基于大數(shù)據(jù)的LNG接收站再冷凝器噴淋量計(jì)算方法研究

彭延建 張超 姜夏雪 高歌

（中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100028）

近十年來(lái)，中國(guó)進(jìn)入了液化天然氣（LNG）接收站的建設(shè)高潮，截至2021年底，國(guó)內(nèi)已建成22座LNG接收站，接收能力9 910萬(wàn)t／a，另有25座擬建或待建［1］。中國(guó)LNG接收站在設(shè)計(jì)上需要滿足頻繁啟停、外輸?shù)姆€(wěn)定性和靈活性的要求，其設(shè)計(jì)及操作是世界同類型接收站中最為復(fù)雜的［2］，而在LNG接收站的日常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，-160℃的LNG容易受熱氣化而產(chǎn)生蒸發(fā)氣（Boil Off Gas，BOG），因此BOG處理是接收站的重要工作［3］。BOG處理主要包括再冷凝和直接壓縮2種方式。與直接壓縮工藝相比，再冷凝工藝可節(jié)約30%～60%的成本［4-5］，因此成為大多數(shù)LNG接收站的BOG處理工藝。

再冷凝器是再冷凝工藝的核心設(shè)備，在接收站工藝流程中承擔(dān)著承上啟下的作用［6］。再冷凝器通過(guò)噴淋量控制回路計(jì)算噴淋量而自動(dòng)調(diào)節(jié)噴淋閥的開(kāi)度，保證進(jìn)入再冷凝器的LNG流速穩(wěn)定且滿足冷凝要求［7］。然而在LNG接收站投產(chǎn)后，一方面發(fā)現(xiàn)噴淋回路投自動(dòng)計(jì)算的噴淋量無(wú)法滿足BOG的再冷凝需求，只能通過(guò)手動(dòng)方式進(jìn)行調(diào)整；另一方面，采用大數(shù)據(jù)方法解決油氣儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題已越發(fā)普遍［8］，例如于濤等［9］基于數(shù)據(jù)挖掘算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立熱油管道油溫預(yù)測(cè)模型；謝鵬等［10］基于深度學(xué)習(xí)算法搭建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)代理模型，探討管道失效內(nèi)壓的影響因素與管道等效應(yīng)力之間的映射關(guān)系。LNG接收站在運(yùn)行期間所積累的數(shù)據(jù)資料非常龐大，但目前鮮有將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于LNG接收站問(wèn)題的研究。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)噴淋控制回路無(wú)法投用、手動(dòng)頻繁操作、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)量大卻無(wú)應(yīng)用的現(xiàn)狀，本文通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和再冷凝器工程設(shè)計(jì)資料，對(duì)噴淋控制回路的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行復(fù)核，對(duì)比手動(dòng)噴淋值、控制回路復(fù)核值和工藝模擬值，來(lái)查找噴淋回路無(wú)法投自動(dòng)的原因；基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)構(gòu)建再冷凝器噴淋量數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算模型，為再冷凝器噴淋操作提供量化建議。本文研究結(jié)果可提高再冷凝器操作精度，有效降低人力負(fù)荷，為L(zhǎng)NG接收站大數(shù)據(jù)的運(yùn)營(yíng)和分析提供指導(dǎo)。

1 再冷凝器噴淋量分析

再冷凝器噴淋控制回路原理如圖1所示，通過(guò)再冷凝器BOG入口管線壓力PPT-01和溫度TTT-01對(duì)BOG流量QFY-02進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)補(bǔ)償后的流量計(jì)算LNG的理論噴淋量QFY-03，然后輸出為FY-04的開(kāi)度1；同時(shí)，控制器（PIC-02）根據(jù)再冷凝器上部壓力PPT-02計(jì)算FY-04的開(kāi)度2；開(kāi)度1和開(kāi)度2取其中的高值，由流量控制器FIC-01驅(qū)動(dòng)閥門(mén)FV-01進(jìn)行噴淋。

圖1 再冷凝器噴淋控制回路原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the recondenser spray control circuit

1.1 噴淋量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為了查找噴淋回路無(wú)法自動(dòng)噴淋的原因，需將噴淋回路設(shè)置為手動(dòng)模式，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)FT-01獲得的手動(dòng)噴淋量為96.89 m3／h。在再冷凝器其他參數(shù)不變的情況下，將噴淋回路切換至自動(dòng)模式，記錄噴淋回路的相關(guān)參數(shù)（表1），DCS頁(yè)面顯示噴淋回路計(jì)算值僅為26.32 m3／h，與手動(dòng)模式下噴淋結(jié)果偏差較大。

表1 再冷凝器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Measured data by different measuring points of the recondenser

1.2 噴淋回路的噴淋量計(jì)算

1）氣體的溫度、壓力補(bǔ)償計(jì)算。

氣體的可壓縮性使其流量計(jì)算存在溫壓補(bǔ)償問(wèn)題［11］，BOG氣體流量可通過(guò)再冷凝器入口管線當(dāng)前壓力和溫度進(jìn)行補(bǔ)償，表示為

式（1）中：QFT-02和Q′FT-02分別為溫度、壓力補(bǔ)償前后標(biāo)況下的BOG氣體流量，m3／h；Tref為標(biāo)況溫度，K，取值273.15 K；pref為標(biāo)況壓力，MPaG，取值0.101 325 MPaG；TTT-01為再冷凝器BOG入口管線溫度，℃；PPT-01為再冷凝器BOG入口管線壓力，MPaG。

2）理論噴淋量計(jì)算。

LNG理論噴淋量表示為

式（2）、（3）中：QLNG為L(zhǎng)NG體積流量，m3／h；R為比例參數(shù)，通常取值7～9，系統(tǒng)默認(rèn)為8；F為從質(zhì)量流量轉(zhuǎn)換為體積流量所需的倍增因子，根據(jù)貧富組分的不同通常取值0.001 51～0.001 87，平均值為0.001 6；ρLNG為L(zhǎng)NG的密度，kg／m3；MW為蒸發(fā)氣的分子量。

3）回路噴淋值量計(jì)算。

根據(jù)式（1）～（3），結(jié)合表1再冷凝器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到噴淋回路計(jì)算值為101.56 m3／h?？梢园l(fā)現(xiàn)，噴淋回路計(jì)算得到的噴淋值與人工實(shí)際值96.89 m3／h較為接近，同樣也與DCS頁(yè)面顯示的噴淋值26.32 m3／h相差較大。

1.3 噴淋量模擬計(jì)算

為了進(jìn)一步驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)操作和噴淋回路計(jì)算的正確性，利用Aspen HYSYS軟件搭建再冷凝器噴淋量計(jì)算模型，如圖2所示。選用Peng-Robinson狀態(tài)方程，輸入儲(chǔ)罐內(nèi)LNG和BOG實(shí)際組分及數(shù)據(jù)（表1），模擬進(jìn)入再冷凝器的帶壓高溫BOG氣體與低溫LNG液體，兩者混合后的飽和液體再進(jìn)行迭代，得出LNG的模擬噴淋量為105.1 m3／h。

圖2 噴淋量模擬計(jì)算示意圖Fig.2 Simulation and calculation of spray volume

1.4 再冷凝器噴淋量驗(yàn)證

手動(dòng)噴淋量、噴淋回路計(jì)算量、模擬噴淋量與DCS顯示噴淋量的數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。可以看出，如果以手動(dòng)噴淋量為標(biāo)準(zhǔn)，則噴淋回路計(jì)算量、模擬噴淋量的誤差較小，這意味著工程設(shè)計(jì)的自控邏輯是正確的，而DCS顯示與噴淋量誤差較大的主要原因是DCS組態(tài)程序存在未知錯(cuò)誤。

表2 不同方法測(cè)算噴淋量對(duì)比表Table 2 Comparison table of spray volume with different measurement methods

2 基于再冷凝器噴淋量大數(shù)據(jù)的線性回歸研究

2.1 數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

經(jīng)測(cè)算，國(guó)內(nèi)某LNG接收站5 000個(gè)測(cè)點(diǎn)1年內(nèi)產(chǎn)生的主工藝數(shù)據(jù)總量約為6T，利用這些數(shù)據(jù)可開(kāi)展基于大數(shù)據(jù)分析的噴淋量線性回歸研究。

根據(jù)圖1的再冷凝器工藝流程原理可知，再冷凝器噴淋相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)主要包括流量、壓力、溫度、位置的關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)12個(gè)（表3）。流量、壓力、溫度數(shù)據(jù)可通過(guò)DCS系統(tǒng)獲?。粶y(cè)點(diǎn)位置數(shù)據(jù)可通過(guò)工程設(shè)計(jì)工藝流程圖獲取。

抽取該接收站再冷凝器2020年1月1日至2021年3月31日共15個(gè)月的數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)工況與表3，剔除未噴淋時(shí)間段及異常時(shí)間段數(shù)據(jù)。利用Python語(yǔ)言編寫(xiě)代碼，分析12個(gè)測(cè)點(diǎn)間的相關(guān)性，結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 再冷凝器噴淋相關(guān)工藝數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)劃分Table 3 Division of recondenser spraying related process data

按照強(qiáng)相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)≥0.8）、中等相關(guān)性（0.2≤相關(guān)系數(shù)＜0.8）、弱相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)＜0.2）的劃分方法，強(qiáng)相關(guān)性為測(cè)點(diǎn)FT-02，中等相關(guān)性為測(cè)點(diǎn)TT-01、PT-03和TT-02，弱相關(guān)性為其他測(cè)點(diǎn)。這一結(jié)果與人為手動(dòng)操作調(diào)節(jié)時(shí)主要關(guān)注的測(cè)點(diǎn)也較為匹配。

2.2 線性回歸模型及其精度驗(yàn)證

2.2.1 線性回歸模型的建立

依據(jù)表4不同測(cè)點(diǎn)與LNG噴淋量相關(guān)性的排序情況，按照強(qiáng)和中等相關(guān)性的相應(yīng)測(cè)點(diǎn)，分別建立一元和四元線性回歸模型，并將結(jié)果與手動(dòng)噴淋量、噴淋回路計(jì)算量和模擬噴淋量進(jìn)行對(duì)比。

表4 噴淋量測(cè)點(diǎn)相關(guān)性分析矩陣Table 4 Correlation analysis results of spray measurement points

1）一元線性回歸模型。

一元線性回歸擬合選擇強(qiáng)相關(guān)性測(cè)點(diǎn)作為變量，其回歸模型為

利用15個(gè)月的所有數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，以天為單位計(jì)算模型精度，將結(jié)果與實(shí)際噴淋量進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)Pyhton計(jì)算，該一元模型的精度為0.682。

2）四元線性回歸模型。

四元線性回歸擬合選擇強(qiáng)和中等相關(guān)的4個(gè)測(cè)點(diǎn)作為變量，其回歸模型為式（5）。同理進(jìn)行驗(yàn)證，四元線性模型的精度為0.761。

2.2.2 線性回歸模型結(jié)果分析

以表1的再冷凝器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別計(jì)算一元和四元線性回歸模型的噴淋量，利用2020年的整年歷史數(shù)據(jù)分別對(duì)2個(gè)線性回歸模型進(jìn)行驗(yàn)算，其結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同線性回歸模型噴淋量結(jié)果對(duì)比表Table 5 Spray volume comparison by different linear regression models

根據(jù)表5可知，與實(shí)際噴淋量相比，四元線性回歸模型的準(zhǔn)確度較高，單獨(dú)只考慮相關(guān)性最大變量的一元線性回歸模型，并不能使大數(shù)據(jù)模型的計(jì)算精度更高。另外基于大數(shù)據(jù)的線性回歸模型得到的再冷凝器噴淋結(jié)果，與手動(dòng)實(shí)際噴淋量的誤差均在10%以內(nèi)。這意味著雖然基于設(shè)計(jì)原理的理論計(jì)算與基于數(shù)據(jù)的計(jì)算方法不同，但卻可以得到近似的結(jié)果。

3 結(jié)論與展望

LNG接收站頻繁啟停要求其外輸?shù)姆€(wěn)定性和靈活性較高，因此再冷凝器噴淋量的準(zhǔn)確計(jì)量和測(cè)算勢(shì)在必行。目前，噴淋回路無(wú)法自動(dòng)投用的原因在于DCS組態(tài)程序存在未知錯(cuò)誤。鑒于DCS組態(tài)程序修改難度較大且LNG接收站獲取大量數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，采用簡(jiǎn)單易行的線性回歸方法建立噴淋量線性回歸模型，可以較低的誤差計(jì)算出再冷凝器噴淋量。未來(lái)隨著中國(guó)LNG接收站數(shù)量的增加，這種基于獲取大數(shù)據(jù)的線性回歸研究方法及噴淋量四元線性回歸模型，均可在LNG接收站加以部署和推廣，根據(jù)模型應(yīng)用效果進(jìn)一步修正模型，提高模型精度，為再冷凝器噴淋量提供更加精準(zhǔn)的量化建議。