LNG槽車貧富液切換安全裝車動態(tài)模擬研究

劉景俊 李學(xué)濤 唐建峰，3 王玉娟 劉鑫博 王冬旭

1中國石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司

2中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院

3中國石油大學(xué)（華東）山東省油氣儲運安全省級重點實驗室

青島LNG 接收站裝車單元建有24 個裝車橇，其中17 個是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 臺富液罐和2 臺貧液罐，裝車管線從LNG 儲罐罐內(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裝車工藝流程簡圖Fig.1 LNG loading process flow diagram

LNG槽車進(jìn)站裝車前需在待裝區(qū)對預(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。檢驗合格后進(jìn)行過磅稱重，記錄槽車皮重，然后駛?cè)胫付ㄑb車位，熄火并對車輛位置進(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)裝車橇計量裝車質(zhì)量達(dá)到設(shè)定值時結(jié)束充裝，進(jìn)行斷臂作業(yè)，槽車出站再次過磅稱重。

由上述裝車操作流程可知，充裝崗人員及槽車司機對LNG 裝車總管中的LNG 物性難以有直接的認(rèn)識。青島LNG 接收站現(xiàn)場實際運行中的四臺LNG儲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 儲量不足或者槽車裝車需求變化時會通過儲罐出口處的閥門切換改變裝車LNG 類型。每臺LNG 儲罐設(shè)有1 套液位-密度-溫度測量裝置（LDT），可進(jìn)行從罐底至最高液位垂直高度內(nèi)的液位、密度、溫度測量。經(jīng)實際測量貧、富液LNG密度相差較大，富液罐LNG 密度長期穩(wěn)定在470 kg/m3左右，貧液罐LNG 密度長期穩(wěn)定在420 kg/m3左右。切換裝車LNG 類型勢必會造成裝車總管中的LNG 密度產(chǎn)生一定波動，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)性變化會極大增加槽車的超裝概率，增加運輸風(fēng)險。LNG 槽車司機反映，裝車LNG 由高密度富液切換為低密度貧液后，裝車橇出口密度會降低進(jìn)而影響LNG 裝車體積發(fā)生變化，造成槽車實際充裝體積增加，中途運輸過程中容易引起安全閥的變動，繼而出現(xiàn)噴液現(xiàn)象[4]。而裝車單元的裝車橇不能對裝車液體密度進(jìn)行實時檢測，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，本文以過程模擬軟件Aspen HYSYS中的動態(tài)模擬功能為研究手段，建立符合實際的LNG 裝車模型，對不同工況下LNG 裝車橇出口密度進(jìn)行仿真模擬計算，得出相應(yīng)的LNG 裝車橇出口密度隨時間的變化曲線，并依據(jù)密度波動穩(wěn)定時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 裝車過程涉及長距離的輸送管線，LNG貧富液切換是由管線閥門的開關(guān)來實現(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 接收站實際裝車流程，利用過程模擬軟件Aspen HYSYS 建立青島LNG 接收站LNG裝車工藝計算模型（圖2）。

圖2 基于Aspen HYSYS建立的LNG裝車工藝計算模型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程中的干擾和波動，采用傳統(tǒng)的Aspen HYSYS穩(wěn)態(tài)模擬無法準(zhǔn)確模擬切換后一段時間內(nèi)的LNG 密度變化趨勢，所以采用軟件中的動態(tài)模擬功能對其進(jìn)行研究。動態(tài)流程模擬將時間變量引入系統(tǒng)，可預(yù)測干擾出現(xiàn)后工藝參數(shù)隨時間的變化情況，用以處理系統(tǒng)狀態(tài)與時間有關(guān)的問題。

動態(tài)模擬與穩(wěn)態(tài)模擬不同，動態(tài)模擬的單元過程只有描述該過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。由于動態(tài)模擬中各個工藝參數(shù)都是時間的函數(shù)，導(dǎo)致了穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的重大差異。在動態(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 控制器算法簡單、實施方便、控制系數(shù)整定容易，適用于對象比較復(fù)雜且要求無余差的場合，適合本研究的常規(guī)控制，且在石油、化工工程過程中，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，在保證切合現(xiàn)場實際情況以及模型計算準(zhǔn)確的前提下，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行簡化，在模型中將青島LNG 接收站現(xiàn)場貧、富液儲罐簡化為各1個，對LNG裝車管線進(jìn)行簡化，分為豎直管段及水平管段。根據(jù)青島實際情況設(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）。

為實現(xiàn)LNG 接收站現(xiàn)場工藝中貧、富液儲罐三通切換閥門的功能，在模型中貧、富液儲罐出口處各設(shè)置1 個閥門（VLV-100 和VLV-101），以兩閥門的開關(guān)模擬實現(xiàn)現(xiàn)場貧、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)模型建立后需要對模型準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證。將輸入青島LNG 接收站某一時刻裝車單元富液裝車實時運行數(shù)據(jù)，經(jīng)模擬計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儀檢測LNG 裝車橇實際出口密度為469.95 kg/m3；輸入青島LNG 接收站某一時間裝車單元貧液裝車實時運行數(shù)據(jù)，經(jīng)模擬計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儀檢測LNG 裝車橇實際出口密度為421.01 kg/m3。誤差均在允許范圍內(nèi)，模型計算結(jié)果與實際較為相符，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、積分時間、微分時間。參數(shù)設(shè)定如表3 所示，實現(xiàn)管線中LNG 的流動，以便對LNG 裝車管線進(jìn)行動態(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)程即時控制，在模型中貧、富液儲罐出口兩閥門處各設(shè)置1個干擾TRF-1和TRF-2，用以改變動態(tài)模擬中閥門的開度，以0 或者100%開度替代現(xiàn)場工藝中的管線切換操作以達(dá)到現(xiàn)場貧、富液切換的效果。當(dāng)富液切換為貧液時，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，閥門VLV-101 開度由100%減小為0，閥門VLV-100 開度由0增加為100%。

利用軟件的動態(tài)助手檢查模型是否滿足轉(zhuǎn)換為動態(tài)模型進(jìn)行動態(tài)模擬的條件，在滿足的條件下對穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行動態(tài)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成功后對動態(tài)模型中動態(tài)進(jìn)程的控制時間、事件圖表進(jìn)行設(shè)定。設(shè)定完成后進(jìn)行動態(tài)計算，對貧、富液儲罐出口處兩閥門在同一時間施加不同開度調(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間變化的數(shù)據(jù)。

表3 LNG裝車動態(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 個裝車橇，可同時容納1～17 輛LNG 槽車裝車，依據(jù)裝車操作規(guī)程，裝車時設(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 裝車橇出口密度動態(tài)模擬計算，將計算得出的LNG 裝車橇出口密度隨時間變化數(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，在某一固定時間將LNG裝車管線中的富液切換成貧液后進(jìn)行LNG 裝車時裝車橇出口密度會逐漸降低，一段時間后管線中的富液完全替換為貧液，此時裝車橇出口密度會趨于穩(wěn)定。對比發(fā)現(xiàn)，不同數(shù)量的LNG 槽車同時裝車對LNG裝車橇出口密度的變化影響較大，對不同裝車數(shù)量對應(yīng)的裝車橇出口密度穩(wěn)定所需時間進(jìn)行精確計算，計算結(jié)果如表4所示。

表4 不同LNG裝車數(shù)量對應(yīng)裝車橇出口密度穩(wěn)定所需時間（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)定所需時間隨LNG 同時裝車數(shù)量的增加而降低，裝車數(shù)量較少時LNG 裝車橇出口密度穩(wěn)定所需時間較長，9 輛以上的槽車同時裝車后裝車數(shù)量對裝車橇出口密度穩(wěn)定時間的影響漸小。主要是由于同時裝車數(shù)量的增加會加大管線輸送流量，進(jìn)而加速管線中的貧富液替換過程，縮短裝車橇出口密度變化趨于穩(wěn)定所需時間。管線中富液切換貧液會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會需要更大的容積，此時槽車司機如果不了解情況可能會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 裝車橇出口密度會逐漸升高，一段時間后貧液完全替換為富液裝車橇出口密度會趨于穩(wěn)定。管線中貧液切換富液會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 需要的容積會減小，不同數(shù)量的LNG 槽車裝車對其穩(wěn)定所需時間影響較大，不同裝車數(shù)量對應(yīng)的裝車橇出口密度穩(wěn)定所需時間如表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)量對應(yīng)的裝車橇出口密度穩(wěn)定所需時間較為接近。

表5 不同LNG裝車數(shù)量對應(yīng)裝車橇出口密度穩(wěn)定所需時間（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 接收站裝車單元實際運行中發(fā)現(xiàn)，裝車人員對車輛的裝車橇出口密度與裝載液位容積的對應(yīng)關(guān)系了解甚少，大部分LNG 槽車司機采取估算容積值進(jìn)行裝車計量，當(dāng)貧富液切換后槽車司機對液位容積與裝載質(zhì)量發(fā)生的變化沒有理論上的清晰認(rèn)識。故針對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)量對應(yīng)關(guān)系計算，結(jié)果如表6所示。由表中數(shù)據(jù)可知，相同液位對應(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)行對比，富液對應(yīng)裝車質(zhì)量22 021.803 kg，貧液對應(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，故需要槽車司機針對裝車容積及所需LNG 類型進(jìn)行相應(yīng)的裝車質(zhì)量選取，優(yōu)化裝車計量監(jiān)控機制，提高運輸效率，降低運輸風(fēng)險。

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。

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

表6 貧富液裝車對應(yīng)液位-體積-質(zhì)量對照表（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

由上述實際裝車液位及裝載質(zhì)量計算得出的罐內(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

對比表7、表8數(shù)據(jù)可知，7輛槽車同時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)貧液儲罐檢測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，與模擬計算結(jié)果相符合。

青島LNG 接收站裝車單元長期處于高負(fù)荷狀態(tài)下工作，管線中貧富液切換會極大影響裝車效率，同時增加槽車運輸風(fēng)險，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)場實際情況安排一定數(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，同時貧富液替換過程中進(jìn)行裝車時需嚴(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，貧富液各自通過單獨管線由儲罐輸送到裝車單元，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量問題，保證安全生產(chǎn)。

3 結(jié)論

針對青島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裝車實際工藝流程，基于Aspen HYSYS建立了貼合實際的裝車工藝流程模型，利用動態(tài)功能模擬了不同工況下的裝車橇出口密度，并與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比驗證，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發(fā)生顯著變化，根據(jù)不同工況得到了對應(yīng)的LNG 裝車橇出口密度隨時間變化曲線。通過驗證，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LNG 貧富液的裝載質(zhì)量不同，建議槽車司機根據(jù)液位-體積-質(zhì)量對照表計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。