安家榮，王詩(shī)航，茍金鑫

基于HYSYS模型的華南某LNG接收站節(jié)能措施研究

安家榮，王詩(shī)航，茍金鑫

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院， 山東 青島 266580）

基于華南某LNG接收站現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際，利用流程模擬軟件HYSYS進(jìn)行工藝流程模擬，得到各設(shè)備的能耗參數(shù)，并利用單因素分析法，從BOG組分、BOG處理量、外輸溫度方面分析了其變化對(duì)該接收站能耗的影響情況。結(jié)果表明，隨著LNG組分中甲烷含量的增加，BOG處理量的增加以及外輸溫度的升高，接收站的能耗均為上升趨勢(shì)。并以此為根據(jù)，提出來料LNG分罐儲(chǔ)存以減少BOG產(chǎn)生量和提高天然氣外輸溫度的措施，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

LNG接收站； 能耗； HYSYS； 穩(wěn)態(tài)模擬； 節(jié)能

隨著世界經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，天然氣作為一種清潔能源，其在能源消費(fèi)中的比例日益增長(zhǎng)。液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)NG）是將常溫常壓的氣態(tài)天然氣液化而成的低溫液體混合物。經(jīng)液化后的天然氣，體積縮小為原本的約1/600，能量密度大幅提高，是一種較為理想的清潔能源[1]。LNG接收站接處在液化天然氣產(chǎn)業(yè)鏈中的核心位置，是遠(yuǎn)洋運(yùn)輸LNG和陸上NG供給的紐帶，近年來各國(guó)均紛紛加大LNG接收站建設(shè)力度。

目前LNG接收站均存在著能耗過大的問題，如何優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，提高運(yùn)行能力，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益值得深入研究。

1 華南某LNG接收站工藝流程模擬

LNG接收站工藝流程圖如圖1所示。LNG作為貨物由運(yùn)輸船運(yùn)送到船埠后，通過船上LNG卸料泵加壓，經(jīng)卸料臂和卸料管道運(yùn)送至LNG儲(chǔ)罐內(nèi)[2]。在卸料時(shí)，由于體積置換、卸料閃蒸、冷卻罐壁等原因會(huì)產(chǎn)生大量的BOG氣體。而LNG接收站內(nèi)也會(huì)因儲(chǔ)罐及管線的漏熱、低壓泵的能量輸入等原因產(chǎn)生BOG氣體[3]。為確保卸料艙內(nèi)壓力的平衡，BOG中的一部分通過蒸發(fā)氣回流管線返回LNG船艙，其余部分經(jīng)BOG壓縮機(jī)壓縮后，與儲(chǔ)罐內(nèi)低壓泵出口處的一部分LNG一同進(jìn)入BOG再冷凝器進(jìn)行換熱，冷凝成液態(tài)。罐內(nèi)低壓泵出口的另一部分LNG與冷凝后的BOG混合進(jìn)入ORV或SCV進(jìn)行汽化。汽化后的氣態(tài)天然氣經(jīng)過加臭、調(diào)壓以及計(jì)量等環(huán)節(jié)輸送至外輸管網(wǎng)。

本文以華南某LNG接收站的實(shí)際運(yùn)行情況作為背景，對(duì)該站的能耗進(jìn)行分析，優(yōu)化工藝流程，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

圖1 LNG接收站工藝流程圖

1.1 流程模擬

HYSYS軟件是一款專業(yè)的化工模擬軟件，其操作界面友好，操作方便直觀，本文采用該軟件進(jìn)行工藝流程模擬。

來料LNG組分如表1所示。

表1 LNG組分表（摩爾組分）

各設(shè)備參數(shù)如下：

卸料總管內(nèi)LNG壓力為404 kPa，儲(chǔ)罐LNG表壓為20 kPa，內(nèi)罐溫度為-157.4 ℃。流程模擬在開啟八臺(tái)低壓泵，開啟五條生產(chǎn)線（即5臺(tái)高壓泵，5臺(tái)海水泵，5臺(tái)ORV汽化器）時(shí)的情況。在工藝流程模擬中，通過Adjust模塊控制4個(gè)儲(chǔ)罐熱流的大小，以確定BOG其各組分摩爾分?jǐn)?shù)與流量。通過一SET模塊控制進(jìn)入再冷凝器時(shí)BOG壓力與低壓泵出口LNG壓力相等。通過一SET模塊控制再冷凝器出口的氣相分率為0，即BOG氣體在再冷凝器中均被冷凝成LNG。流程中BOG的壓力即為氣相空間的壓力，實(shí)際數(shù)據(jù)為121 kPa。通過相平衡原理可知，氣相空間溫度等于液相空間溫度，即BOG的溫度與LNG溫度相等。罐內(nèi)潛液泵的絕熱效率為70.83%，壓力差為1 054 kPa。壓縮機(jī)為兩級(jí)壓縮，絕熱效率為75%，一級(jí)壓力差為200 kPa，二級(jí)壓力差為580 kPa。高壓外輸泵絕熱效率為75%，壓力差為9 000 kPa。海水泵絕熱效率為75%，壓力差為280 kPa。開架式海水氣化器的管程和殼程壓降均為10 kPa。該地區(qū)海水入口溫度為28.3 ℃，實(shí)際測(cè)得海水出口溫度為23.39 ℃。外輸天然氣溫度為20 ℃，外輸天然氣壓力為9 880 kPa。

1.2 設(shè)備功耗模擬結(jié)果

各設(shè)備在上述工況下的功耗情況如表2所示。

表2 設(shè)備功耗

2 能耗分析

各設(shè)備功耗的計(jì)算公式如表3所示[4]。

表3 設(shè)備功耗計(jì)算公式

從LNG組分、BOG處理量、外輸天然氣溫度3個(gè)性能參數(shù)分析其變化對(duì)該接收站能耗的影響情況。

2.1 LNG組分對(duì)于能耗的影響

該LNG接收站接收不同地區(qū)來料LNG，組分有所差別。LNG的物性（密度、焓值等）會(huì)因組分的不同而發(fā)生改變，從而對(duì)于泵及壓縮機(jī)的焓值及功耗有所影響。LNG組分中甲烷所占比重最大，其次為乙烷，在分析其變化工藝流程參數(shù)的影響時(shí)，改變甲烷和乙烷所占摩爾分?jǐn)?shù)，其和保持96.22%不變。模擬甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)0.8856至0.9356變化時(shí)的運(yùn)行情況。

圖2 CH4含量對(duì)于設(shè)備比焓差的影響

圖3 CH4含量對(duì)于設(shè)備功耗的影響

從圖2及圖3可知，由于BOG及LNG組分中甲烷摩爾分?jǐn)?shù)的增加，甲烷的沸點(diǎn)較低，使得工質(zhì)汽化潛熱降低，BOG及LNG的比焓降低。泵及壓縮機(jī)的進(jìn)口物流比焓降低量大于出口物流比焓降低量。同時(shí)，罐內(nèi)低壓泵進(jìn)口的LNG流量降低，在比焓差及流量的雙重影響下，罐內(nèi)泵的功耗略有增加。BOG產(chǎn)生量增加，BOG壓縮機(jī)流量及比焓差同時(shí)增加，則在其雙重影響下BOG壓縮機(jī)功耗增加。高壓泵及海水泵流量基本保持不變，則由于其比焓差的增加，高壓泵及海水泵功耗增加。經(jīng)計(jì)算，接收站總體功耗呈上升趨勢(shì)。

2.2 BOG處理量對(duì)于能耗的影響

在不同工況下，如卸料時(shí)與非卸料時(shí)，最大外輸量時(shí)與最小外輸量時(shí)，其產(chǎn)生量有很大差別。故研究BOG處理量對(duì)流程的影響。改變BOG的流量，使其在4 000~24 000 kg/h的范圍內(nèi)變化，研究其對(duì)流程性能的影響。

圖4 BOG產(chǎn)生量對(duì)于設(shè)備功耗的影響

圖4所示為設(shè)備功耗隨著BOG產(chǎn)生量增加的變化情況。隨著BOG處理量的增加，罐內(nèi)低壓泵進(jìn)出口物流的焓值均增加，增加幅度相等，故其比焓保持不變，但LNG流量隨之減少，所以罐內(nèi)低壓泵的功耗略有降低。壓縮機(jī)進(jìn)出口物流壓力恒定，其比焓保持不變。但隨著BOG處理量的增加其流量增加，壓縮機(jī)功耗增加。同理，高壓泵功耗增加。海水泵的比焓差不變，所需熱量減少，故其流量減少，功耗降低。功耗的增加幅度大于降低幅度，故流程總功耗增大。

2.3 外輸天然氣溫度變化對(duì)于能耗的影響

根據(jù)外輸天然氣要求，為了保證輸氣干線計(jì)量站里有1 ℃的最低溫度，汽化器的出口天然氣最低溫度為2 ℃[5]。結(jié)合該站實(shí)際情況，設(shè)定出站天然氣溫度在4~24 ℃之間變化，研究外輸天然氣溫度對(duì)LNG接收站各設(shè)備功耗的影響。

圖5 外輸溫度對(duì)于設(shè)備功耗的影響

圖5為設(shè)備功耗隨著天然氣外輸溫度升高的變化情況。當(dāng)外輸天然氣溫度升高時(shí)，罐內(nèi)低壓泵、BOG壓縮機(jī)、高壓泵的進(jìn)出口物流的比焓均保持不變，其比焓差不變，則罐內(nèi)低壓泵、BOG壓縮機(jī)、高壓泵的功耗均保持不變。保持海水泵進(jìn)出口海水溫度不變，故其比焓差保持不變。若外輸天然氣溫度升高，則需增加海水流量，因此海水泵的功耗增加。綜上所述，由于海水泵功耗的增加使得流程總功耗增加。

3 節(jié)能降耗措施分析

3.1 來料LNG分罐儲(chǔ)存

LNG接收站的總體能耗中，BOG壓縮機(jī)所耗能較多，因此為了減少其能耗，應(yīng)盡量減少BOG的生成量，降低BOG壓縮機(jī)處理量，降低該接收站的總體能耗。BOG的量是一個(gè)實(shí)時(shí)波動(dòng)的量，其影響因素眾多，如開啟低壓泵的數(shù)量、外輸量的變化引起的體積置換量的變化、LNG儲(chǔ)罐漏熱量的不同、閃蒸量的不同等因素。

對(duì)于此LNG接收站的液化天然氣來源不同，每個(gè)地方的LNG組分含量不同，也就是代表其密度不同。而對(duì)于接收站的儲(chǔ)罐來說，設(shè)有兩個(gè)進(jìn)料口，其中一個(gè)在罐底，LNG通過儲(chǔ)罐內(nèi)部的立式導(dǎo)管進(jìn)入儲(chǔ)罐底部；另一個(gè)在罐頂，即LNG通過上方進(jìn)料口直接進(jìn)入儲(chǔ)罐，因此有罐頂和罐底兩種進(jìn)料方式。具體選擇何種進(jìn)料方式由LNG的密度所決定。若罐內(nèi)原有LNG密度小，來料LNG密度大，則LNG應(yīng)直接由罐頂進(jìn)料，使之均勻混合。若罐內(nèi)原有LNG密度大，來料LNG密度小，則應(yīng)從罐底進(jìn)料[6]。

若要減少BOG的產(chǎn)生量，應(yīng)盡量采用罐底進(jìn)料，這樣可避免進(jìn)料的LNG與儲(chǔ)罐內(nèi)BOG混合，接觸換熱，產(chǎn)生更多的蒸發(fā)量，也可避免儲(chǔ)罐壓力的突然降低。現(xiàn)接收站LNG儲(chǔ)罐均為各地來料混裝模式。這就難免會(huì)出于考慮LNG密度問題出現(xiàn)罐頂進(jìn)料的情況，若能采取將各地不同密度的來料分罐儲(chǔ)存的方法，則可均采用罐底進(jìn)料的方式，避免BOG量的增加。

3.2 提高天然氣外輸溫度

4 結(jié) 論

（1）根據(jù)HYSYS軟件對(duì)華南某接收站的工藝流程進(jìn)行模擬，得出各設(shè)備的功耗。分析得知，隨著LNG組分中甲烷含量的增加，接收站總功耗增加；隨著BOG處理量的增加，總功耗增加；隨著外輸天然氣溫度的升高，總功耗增加。

（2）提出來料LNG分罐儲(chǔ)存以減少BOG產(chǎn)生量與提高外輸天然氣溫度以減少海水用量的方法，從而降低該接收站的能耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

［1］Tarlowski J., Sheffield J., Durr C., et al. LNG import terminals - recent developmengts [J]. 2005.

［2］張立希, 陳慧芳. LNG接受終端的工藝系統(tǒng)及設(shè)備[J]. 石油與天然氣化工, 1999, 28(3):163-166.

［3］Tsutomu Endo. Next genetation of LNG regasification terminal through TG’s profound knowledge. www.tokyo-gas.co.jp.

［4］ 周姿潼. LNG 接收站 BOG 處理工藝流程模擬與優(yōu)化研究[D]. 西南石油大學(xué), 2014.

［5］ 顧安忠, 金國(guó)強(qiáng), 巨永林,等. 液化天然氣技術(shù)手冊(cè)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

［6］ 張成偉, 呂國(guó)鋒, 莊芳. LNG 儲(chǔ)罐中液化氣翻滾原因及預(yù)防[J]. 石油工程建設(shè), 2011, 37(6): 66-68.

Study on Energy Saving Measures of a LNG Terminal in South China Based on HYSYS Model

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（College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum(East China), Shandong Qingdao 266580，China）

The steady-state mathematical model of each device was established according to the production process of a LNG terminal in south China. The process was simulated by using HYSYS process simulation software,and the equipment energy consumption was obtained. The effect of some factors on energy consumption, such as components of LNG, amount of BOG, temperature of the output natural gas, were analyzed with single-factor analysis method. The results show that the energy consumption of the receiving station increases with the increase of the methane content of LNG,amount of BOG and temperature of the output NG. At last, some energy saving measures were put forward.

LNG terminal; energy consumption; HYSYS; steady-state simulation; energy saving

2017-03-20

安家榮（1963-），男，副教授，工學(xué)碩士，山東省濟(jì)寧市人，1987年畢業(yè)于華東石油學(xué)院石油儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，研究方向：從事油氣管道輸送技術(shù)、原油脫水和油田污水處理技術(shù)、稠油降黏等方面的研究工作。

王詩(shī)航（1993-），女，工學(xué)碩士，研究方向：供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)及空調(diào)工程。

TE 08

A

1004-0935（2017）05-0466-04