天然氣增壓卸車工藝的模擬與分析

冷緒林 邱春斌 陳雅彬

中國石油管道局工程有限公司

液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)槽車運(yùn)輸在LNG輸送方面有著巨大的市場需求，是管道輸配的重要補(bǔ)充手段[1]，特別對于天然氣管網(wǎng)沒有覆蓋、無法實(shí)現(xiàn)供氣的區(qū)域，往往通過公路運(yùn)輸將LNG供應(yīng)給工廠、民用或調(diào)峰用戶。

氣化站、加注站、調(diào)峰站的LNG槽車卸車方式主要有自增壓卸車、潛液泵卸車、增壓器和泵聯(lián)合卸車3種卸車工藝。自增壓卸車工藝是將LNG通過槽車本體增壓口流入LNG卸車撬的自增壓器，自增壓器通常為空溫氣化器，LNG經(jīng)自增壓器氣化為低溫天然氣后，通過槽車氣相管口返回至槽車儲罐氣相空間，提高了槽車儲罐的氣相壓力，增大了槽車儲罐與接收LNG儲罐之間的壓力差，利用壓力差作為動力源將LNG從槽車儲罐輸送至LNG儲罐[2-5]。潛液泵卸車工藝是先連通LNG槽車和接收儲罐的氣相系統(tǒng)，將系統(tǒng)內(nèi)的操作壓力進(jìn)行均壓，然后開啟潛液泵將LNG槽車內(nèi)的LNG增壓，輸送至LNG儲罐[6-7]。增壓器和泵聯(lián)合卸車工藝是先連通槽車和接收儲罐的氣相系統(tǒng)，將系統(tǒng)內(nèi)的操作壓力進(jìn)行均壓，壓力平衡后斷開氣相系統(tǒng)。在潛液泵卸車過程中通過自增壓器增大槽車儲罐的操作壓力，然后開啟潛液泵，將槽車內(nèi)的LNG增壓，并輸送至LNG儲罐，卸車完成后需要通過放散系統(tǒng)給槽車儲罐降壓[8]。

自增壓卸車工藝流程簡單，無能耗，但卸車過程效率低，卸車時間長，受環(huán)境因素干擾大，設(shè)施占地面積較大，造成卸車撬利用率相對較低；潛液泵卸車工藝速度快，時間短，無需對站內(nèi)儲罐進(jìn)行泄壓，不消耗LNG，但工藝流程復(fù)雜，卸車撬占地面積較大，能耗高；自增壓卸車工藝和潛液泵卸車工藝在卸車后期會在泵池中形成漩渦，可能會將氣相引入潛液泵，對其造成損傷，難以將LNG槽車儲罐卸放干凈。

為了克服自增壓卸車、潛液泵卸車的不利特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目的整體工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一種天然氣增壓卸車工藝，該工藝流程簡單，可降低卸車時間，避免環(huán)境因素的干擾，提高了卸車撬的利用率，節(jié)省了卸車撬的占地面積。同時采用數(shù)值模擬軟件，建立天然氣增壓卸車工藝的計(jì)算模型，研究計(jì)算天然氣增壓卸車過程中LNG槽車儲罐內(nèi)壓力、溫度、液位等參數(shù)隨時間的變化過程，計(jì)算卸車過程所需時間及天然氣流量，提高設(shè)計(jì)人員和操作人員對工藝流程的理解。

動態(tài)模擬可模擬化工生產(chǎn)裝置的正常操作、穩(wěn)定運(yùn)行，已被國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和工程公司大量應(yīng)用[9-14]，其中孔錄等[15]通過動態(tài)模擬軟件對乙烯脫輕塔模擬，模擬實(shí)際生產(chǎn)過程中可能發(fā)生的擾動，并得到脫輕塔運(yùn)行過程的臨界操作值，指導(dǎo)工廠實(shí)際操作過程。本文采用動態(tài)模擬工具研究了單個LNG槽車卸車過程中LNG槽車儲罐的壓力、溫度、液位等主要操作參數(shù)隨卸車時間的變化趨勢，同時也計(jì)算得到單個LNG卸車撬卸車工藝天然氣增壓所需流量及卸車、均壓時間，可用于指導(dǎo)LNG槽車的實(shí)際卸車工藝。

1 計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)

1.1 LNG槽車儲罐的操作參數(shù)

典型LNG槽車容積約為52 m3，充裝率90%，儲罐直徑2.36 m，長度12.0 m，儲罐設(shè)計(jì)壓力(表壓)0.75 MPa，LNG槽車儲罐日蒸發(fā)率為0.2%。通過調(diào)研實(shí)際工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)，LNG槽車到達(dá)目的地進(jìn)行卸料時的工藝操作參數(shù)如表1所示(此時儲罐介質(zhì)處于飽和狀態(tài)，儲罐為臥式)。

表1 LNG槽車卸車工藝參數(shù)Table 1 Process operation parameters of LNG truck unloading工藝參數(shù)數(shù)值LNG槽車儲罐的操作壓力/MPa0.125 25LNG儲罐界區(qū)點(diǎn)操作壓力/MPa0.07LNG槽車卸車速率/(m3·h-1)26～27LNG槽車儲罐最大充裝率/%90LNG槽車儲罐卸車后剩余液體率/%5天然氣操作壓力/MPa1.4天然氣操作溫度/℃38LNG儲罐有效容積/m325 000LNG接收站儲罐操作壓力/kPa20LNG儲罐和LNG槽車儲罐管口高度差/m20LNG槽車儲罐直徑/m2.36LNG槽車儲罐長度/m12LNG槽車儲罐日蒸發(fā)率/%0.2 注:表中所指操作壓力均為表壓(下同)。

LNG槽車運(yùn)輸LNG的組成如表2所示。

表2 LNG的組成Table 2 LNG composition%組分甲烷乙烷丙烷氮?dú)饽柗謹(jǐn)?shù)95113

1.2 LNG槽車卸車動態(tài)模型

LNG槽車卸車工藝主要包括卸車過程和均壓過程兩個階段。天然氣經(jīng)增壓控制閥降壓后經(jīng)物流1連接至LNG槽車儲罐的氣相空間，對LNG槽車儲罐進(jìn)行增壓，增壓后的LNG經(jīng)物流4、LNG儲罐立管后被輸送至LNG儲罐。卸車速率通過液化天然氣物流4的流量計(jì)調(diào)節(jié)天然氣管線的流量控制閥來實(shí)現(xiàn)自動卸車，從而維持卸車流量的穩(wěn)定。待LNG槽車儲罐液位下降到5%時，操作員關(guān)閉天然氣控制閥，停止增壓，卸車過程結(jié)束；開啟LNG槽車儲罐相連物流9的控制閥，將LNG槽車儲罐壓力和LNG儲罐氣相系統(tǒng)壓力進(jìn)行均壓，實(shí)現(xiàn)LNG槽車儲罐降壓，并盡可能降至最低，便于LNG槽車在液化廠和LNG接收站的再次充裝。LNG槽車卸車和均壓過程的數(shù)值模擬模型如圖1所示，主要包括流量控制、壓力控制及安全泄放設(shè)施。

首先建立穩(wěn)態(tài)模型，運(yùn)行并將LNG槽車儲罐液位、壓力、儲罐立管等參數(shù)維持在卸車初始狀態(tài)，儲罐立管下游進(jìn)入LNG儲罐的邊界壓力(表壓)設(shè)置為70 kPa，保證LNG能夠順利進(jìn)入LNG儲罐。待穩(wěn)態(tài)計(jì)算完成后，轉(zhuǎn)至動態(tài)模型，進(jìn)行動態(tài)模擬研究。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 卸車工藝計(jì)算

通過建立卸車工藝的數(shù)值模擬模型，研究LNG槽車儲罐操作壓力、LNG槽車儲罐液位、LNG槽車儲罐操作溫度等操作參數(shù)隨卸車時間的動態(tài)變化趨勢，如圖2和圖3所示；計(jì)算了天然氣增壓所需的天然氣體積流量、卸車LNG流量、卸車時間，如圖4所示。

LNG槽車從天然氣液化廠和LNG接收站裝載完成，在長途運(yùn)輸過程中，LNG儲罐內(nèi)的液體和氣體隨著LNG槽車的移動實(shí)現(xiàn)充分混合，達(dá)到理想的氣液平衡狀態(tài)。本實(shí)際工程項(xiàng)目待裝料的LNG儲罐為大型LNG常壓罐，儲罐操作壓力通常較低，因此卸車系統(tǒng)的背壓較低。考慮到罐頂管線的沿程阻力損失、控制閥壓降，LNG卸車管線至LNG儲罐罐頂控制閥前的操作壓力至少需70 kPa，如圖3所示。LNG槽車儲罐的操作壓力只需克服卸車過程兩個儲罐高度差引起靜壓差和管道沿程阻力損失，即可滿足卸車要求。從圖3可看出，LNG槽車儲罐液位呈線性下降趨勢，是因?yàn)樾盾嚬に囍胁捎昧薒NG卸車流量自動控制回路，盡可能地維持了卸車過程LNG速率的穩(wěn)定性，從而使LNG槽車儲罐的液位呈現(xiàn)直線下降；從圖2可看出，槽車儲罐的槽車壓力和溫度穩(wěn)定小幅度升高，其中壓力升高主要是因?yàn)殡S著LNG槽車儲罐液位的下降，LNG槽車儲罐LNG靜液柱對接點(diǎn)處操作壓力的貢獻(xiàn)降低，只能通過小幅度提高LNG槽車儲罐的操作壓力來保證接點(diǎn)處的操作壓力，提高卸車速率的穩(wěn)定性，卸車從開始到結(jié)束，LNG槽車儲罐操作壓力由125.25 kPa升高至127.75 kPa；此外，由于該計(jì)算模型假定氣相和液相的混合及閃蒸效率始終為理想狀態(tài)，即LNG槽車儲罐始終為氣液平衡狀態(tài)，操作溫度也會隨著操作壓力的升高而升高。

從圖2和圖3可看出，從卸車開始至LNG槽車儲罐液位為5%過程中共耗費(fèi)約1.5 h，而自增壓卸車工藝大約耗費(fèi)3～4 h，天然氣增壓卸車工藝大大降低了卸車時間，提高了卸車撬的利用率。

從圖4可看出，LNG槽車卸車過程LNG卸車速率在26～27 m3/h正常波動，所需天然氣的體積流量在43～44 m3/h波動，天然氣體積流量遠(yuǎn)大于LNG的置換量，主要是因?yàn)樘烊粴膺M(jìn)入LNG槽車儲罐后，會同氣相空間低溫BOG和液相空間LNG進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱，導(dǎo)致天然氣進(jìn)入LNG槽車儲罐后體積發(fā)生冷縮，故所需天然氣的體積流量大于LNG卸車置換量。

2.2 均壓工藝計(jì)算

通過建立均壓工藝的數(shù)值模擬模型，研究LNG槽車儲罐同LNG儲罐均壓過程中操作壓力、操作溫度等隨均壓時間的動態(tài)變化趨勢，如圖5所示。均壓過程中LNG槽車儲罐回流至LNG儲罐的BOG流量和密度變化如圖6所示。

LNG槽車卸車完畢時，通常需要將LNG槽車儲罐壓力同LNG儲罐壓力進(jìn)行均壓，降低LNG槽車儲罐操作壓力，盡可能避免LNG槽車在前往天然氣液化廠和LNG接收站途中，因吸收環(huán)境熱量而導(dǎo)致儲罐明顯升壓或超壓的發(fā)生。由圖5可看出，在第5 min時開始進(jìn)行均壓，此時LNG槽車儲罐壓力迅速降低，儲罐操作溫度也相應(yīng)迅速降低，大約9 min后，LNG槽車儲罐壓力同LNG儲罐壓力達(dá)到平衡，完成均壓過程，此時，整個卸車的工藝操作過程基本結(jié)束。

從圖6可看出，均壓開始時，LNG槽車儲罐和LNG儲罐壓差最大，回氣質(zhì)量流量、體積流量和密度均快速達(dá)到峰值，回氣體積流量最大約為700 m3/h，回氣體積流量可用于指導(dǎo)回氣系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)。此外，隨著LNG槽車儲罐壓力的降低，回氣流量也逐漸降低，直至達(dá)到壓力平衡，回氣量為零。

3 結(jié)論

通過數(shù)值模擬軟件研究了單個LNG槽車卸車過程中壓力、溫度、液位等隨卸車時間的變化過程，同時也計(jì)算得出單個LNG卸車撬卸車工藝天然氣增壓所需流量，形成以下主要結(jié)論：

(1)LNG槽車卸車過程可分為卸車過程和均壓過程兩個階段。

(2)對于卸車目標(biāo)為LNG常壓儲罐的工藝系統(tǒng)，LNG卸車系統(tǒng)同LNG儲罐接點(diǎn)處的操作壓力通常較低，本工程項(xiàng)目接點(diǎn)操作壓力約為70 kPa。

(3)卸車過程中，LNG槽車儲罐液位下降趨勢為線性趨勢，槽車儲罐的槽車壓力和溫度穩(wěn)定小幅度升高。卸車工藝過程從卸車開始至LNG槽車儲罐液位為5%過程中共耗費(fèi)約1.5 h，提高了卸車撬的利用率。

(4)卸車過程中，LNG卸車速率在26～27 m3/h正常波動，所需天然氣的體積流量在43～44 m3/h波動，所需天然氣的體積流量大于LNG卸車置換量。

(5)均壓回氣過程中，LNG槽車儲罐壓力迅速降低，儲罐操作溫度也相應(yīng)迅速降低，均壓過程共耗費(fèi)約9 min，期間回氣體積流量約為700 m3/h，可用于指導(dǎo)工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

(6)天然氣增壓卸車流程簡單，卸車時間短，效率高，不受環(huán)境條件影響，大大提高了卸車撬的利用率。