LNG儲罐底部進(jìn)料管線操作負(fù)壓工況的模擬分析

賈保印 曾招朋 白改玲

中國寰球工程有限公司

LNG儲罐底部進(jìn)料管線操作負(fù)壓工況的模擬分析

賈保印 曾招朋 白改玲

中國寰球工程有限公司

基于液化天然氣接收站的LNG儲罐系統(tǒng)，應(yīng)用HYSYS Dynamic流程模擬軟件，建立LNG儲罐底部進(jìn)料系統(tǒng)的動態(tài)模型，研究LNG儲罐底部進(jìn)料管線的操作壓力隨不同進(jìn)料流量和流體溫度變化的動態(tài)響應(yīng)過程。分析表明：在工藝設(shè)計過程中LNG儲罐的底部進(jìn)料管線應(yīng)考慮負(fù)壓設(shè)計工況，確保管線設(shè)計的安全；動態(tài)模擬能夠清晰地反映工藝系統(tǒng)隨擾動變化的動態(tài)響應(yīng)特性，指導(dǎo)工程設(shè)計。

LNG儲罐 底部進(jìn)料口 負(fù)壓 動態(tài)模擬 進(jìn)料流量

HYSYS Dynamic模塊可用于模擬分析并指導(dǎo)原油生產(chǎn)、儲運系統(tǒng)的運行，反映實際生產(chǎn)中流量、溫度、壓力、產(chǎn)品組成等隨時間及其他干擾因素的響應(yīng)變化過程，指導(dǎo)化工生產(chǎn)裝置的正常操作、穩(wěn)定運行[1-3]，已被國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和工程公司大量應(yīng)用[4-11]。

國內(nèi)已建成投產(chǎn)或在建的液化天然氣(以下稱LNG)儲罐大部分采用9%Ni鋼內(nèi)罐預(yù)應(yīng)力混凝土外罐的全容罐(簡稱FCCR)，它是由9%Ni鋼制內(nèi)罐、9%Ni鋼制底角保護(hù)、鋁合金吊頂、16MnDR鋼襯板(外罐內(nèi)壁)和預(yù)應(yīng)力混凝土外罐組成。內(nèi)罐用來儲存LNG，內(nèi)罐和外罐之間盛裝絕熱材料，可減少熱量傳入[12-14]，外罐用來密閉蒸發(fā)氣氣體，可在內(nèi)罐泄漏情況下承裝液化天然氣，還可承受一定的熱輻射及沖擊載荷。

通常LNG儲罐設(shè)有2根進(jìn)料管，分別為頂部進(jìn)料管線和底部進(jìn)料管線。LNG既可以從頂部進(jìn)料，也可以通過罐內(nèi)插入立式進(jìn)料管實現(xiàn)底部進(jìn)料，進(jìn)料方式主要取決于待卸的LNG與儲罐內(nèi)已有LNG的密度差，可通過控制LNG儲罐頂部和底部的進(jìn)料閥來調(diào)節(jié)LNG頂部和底部進(jìn)料的方式。若待卸LNG比儲罐內(nèi)LNG密度大，則待卸的LNG從儲罐頂部進(jìn)入，反之，待卸LNG從儲罐底部進(jìn)入，這樣可有效防止儲罐內(nèi)LNG出現(xiàn)分層、翻滾現(xiàn)象。在LNG儲罐的進(jìn)料總管上設(shè)置緊急切斷閥，可在緊急情況時隔離LNG儲罐與進(jìn)料管線，如圖1所示。

LNG儲罐進(jìn)料來源通常有LNG槽車、LNG運輸船和液化裝置，LNG儲罐的底部進(jìn)料管線形式主要分為整體式底部進(jìn)料管線和分體式底部進(jìn)料管線，其中整體式結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣。在工程項目中，LNG儲罐底部進(jìn)料管線的設(shè)計壓力通?？紤]正壓，約等于卸料管線或者低壓泵出口管線的設(shè)計壓力，極少規(guī)定設(shè)計負(fù)壓值。此外，很少有文獻(xiàn)探討分析或規(guī)定LNG儲罐底部進(jìn)料管線的負(fù)壓工況。而在實際工程項目中，LNG儲罐底部進(jìn)料管線在一些工況下往往會產(chǎn)生負(fù)壓。

本文以實際工程項目中全容罐的整體式底部進(jìn)料管線為例，利用伯努利方程計算穩(wěn)態(tài)流動下底部進(jìn)料管線的操作壓力，初步闡述負(fù)壓現(xiàn)象的產(chǎn)生；并應(yīng)用HYSYS Dynamic流程模擬軟件，建立LNG儲罐底部進(jìn)料系統(tǒng)的動態(tài)模型，尋求操作過程中產(chǎn)生負(fù)壓的原因，研究LNG儲罐底部進(jìn)料管線的操作壓力隨著進(jìn)料流量和流體溫度等擾動變化時的動態(tài)響應(yīng)過程，為實際工程設(shè)計提供參考。

1 計算基礎(chǔ)

為了簡化處理，LNG的組成按照純甲烷考慮，某工程項目的底部進(jìn)料管線的主要操作參數(shù)見表1。

表1 LNG儲罐底部進(jìn)料主要操作參數(shù)Table1 MainoperationparametersofLNGtankbottomfeedgas進(jìn)料流量/(m3·h-1)60～5000進(jìn)料表壓/(kPa)100設(shè)計表壓/(kPa)1460進(jìn)料溫度/℃-163～-156密度/(kg·m-3)435LNG儲罐進(jìn)料管線管徑/mm600LNG儲罐進(jìn)料管線長度/m40LNG儲罐進(jìn)料管線均分段數(shù)4底部進(jìn)料管線粗糙度0．00004572

2 穩(wěn)態(tài)計算模型和分析

2.1穩(wěn)態(tài)計算模型

以控制閥出口端面和底部進(jìn)料口末端界面列出伯努利方程，如下所示：

(1)

(2)

(3)

2.2計算結(jié)果分析

穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，假定控制閥下游管線內(nèi)流體未發(fā)生相態(tài)變化，底部進(jìn)料管線充滿液相，將表1中的數(shù)據(jù)帶入公式(2)和公式(3)，計算得到絕對壓力約為-40 kPa。此時，底部進(jìn)料管線壓力小于全真空，是不可能發(fā)生的。

在實際運行過程中，當(dāng)LNG儲罐底部進(jìn)料管線的操作壓力降低至入口LNG的飽和蒸汽壓以下時，LNG會發(fā)生相變產(chǎn)生氣相，此時底部進(jìn)料管線中為氣液兩相，兩相流的存在會影響進(jìn)料口中流體的密度和進(jìn)料管內(nèi)流體的流動狀態(tài)，進(jìn)而影響底部進(jìn)料管線的靜壓頭損失和摩擦阻力損失，最終會影響底部進(jìn)料管線內(nèi)流體的操作壓力。因此，采用靜態(tài)計算模型無法準(zhǔn)確計算流體的流動狀態(tài)、靜液柱壓力和摩擦阻力損失，需要借助HYSYS Dynamic建立動態(tài)模型準(zhǔn)確計算流體的動態(tài)流動過程以及工藝參數(shù)的變化。

3 動態(tài)計算模型和分析

3.1動態(tài)計算模型

影響LNG儲罐底部進(jìn)料口管線負(fù)壓的因素較多，如進(jìn)料流量、進(jìn)料流體溫度、流體組成、管線粗糙度、LNG儲罐壓力、保冷循環(huán)量以及閥門緊急切斷等因素擾動變化等。本文僅研究不同進(jìn)料流量和進(jìn)料流體溫度變化時，LNG儲罐底部進(jìn)料管操作壓力的動態(tài)響應(yīng)變化過程。為了便于準(zhǔn)確分析LNG儲罐底部進(jìn)料管線不同位置的操作參數(shù)，現(xiàn)將底部進(jìn)料管線平均分為4段，每段長度為10 m。

采用HYSYS Dynamic中的管段模塊建立模型，利用趨勢圖來研究LNG儲罐底部進(jìn)料管線操作壓力的動態(tài)變化趨勢。由于在模擬過程中需多次輸入流量、壓力等參數(shù)，軟件操作繁瑣，為了提高輸入不同工況參數(shù)的操作效率，在動態(tài)模型中增加了流量控制器、電子表格等模塊工具，動態(tài)模型如圖2所示。

3.2進(jìn)料流量對LNG儲罐底部進(jìn)料管線的操作壓力的影響

當(dāng)LNG儲罐的進(jìn)料流體溫度為-157 ℃時，考察LNG儲罐進(jìn)料流量變化(60～5 000 m3/h) 對底部進(jìn)料管線不同長度的壓力、流速等操作參數(shù)的影響，并分析操作壓力變化的原因。

從圖3可以看出，當(dāng)LNG儲罐進(jìn)料流量為5 000 m3/h時，LNG儲罐底部進(jìn)料管線操作壓力沿著從上到下的方向從25.13 kPa逐漸降低至LNG儲罐的操作壓力15 kPa,氣相摩爾分?jǐn)?shù)沿著從上到下的方向從0.020 8逐漸升高至0.028 37;從圖5可以看出，當(dāng)LNG儲罐進(jìn)料流量為60 m3/h時，LNG儲罐底部進(jìn)料管線操作壓力沿著從上到下的方向從-4.55 kPa逐漸增大至LNG儲罐的操作壓力15 kPa,氣相摩爾分?jǐn)?shù)沿著從上到下的方向從0.044逐漸降低至0.028 21。

從圖4可以看出，當(dāng)LNG儲罐進(jìn)料流量為5 000 m3/h時， LNG儲罐底部進(jìn)料管線相同長度管段的摩擦阻力損失沿著從上到下的方向從9.02 kPa逐漸升高至10.90 kPa，每段摩擦阻力損失不同，最大相差20%，相同長度的管段靜壓頭損失沿著從上到下的方向從8.14 kPa逐漸降低至6.10 kPa，每段靜壓頭損失不同，最大相差25%；從圖6可以看出，當(dāng)LNG儲罐進(jìn)料流量為60 m3/h時，LNG儲罐底部進(jìn)料管線相同長度管段的摩擦阻力(表壓)損失沿著從上到下的方向從0.007 kPa逐漸降低至0.005 kPa，每段摩擦阻力損失不同，最大相差28%；相同長度管段的靜壓損失沿著從上到下的方向從3.92 kPa逐漸增大至6.14 kPa，每段靜壓力損失不同，最大相差56%。

從圖7可以看出，當(dāng)LNG儲罐進(jìn)料流量從60 m3/h逐漸增大至5 000 m3/h時， LNG儲罐底部進(jìn)料管線的操作壓力從-4.56 kPa逐漸升高至25.12 kPa,氣相摩爾分?jǐn)?shù)從0.044逐漸降低至0.020 8。

通過分析以上數(shù)據(jù)得出：

(1) 由于LNG儲罐內(nèi)流體的質(zhì)量焓值同進(jìn)料源流體的質(zhì)量焓值不同，流體進(jìn)入LNG儲罐過程中會發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，部分液體發(fā)生氣化，底部進(jìn)料管線出現(xiàn)氣液兩相，一方面會造成底部進(jìn)料管線內(nèi)流體的體積流量發(fā)生變化，流體流速不同，相應(yīng)的摩擦阻力損失不同；另一方面會造成管線內(nèi)流體的平均密度變小，遠(yuǎn)小于表1中流體的密度，造成靜壓頭損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于靜態(tài)模型中的計算值。

(2) 從公式(2)可以知道，影響底部進(jìn)料管線操作壓力的直接因素為管線的摩擦阻力損失和靜壓頭損失。當(dāng)流量為5 000 m3/h時，底部進(jìn)料管線的摩擦阻力損失占主導(dǎo)作用，造成底部進(jìn)料管線的操作壓力沿著從上到下的方向逐漸減小至LNG儲罐壓力，均為正壓；當(dāng)流量為60 m3/h時，底部進(jìn)料管線的靜壓頭損失占主導(dǎo)作用，造成底部進(jìn)料管線的操作壓力沿著從上到下的方向逐漸增大至LNG儲罐壓力，在管道的部分管段出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象。

(3) LNG儲罐的進(jìn)料流量越小，底部進(jìn)料管線頂端處的操作壓力越低，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)壓，因此，在設(shè)計階段應(yīng)該考慮底部進(jìn)料管線的負(fù)壓工況。

3.3進(jìn)料流體溫度對LNG儲罐底部進(jìn)料管線的操作壓力的影響

當(dāng)LNG儲罐的進(jìn)料流量為3 000 m3/h時，考察進(jìn)料流體溫度變化(-163～-157 ℃)對進(jìn)料管線頂端處的操作壓力的影響，并分析操作壓力變化的原因。

從圖8可以看出，LNG儲罐進(jìn)料流量為3 000 m3/h，當(dāng)進(jìn)料流體溫度由-163 ℃升至-157 ℃時，

LNG儲罐底部進(jìn)料管線頂端的操作壓力從-42.84 kPa逐漸增大至-9.1 kPa。由此可以看出，進(jìn)料溫度越低，發(fā)生閃蒸的程度越低，底部進(jìn)料管線的摩擦阻力損失變化較小，靜壓頭損失占主導(dǎo)作用，導(dǎo)致進(jìn)料管線頂端的操作壓力越低，真空度越高。

4 結(jié) 論

本文采用HYSYS Dynamic流程模擬軟件建立LNG儲罐底部進(jìn)料管線的動態(tài)模型，計算和分析了進(jìn)料流量和流體溫度變化對LNG儲罐底部進(jìn)料管線操作壓力的影響，其結(jié)論如下：

(1) 在工程設(shè)計過程中，LNG儲罐底部進(jìn)料管線應(yīng)考慮負(fù)壓設(shè)計工況，宜考慮全真空設(shè)計。

(2) 采用穩(wěn)態(tài)模擬不能準(zhǔn)確反映LNG儲罐底部進(jìn)料管線的操作參數(shù)，如有必要應(yīng)借助軟件的動態(tài)模塊來模擬計算流體的實際操作參數(shù)，指導(dǎo)工程設(shè)計。

(3) 進(jìn)料溫度相同時，進(jìn)料流量越小，LNG儲罐底部進(jìn)料管線頂端處的操作壓力越低，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)壓。管線的摩擦阻力損失和靜壓頭損失的主導(dǎo)地位是隨著進(jìn)料流量逐步變化的。

(4) 進(jìn)料體積流量相同時，進(jìn)料流體溫度越低，發(fā)生閃蒸的程度越低，靜壓頭損失占主導(dǎo)作用，進(jìn)料管線頂端的操作壓力越低，真空度越高。

(5) 動態(tài)模擬能夠清晰地反映工藝系統(tǒng)隨擾動變化的動態(tài)響應(yīng)特性，指導(dǎo)工程設(shè)計。

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SimulationandanalysisofthenegativepressureoperationconditionofLNGtankbottomfeedline

JiaBaoyin,ZengZhaopeng,Bai

GailingChinaHuanqiuContracting&EngineeringCorp.,HQCEC,Beijing,China

A dynamic model of LNG tank unloading system has been developed by the process simulation software-HYSYS Dynamic based on a real specified LNG tank. Dynamic responses of the operation pressure of bottom feed line have been studied according to the factors including feed flow rate and feed temperature. The results show that the negative pressure operation condition of the bottom feed line shall be considered to guarantee the safety of the bottom line design, and dynamic simulation could be clearly reflected to the dynamic response of bottom feed line operating pressure, and used to instruct the engineering design.

LNG tank, bottom feed line, negative pressure, dynamic simulation, feed flow rate

TE97

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.05.007

2017-04-20；編輯康莉

賈保印(1983-),男,山東聊城人,工程師,2009年畢業(yè)于天津大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工藝專業(yè),研究生學(xué)歷(工學(xué)碩士),現(xiàn)就職于中國寰球工程公司,從事天然氣液化和LNG接收站的工程設(shè)計、研究工作,發(fā)表論文近10篇,多次獲司局級科技獎勵。E-mailjiabaoyin@hqcec.com