能夠完整體現(xiàn)在一張圖中。

圖2匯總了該過程中再冷凝器的液位、溫度、進氣量、進液量、高壓補氣閥門開度和高壓泵流量歸一化后的變化趨勢。各變量的變化范圍見表2。

全過程依時間順序可劃分為：①首先引起變化的是單停一臺高壓泵，導致再冷凝器出口流量迅速下降，致使再冷凝器液位快速上升；②由于變動幅度過大，接收站內(nèi)采取了關(guān)停BOG壓縮機的操作，希望以截斷再冷凝器進料量的方式，達到降低液位的目的；③由于LNG進液管道的自動調(diào)節(jié)閥門折損等原因，導致進氣量下降為0時，進液量無法相應降至0，而是維持了4 kg/s的小流量進液，造成液位加速上升的現(xiàn)象；④根據(jù)再冷凝器的相關(guān)控制，在達到高控制液位時，需利用高壓NG將再冷凝器液位降低；⑤由于之前不斷進入的LNG的冷量并沒有被相應地吸收，因此再冷凝器內(nèi)液相部分過冷度越來越大，導致原來用來壓低液位的高壓NG被迅速液化，反而增大了再冷凝器的液化量，使液位繼續(xù)上升；⑥在接近高高控制液位的時候，由高壓補氣線逐漸抬高的再冷凝器壓力，配合再冷凝器旁路閥門的調(diào)整，逐漸降低了再冷凝器液位；⑦在后續(xù)保持低進液量和少量NG補氣量的過程中，逐漸使液相溫度恢復至飽和溫度，再冷凝器液位保持在60%左右。

表2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)各變量變化范圍Table2 RangeofthefielddataWhp/(kg·s-1)WBOG/(kg·s-1)WLNG/(kg·s-1)WNG/(kg·s-1)L/mti/℃最大值2141.3311.700.870.885-124.6最小值15903.3400.555-132.4

在充分考慮該再冷凝器實際情況的基礎(chǔ)上，建立了可處理非設(shè)計工況的再冷凝器動態(tài)模型，基于上述過程進行的模型驗證結(jié)果如圖3～圖8所示。

從圖3可見，在5 min左右，關(guān)停一臺高壓泵，總流量從215 kg/s降至163 kg/s。高壓泵流量的模擬值與現(xiàn)場記錄值平均偏差小于1%。

由圖4可見，在10 min左右關(guān)停了BOG壓縮機，進氣量逐漸降至0。逐漸關(guān)停的過程中模擬值與記錄值前后偏差小于1 min。

圖5考慮了接收站運行中閥門折損的因素，導致其無法徹底截斷進液量，模型中設(shè)定了進液調(diào)節(jié)閥門的最小導納大于0。模擬值變化體現(xiàn)了再冷凝器的實際進液情況，在進氣量降低的同時，進液量也開始下降，最后穩(wěn)定在4.5 kg/s左右。

圖6為利用高壓補氣管路閥門開度的現(xiàn)場記錄值驗證動態(tài)模擬操作中的高壓補氣量的變化過程。二者的變化趨勢相近，由此可以認為，模擬操作較好地還原了實際變化。

由上述對再冷凝器的相關(guān)控制操作，最后呈現(xiàn)出如圖7所示的液位變化過程。模擬值與現(xiàn)場記錄值最大偏差9.6%，平均偏差5.3%，最高不到高高控制液位，最后液位穩(wěn)定在60%左右。

圖8為相應的溫度變化過程，總體上模擬值與現(xiàn)場值契合，最大偏差1 ℃，平均偏差0.2 ℃，最后液相溫度趨于再冷凝器內(nèi)部飽和溫度。

由此驗證了所建立的再冷凝器動態(tài)模型的可靠性，其可用于深入模擬分析再冷凝器在非設(shè)計工況下的表現(xiàn)，并提出有效操作方法，幫助再冷凝器回歸設(shè)計運行區(qū)間，保證接收站的平穩(wěn)運作。

2.2利用再冷凝器動態(tài)模擬非設(shè)計工況結(jié)果

前文已經(jīng)描述過在再冷凝器到達高液位時，若液相區(qū)的過冷度過大，用來壓低液位的高壓補氣將被迅速液化，反而增大了再冷凝器的液化量，使得液位繼續(xù)上升的現(xiàn)象如圖9虛線所示。

為探究該措施存在的風險，利用動態(tài)模型模擬了長時間高液位運行之后，再操作高壓補氣量，使其與對照組相同，重點研究了液位和溫度的變化。

由圖9可見，在比對照組遲開高壓補氣閥門400 s后，由于液相過冷度過大，且進入的高壓NG補氣量無法使再冷凝器內(nèi)氣相壓力快速上升，且還不斷被冷凝，導致液位緩慢上升維持了20 min左右，并在最高點處超過了設(shè)置的高高控制液位。液相區(qū)的溫度經(jīng)歷了與對照組相似的變化趨勢，在19 min左右達到最低溫度-133 ℃，后續(xù)過程中，由于液位仍在逐漸增高，4 kg/s的入口LNG流量所能冷凝的BOG逐漸小于高壓NG補氣量，氣相空間越來越多富余的蒸發(fā)氣使得液相區(qū)過冷度緩慢減小。

若發(fā)生在實際現(xiàn)場，將引起接收站停運的嚴重事故。因而在高液位運行時，尤其是液位在85%以上逼近高高控制液位時，需快速做出相應操作，對再冷凝器液位進行調(diào)整，包括增大高壓補氣量、手動調(diào)整再冷凝器旁路閥門等，甚至可以利用單停低壓輸出泵的方式，迅速降低再冷凝器出口壓力，降低液位，防止出現(xiàn)再冷凝器停運等重大事故。

在圖2的后續(xù)運行中，由于液位逐漸恢復了正常高度，需切斷高壓補氣量，并重新啟動BOG壓縮機的運行，該過程如圖10所示。圖10顯示了動態(tài)模擬中再冷凝器的液位、溫度、進氣量和進液量變化過程。從圖10中可以看出，在恢復了BOG壓縮機之后，進氣量快速上升，用6 min從零上升至1 kg/s，再冷凝器短時間內(nèi)無法完全冷凝BOG，使得液位在10 min左右快速下降，之后由于填料層被浸沒部分減少，冷凝能力上升，在原先較大的氣液配比系數(shù)進料量配給下，促使進液量也快速上升，從4 kg/s升至17 min時刻的18 kg/s，從而液位也快速上漲至59%。

此時若不調(diào)整氣液配比系數(shù)，該狀態(tài)下的進氣量所配給的進液量遠大于所需進液量，液位仍將上升，期間填料層逐漸被完全浸沒，再冷凝器的冷凝能力大大減小，導致再冷凝器內(nèi)壓力升高，進氣量不再增長，相應的進液量也趨于不變甚至下降，如圖10中虛線所示。由于進入的LNG冷量得不到釋放，液相區(qū)溫度持續(xù)降低，從開始的-125 ℃降至最后的-138 ℃，過冷度不斷增大，存在再冷凝器冷凝能力偏移，高壓補氣操作壓力液位失效等非設(shè)計工況運行問題。

若在液位恢復到60%左右時，重新設(shè)置氣液配比系數(shù)，使氣液進料量的配比符合當前再冷凝器內(nèi)部的狀態(tài)(包括較高的液位、較弱的冷凝能力，以及一定的過冷度等)，從而降低進液量至12 kg/s左右，過程中再冷凝器內(nèi)部壓力被過量的BOG逐漸抬高，使得入口BOG流量略微下降至0.9 kg/s，到最后進料氣液量重新得到較好匹配，使得再冷凝器液位逐漸穩(wěn)定在58%左右，再冷凝器液相溫度也逐漸上升，從最低-134 ℃恢復至-127 ℃，逐漸接近了再冷凝器內(nèi)LNG飽和溫度，從而使再冷凝器恢復正常工作，模擬結(jié)果如圖10中實線所示。

3　結(jié) 論

針對某LNG接收站再冷凝器運行過程中出現(xiàn)非設(shè)計工況的現(xiàn)象，建立了完整考慮再冷凝器運行相關(guān)調(diào)控參數(shù)的動態(tài)模型，并利用某次該接收站現(xiàn)場的再冷凝器非設(shè)計工況運行數(shù)據(jù)對模型進行了驗證，并分析了造成該次非設(shè)計工況出現(xiàn)的原因，包括進液管道自動調(diào)節(jié)閥門折損，開啟高壓補氣閥門時，液相區(qū)過冷度偏大等。進一步利用動態(tài)模擬，得出如下結(jié)論：

(1) 預測了高液位運行較長時間(400 s)后，再利用原有高壓補氣量去壓低液位，將可能造成液位越過高高控制線，再冷凝器被隔離，接收站停運的事故風險。建議盡量避免高液位運行。若未及時處理出現(xiàn)的高液位，也應使用較大流量的高壓補氣，防止液位不降反升的現(xiàn)象出現(xiàn)。

(2) 在再冷凝器恢復正常運行的過程中，需注意在截斷高壓補氣管線閥門后，時刻關(guān)注液位及溫度變化情況，若過冷度過大，應及時調(diào)整進料氣液配比系數(shù)。

本文基于某接收站實際運行情況，運用所建立的再冷凝器動態(tài)模型，深入剖析了再冷凝器各運行參數(shù)之間的相互關(guān)系，為更好地調(diào)控再冷凝器，保證接收站的平穩(wěn)運行提供了科學合理的思路及方法。

符號說明

A-填料層有效換熱面積， m2

ap—填料層體表比面積， m2/m3

aw—填料層有效體表比面積， m2/m3

Cp—LNG比定壓熱容， kJ/(kg·K)

cout—再冷凝器出口管道導納， (kg·m)0.5

D—再冷凝器直徑， m

dp—填料名義尺寸， m

Fr—Froude數(shù)

g—重力加速度常數(shù)， m/s2

H—再冷凝器總高度， m

ΔH—再冷凝器出口與高壓泵入口高度差， m

ΔHG—氣相區(qū)焓變量， W

hl—LNG氣化潛熱， kJ/kg

hcond—氣相焓， kJ/kg

hLNG—進液焓值， kJ/kg

hG—進氣焓值， kJ/kg

Ja—Jacob數(shù)

k—熱導率， W/(m·K)

Kr—氣相容積壓縮系數(shù)， (m·s2)-1

Lceil—填料層頂高， m

L—再冷凝器液位， m

Nu—Nusselt數(shù)

Pr—Prandtl數(shù)

pup—再冷凝器操作壓力， Pa

phpi—高壓泵吸入壓力， Pa

RaL—Raleigh數(shù)

Re—Reynolds數(shù)

S—再冷凝器圓柱截面積， m2

tLNG—進液溫度，℃

tcond—氣相溫度，℃

tL—液相溫度，℃

Wout—出液量，kg/s

WNG—高壓補氣量，kg/s

WBOG—進氣量，kg/s

WLNG—進液量，kg/s

Wcond—冷凝量，kg/s

Wcondp—填料層冷凝量，kg/s

Wcondc—氣相區(qū)冷凝量，kg/s

WG—總進氣量，kg/s

We—Weber數(shù)

α—熱擴散系數(shù)，m2/s

ρ—密度，kg/m3

δ—截面工質(zhì)通過速率，kg/(m2·s)

μ—黏度系數(shù)，kg/(m·s)

ν—運動黏度，m2/s

σ—填料表面張力系數(shù)，kg/s

σc—填料臨界表面張力系數(shù)，kg/s

下標

0、1—計算步長前、后狀態(tài)

G、L—氣相、液相

[1] 傅鑄紅. LNG 站再冷凝工藝及運行控制[J]. 化學工程與裝備, 2015(12): 179-180.

[2] 劉名瑞, 陳天佐. LNG接收站及其工藝發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 當代化工, 2014, 43(6): 1056-1059.

[3] 王莉, 李偉, 鄭大明. 唐山LNG接收站關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化成果與經(jīng)驗[J]. 國際石油經(jīng)濟, 2015, 23(4): 89-92.

[4] 黃鸝. 能源裝備國產(chǎn)化思考與LNG裝備國產(chǎn)化展望[J]. 油氣儲運, 2014, 33(4): 343-346.

[5] 張少增. 中國LNG接收站建設(shè)情況及國產(chǎn)化進程[J]. 石油化工建設(shè), 2015, 37(3): 14-17.

[6] 劉新凌. 液化天然氣接收站再冷凝器系統(tǒng)振動問題研究[D]. 廣州: 中山大學, 2014.

[7] 李昭新, 孫驥妹. LNG接收站BOG再冷凝器系統(tǒng)不穩(wěn)定問題探究[J]. 石油規(guī)劃設(shè)計, 2014, 25(5): 37-39.

[8] 景佳琪. LNG接收站再冷凝器工藝控制分析[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備, 2015(3): 35-38.

[9] ONDA, TAKEUCHI, OKUMOTO. Mass transfer coefficients between gas and liquid phases in packed columns[J]. Journal of Chemical Engineering of Japan, 1968, 1(1): 56-62.

[10] BOHN M S. Analytical model of an irrigated packed-bed direct-contact heat exchanger at high temperature[R]. Solar Energy Research Inst., Golden, CO (USA), 1986.

[11] BRAVO J L, FAIR J R. Generalized correlation for mass transfer in packed distillation columns[J]. Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development, 1982, 21(1): 162-170.

[12] RICH B R. An investigation of heat transfer from an inclined flat plate in free convection[J]. Trans ASME, 1953, 75: 489-499.

[13] 鄧勵強, 呂志軍, 李寧, 等. LNG接收站再冷凝系統(tǒng)穩(wěn)定性動態(tài)模擬研究[J/OL]. 石油與天然氣化工[2016-02-15]. http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1210.TE.20160215.1641.004.html.

Dynamic simulation analysis on LNG receiving terminal re-condenser’s non-design cases

Deng Liqiang， Li Ning， Guo Kaihua

(SchoolofEngineering,SunYat-SenUniversity,Guangzhou510006,China)

As there are a lot of tangled control operations about the re-condenser, with the decreasing performance of related facilities, it’s easy to run into non-design cases, and this will affect the normal production of the terminal. Using dynamic simulation method，the accident process can be effectively reappeared and preventive measures can be explored. Based on dynamic simulation model for LNG receiving terminal’s re-condensing system, the concept of multiplying heat exchange area by the packing material for the condensing rate calculation is introduced, the re-condenser mathematic model is improved and verified by the field data. Further, the process of turning on NG inlet flow after long-term high level running is simulated to analyze its accident risk, and process of turning off NG inlet flow to restore normally operation is suggested to take resetting the gas-liquid ratio coefficient at the right timing.

re-condenser， cryogenic processes， dynamic simulation， operation optimization

廣東省教育廳液化天然氣與低溫技術(shù)重點實驗室(39000-3211101);中山大學-BP液化天然氣中心(99103-9390001)。

鄧勵強(1991-),男,中山大學工學院碩士研究生,從事LNG接收站動態(tài)仿真模擬研究。E-mail:dengliqiang88@163.com

TE965

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2016.04.007

2016-03-10；編輯：康莉