LNG槽車裝車過程BOG產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)模擬與分析

賈保印

中國寰球工程有限公司北京分公司

液化天然氣(liquefied natural gas,簡(jiǎn)稱LNG)槽車在液化天然氣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]。LNG槽車受長(zhǎng)途運(yùn)輸和環(huán)境溫度的影響，罐車儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間溫度較高，進(jìn)入LNG接收站裝車時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多蒸發(fā)氣(boil off gas,簡(jiǎn)稱BOG)。隨著LNG槽車運(yùn)輸距離、氣象環(huán)境等不同，LNG槽車裝車時(shí)產(chǎn)生的BOG具有產(chǎn)生時(shí)間隨機(jī)，溫度、壓力、流量等參數(shù)不穩(wěn)定的特點(diǎn)。產(chǎn)生的低溫BOG通過裝車撬的回氣管線進(jìn)入裝車區(qū)的回氣總管，將回氣總管中常溫天然氣置換，后者進(jìn)入接收站BOG總管，將對(duì)BOG壓縮機(jī)、再冷凝器等設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行造成較大影響。因此，LNG槽車裝車時(shí)BOG的處理工藝在接收站運(yùn)行中極為關(guān)鍵。

HYSYS Dynamic模擬軟件可用于模擬分析石油化工裝置的工藝過程，反映實(shí)際生產(chǎn)中流量、溫度、壓力、產(chǎn)品組成等工藝參數(shù)隨時(shí)間的變化過程以及對(duì)干擾因素的響應(yīng)，指導(dǎo)生產(chǎn)裝置的正常操作、穩(wěn)定運(yùn)行[2-4]，已被國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和工程公司廣泛應(yīng)用[5-16]。采用該軟件實(shí)時(shí)模擬不同BOG處理工藝中裝車過程產(chǎn)生的BOG壓力、溫度、流量等參數(shù)隨時(shí)間的變化，在保證裝車安全性的前提下，盡可能降低因裝車BOG返氣對(duì)BOG壓縮機(jī)、再冷凝器和低壓泵等設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，并降低運(yùn)行操作費(fèi)用。

1 LNG槽車裝車BOG處理工藝

目前，LNG接收站槽車裝車主要有兩種方式，一種是帶壓裝車，另一種是不帶壓裝車，即BOG壓縮外輸或再冷凝。兩者最主要的區(qū)別是：當(dāng)LNG 裝車時(shí)，槽車是否與LNG接收站的BOG 系統(tǒng)相連通[17]，體現(xiàn)在裝車撬的回氣管線上是否設(shè)置有壓力控制閥，主要流程圖如1所示。

1.1 帶壓裝車工藝

在LNG裝車撬的氣相管線上設(shè)置有壓力控制閥，壓力取壓點(diǎn)為L(zhǎng)NG槽車側(cè)的氣相壓力，壓力表控制點(diǎn)通常為0.3 MPa。LNG槽車裝車時(shí)，當(dāng)LNG槽車側(cè)儲(chǔ)罐操作壓力(表壓,下同)高于0.3 MPa，控制閥打開，此時(shí)槽車儲(chǔ)罐的BOG會(huì)流至BOG總管，進(jìn)入BOG壓縮機(jī)進(jìn)行增壓外輸；當(dāng)LNG槽車側(cè)儲(chǔ)罐的操作壓力小于0.3 MPa，控制閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)槽車儲(chǔ)罐的BOG無法排入BOG總管，一直封閉在LNG槽車儲(chǔ)罐內(nèi)，避免了BOG進(jìn)入BOG壓縮機(jī)系統(tǒng)。這種裝車方式減少了BOG的產(chǎn)生，有效避免BOG返氣，減少對(duì)站內(nèi)BOG系統(tǒng)的影響。由于LNG槽車儲(chǔ)罐操作壓力較高，操作人員在裝車過程中必須時(shí)刻關(guān)注每輛槽車的壓力，增加了人工巡查成本和裝車安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 BOG壓縮外輸或再冷凝工藝

LNG裝車撬的氣相管線上未設(shè)置有壓力控制閥，LNG槽車裝車時(shí)，LNG槽車裝車過程中因泄壓、吸熱、置換、閃蒸等因素產(chǎn)生的BOG直接泄放至BOG總管，進(jìn)入BOG壓縮機(jī)增壓外輸或者再冷凝器冷凝。LNG槽車裝車時(shí)產(chǎn)生BOG一般溫度較高且流量不穩(wěn)定，BOG返氣量較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐壓力升高、BOG壓縮機(jī)入口溫度升高、BOG壓縮機(jī)的負(fù)荷波動(dòng)大、外輸溫度高、再冷凝器操作壓力及溫度操作不穩(wěn)定，尤其是在夏季最小外輸工況下，增加了對(duì)再冷凝器及BOG系統(tǒng)穩(wěn)定控制的難度。此外，無論直接外輸還是再冷凝工藝，BOG量的增大均會(huì)增加BOG壓縮機(jī)的功耗，提高了裝置的運(yùn)行費(fèi)用。

2 計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)

2.1 LNG槽車儲(chǔ)罐及裝車工藝參數(shù)

LNG槽車儲(chǔ)罐的基本數(shù)據(jù)及裝車工藝參數(shù)見表1和表2。計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)基于以下假定條件：

(1) LNG槽車卸車后剩余液體率占槽車儲(chǔ)罐容積為5%。

(2) LNG槽車到站裝載前壓力為0.2 MPa。

(3) LNG槽車到站裝載前儲(chǔ)罐處于飽和狀態(tài)，飽和溫度為-146.5 ℃。

(4) LNG槽車裝車后的液體容積為45 m3，LNG槽車儲(chǔ)罐最大充裝率76.5%。

表1 LNG槽車儲(chǔ)罐的基本數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of LNG truck tank基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)值設(shè)計(jì)壓力/MPa0.74操作壓力/MPa0.1～0.7設(shè)計(jì)溫度/℃-196直徑/m2.41長(zhǎng)度/m12.85安全閥的泄放壓力/MPa0.86安全閥的整定壓力/MPa0.74

表2 主要裝車工藝參數(shù)Table 2 Main parameters of LNG truck loading process工藝參數(shù)數(shù)值低壓LNG的操作壓力/MPa0.6低壓LNG的操作溫度/℃-155BOG回氣管線控制閥設(shè)定壓力/MPa0.3LNG槽車裝車最大速率/(m3·h-1)60LNG槽車儲(chǔ)罐最大充裝率/%76.5LNG槽車儲(chǔ)罐卸車后剩余液體率/%5LNG槽車裝載前壓力/MPa0.2LNG槽車裝載前飽和溫度/℃-146.5

(5) BOG回氣管線壓力控制閥控制回路的設(shè)定值為0.3 MPa。

2.2 LNG槽車裝車動(dòng)態(tài)模型

LNG槽車裝車動(dòng)態(tài)模型的PID控制器主要有進(jìn)料流量控制器、槽車儲(chǔ)罐回氣管線壓力控制器，均為反饋控制，如圖2所示。

3 動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果

3.1 帶壓裝車工藝

LNG槽車帶壓裝車過程中槽車儲(chǔ)罐壓力、溫度隨裝車時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖3所示；槽車裝車流量、槽車儲(chǔ)罐充裝率及裝車期間BOG產(chǎn)生量隨裝車時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖4所示。

從圖3、圖4可以看出，LNG裝車開始時(shí)間為第5 min，LNG槽車開始裝車時(shí)，槽車內(nèi)介質(zhì)處于氣液平衡狀態(tài)，操作壓力為0.2 MPa，操作溫度為-146.5 ℃。LNG槽車與裝車撬連接完畢后，不對(duì)LNG槽車儲(chǔ)罐泄壓，而直接將LNG注入槽車儲(chǔ)罐中，隨著裝車時(shí)間的運(yùn)行，槽車儲(chǔ)罐內(nèi)的操作壓力逐漸降低，裝車完畢后儲(chǔ)罐壓力為0.12 MPa；儲(chǔ)罐內(nèi)的操作溫度逐漸降低，裝車完畢后儲(chǔ)罐溫度為-151 ℃。主要原因是隨著裝車的進(jìn)行，過冷的LNG進(jìn)入槽車儲(chǔ)罐同儲(chǔ)罐氣相空間中的BOG混合，將冷量傳遞給BOG，大量BOG被冷凝下來，儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力和溫度隨著BOG冷凝為L(zhǎng)NG而逐漸降低，最終降至0.12 MPa，整個(gè)裝車期間產(chǎn)生的BOG量為零。

3.2 BOG壓縮外輸或再冷凝工藝

LNG槽車不帶壓裝車過程中槽車儲(chǔ)罐壓力、溫度隨裝車時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖5所示；槽車裝車流量、槽車儲(chǔ)罐充裝率及裝車期間BOG產(chǎn)生量隨裝車時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖6所示。

從圖5、圖6可以看出，LNG槽車開始裝車時(shí)，槽車內(nèi)介質(zhì)處于氣液平衡狀態(tài)，操作壓力為0.2 MPa，操作溫度為-146.5 ℃。LNG槽車與裝車撬連接完畢后，將LNG注入LNG槽車儲(chǔ)罐，此時(shí)儲(chǔ)罐充裝和泄壓同時(shí)進(jìn)行，儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力急劇降低，儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存的已有氣相流體泄壓產(chǎn)生的BOG、已有液相流體閃蒸產(chǎn)生的BOG、裝車閃蒸產(chǎn)生的BOG、裝車置換產(chǎn)生的BOG、儲(chǔ)罐漏熱產(chǎn)生的BOG通過BOG支管送入BOG總管，經(jīng)BOG壓縮機(jī)增壓后輸送至外輸管網(wǎng)或再冷凝器冷凝。隨著裝車時(shí)間的運(yùn)行，槽車儲(chǔ)罐內(nèi)的操作壓力逐漸降低，裝車完畢后儲(chǔ)罐壓力為0.045MPa；儲(chǔ)罐內(nèi)的操作溫度逐漸降低，裝車完畢后儲(chǔ)罐溫度為-157 ℃，裝車期間BOG的產(chǎn)生量隨裝車時(shí)間逐漸增大。

4 兩種BOG處理工藝模擬結(jié)果分析

將帶壓裝車和不帶壓裝車兩種工藝的動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，如圖7～圖10所示。

從圖7～圖10可以看到，帶壓裝車具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：

(1) LNG槽車裝車結(jié)束時(shí)，帶壓裝車方式槽車儲(chǔ)罐壓力比不帶壓裝車方式儲(chǔ)罐壓力高出一倍。主要原因如下：帶壓裝車時(shí)，原有槽車儲(chǔ)罐中的BOG未被排出，已有熱量積聚在槽車儲(chǔ)罐中，導(dǎo)致儲(chǔ)罐壓力和溫度升高；裝車過程中，LNG的注入會(huì)壓縮儲(chǔ)罐氣相空間的容積，導(dǎo)致儲(chǔ)罐壓力和溫度升高；裝車過程中，LNG注入過程無法閃蒸，低壓LNG泵做功的能量被積聚在槽車儲(chǔ)罐中，也會(huì)造成LNG儲(chǔ)罐的壓力和溫度升高。

(2) LNG槽車裝車結(jié)束時(shí)，帶壓裝車方式裝車?yán)鄯e流量小于不帶壓裝車方式累積流量。帶壓裝車過程中既避免了注入LNG的閃蒸，又使槽車儲(chǔ)罐氣相空間中的BOG冷凝成LNG，明顯降低了需注入LNG槽車的LNG總量。

(3) LNG槽車裝車結(jié)束時(shí)，帶壓裝車方式可節(jié)省BOG產(chǎn)生累積量約為940 kg，按照單臺(tái)裝車撬每天充裝10次，則單臺(tái)裝車撬每天BOG排放總量減少約9 400 kg，明顯降低了BOG壓縮機(jī)功耗，在降低設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用的同時(shí)，也延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

(4) 帶壓裝車結(jié)束后的儲(chǔ)罐壓力較高，使下游用戶在卸車時(shí)節(jié)約增壓設(shè)備的運(yùn)行能耗，減少卸車時(shí)間，達(dá)到多方共贏的效果。

5 結(jié) 論

采用流程模擬軟件實(shí)時(shí)模擬了兩種LNG槽車裝車過程中產(chǎn)生BOG的壓力、溫度、流量等參數(shù)隨時(shí)間的變化，由模擬結(jié)果的對(duì)比分析可得：裝車結(jié)束時(shí)帶壓裝車方式槽車儲(chǔ)罐的壓力高于不帶壓裝車方式儲(chǔ)罐的壓力；帶壓裝車?yán)鄯e流量小于不帶壓裝車方式累積流量；帶壓裝車方式不產(chǎn)生BOG，降低了BOG壓縮機(jī)的負(fù)荷，減少了設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命；帶壓裝車可節(jié)省下游用戶卸車時(shí)增壓設(shè)備的運(yùn)行能耗，減少卸車時(shí)間，因此，帶壓裝車具有可行性和經(jīng)濟(jì)性。

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