朱建魯， 宋存永， 李玉星， 李其銳， 宋 釗

(1.中國石油大學(xué)(華東) 油氣儲運工程國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，山東 青島 266580；2.中石化石油工程設(shè)計有限公司數(shù)字化工程設(shè)計所，山東 東營 257026)

0 引 言

將專業(yè)前沿的工程實踐情景融入教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生有機會接觸工程實踐、應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識[1-3]，有助于營造良好的科研氛圍，增強學(xué)生的研究能力、創(chuàng)新意識和專業(yè)知識掌握能力，激發(fā)學(xué)生投身科研的熱情[4-6]。

隨著人們環(huán)保意識的增強和經(jīng)濟社會的發(fā)展，作為一種新型環(huán)保能源，液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)越來越受歡迎[7]。近年來，我國沿海地區(qū) LNG 接收站建設(shè)和開發(fā)迅速發(fā)展，培養(yǎng)一批具有扎實的理論功底、熟練的實踐操作能力，能夠適應(yīng)LNG接收站設(shè)計、生產(chǎn)、建設(shè)、管理等崗位需要的高能力應(yīng)用型人才[8-10]，成為了石油高等院校的首要任務(wù)之一。由于LNG接收終端儲存有大量易燃易爆的LNG，一旦有違反安全操作規(guī)程的行為，將會引起爆炸等巨大安全事故，危險性極高，因此存在“實習(xí)無實操”的現(xiàn)象[11]。利用虛擬仿真實驗對LNG接收終端工藝流程進行模擬，不僅可以使學(xué)生形象、生動地理解和熟悉工藝流程，還能夠有效地提高學(xué)生的實操技能，為走向工作崗位、保證LNG接收終端安全穩(wěn)定運行打下堅實的基礎(chǔ)[9,12]。

以油氣儲運工程國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心(以下簡稱“實驗教學(xué)中心”)為依托，充分利用山東省油氣儲運安全重點實驗室研究成果，緊密結(jié)合LNG接收終端現(xiàn)場實際，改革專業(yè)實驗教學(xué)方法，完善專業(yè)實驗教學(xué)模式，采用業(yè)內(nèi)通用的化工過程軟件Aspen HYSYS，進行適用于本科教學(xué)中“軟件實訓(xùn)”課程的實驗設(shè)計，提高教學(xué)效果。

1 LNG接收終端工藝流程

LNG接收終端主要是接受外來LNG、儲存和外輸天然氣，包括LNG接收裝置、LNG儲罐、BOG壓縮機、BOG再冷凝器、氣化器等關(guān)鍵設(shè)備。圖1所示為典型的LNG接收終端工藝流程[13-14]。

圖1 LNG接收終端工藝流程

LNG運輸船?？縇NG接收終端碼頭后，通過船上的卸料泵將LNG從船艙排出，經(jīng)過卸料臂、卸船管線和再循環(huán)管線將LNG輸送到岸上的LNG儲罐存儲。同時，為了維持LNG船艙的壓力，岸上的BOG通過天然氣回氣臂返回艙內(nèi)。LNG一部分由罐內(nèi)潛液泵直接進入高壓外輸泵，另一部分與經(jīng)BOG壓縮機壓縮后的BOG混合進入再冷凝器，將BOG冷凝為LNG，之后經(jīng)外輸高壓泵升壓后分別進入氣化器氣化，氣化后的天然氣經(jīng)計量后通過輸氣管道送至用戶[15-16]。

2 LNG接收終端動態(tài)仿真的理論基礎(chǔ)

在Aspen HYSYS中，儲罐、分離器和氣化器采用集中參數(shù)法進行模型簡化，并忽略動量的變化，假設(shè)流體物性參數(shù)在空間是相等的，在分析中只考慮時間梯度，利用常微分方程進行描述[14]。壓縮機、泵和閥門的響應(yīng)時間與其他設(shè)備相比要小很多，可認為是準穩(wěn)態(tài)部件，按照穩(wěn)態(tài)模型處理[17]。

2.1 儲罐和分離器動態(tài)模型

質(zhì)量守恒計算公式：

(1)

能量守恒計算公式：

(2)

式中：下標1為進口，下標2為出口；V為儲罐或分離器的容積，m3；h為流體比焓，J·kg-1，其中下標V為氣相，下標L為液相；ρ為流體密度，kg·m-3；W為流量，kg·s-1。

2.2 壓縮機動態(tài)模型

能頭動態(tài)計算公式：

(3)

溫度計算公式：

(4)

式中：p1為進口壓力，Pa；p2為出口壓力，Pa；ρ1為設(shè)備入口流體密度，kg·m-3；n為多變系數(shù)；ηP為多變效率。

2.3 泵動態(tài)模型

能頭動態(tài)計算公式：

(5)

式中,η為泵效率。

2.4 氣化器動態(tài)模型

流量守恒計算公式：

(6)

能量守恒計算公式：

(7)

式中：CV為流通系數(shù)，kg·s-1[(Pa·kg·m-3)-1]1/2；Q為氣化器換熱量，J/s。

2.5 節(jié)流閥動態(tài)模型

(8)

式中：k為閥門開度，無量綱。

3 虛擬仿真實驗設(shè)計的教學(xué)目標

各個物理量參數(shù)的變化對LNG接收終端流程的性能都具有重要的影響。本實驗選取3個參數(shù)——外輸天然氣負荷、儲罐內(nèi)壓力、壓縮機功率，對其進行擾動，以此得到流程中幾個重要部位的響應(yīng)曲線，并觀察幾個控制的實現(xiàn)。其中：

(1) 根據(jù)天然氣用戶的用氣量波動頻繁、不同時段變化量大的特點，實驗中通過模擬用戶一天用氣量的波動，研究外輸天然氣負荷變化對LNG接收終端流程的性能影響；

(2) 環(huán)境熱量不可避免地傳遞到儲罐內(nèi)，被LNG液體吸收后蒸發(fā)成BOG，從而導(dǎo)致罐內(nèi)壓力增高，實驗中通過對儲罐增加熱損失，研究儲罐內(nèi)壓力變化對LNG接收終端流程的性能影響；

(3) 由于在啟動流程時壓縮機的功率會忽然增加，實驗中通過增加壓縮機功率擾動，研究其對LNG接收終端流程的性能影響。

4 LNG接收終端動態(tài)仿真模型的建立

根據(jù)工程實際，實驗設(shè)計時中通過設(shè)定設(shè)備的尺寸、選擇邊界條件等過程，建立了LNG接收終端動態(tài)仿真模型。模型中設(shè)立了兩套汽化系統(tǒng)，浸沒燃燒式氣化器作為備用。為了使流程更合理運行，需添加必要的控制系統(tǒng)。LNG接收終端動態(tài)仿真模型如圖2所示。模擬邊界條件為：CH497.0 mol%、C2H62.2 mol%、C3H80.4 mol%、N20.2 mol%,外輸天然氣壓力為8.5 MPa,流量為960 t/h;選用PR狀態(tài)方程。

圖2 LNG接收終端動態(tài)流程圖

4.1 安全閥的控制

當(dāng)壓力達到安全閥的設(shè)定值時，安全閥打開，排出氣體，降低儲罐壓力，防止儲罐內(nèi)壓力過大。安全閥的設(shè)定參數(shù)如下，開啟設(shè)定壓力：119 kPa；閥門全打開時的壓力：119.5 kPa；孔口截面積：9.00×10-2m2；閥門關(guān)閉壓力：118.5 kPa，回座壓力：118 kPa。

4.2 BOG再冷凝器的控制

4.2.1 BOG再冷凝器入口LNG流量的控制

為冷凝BOG所需的LNG流量由控制器FC1控制，控制點設(shè)定在進入再冷凝器的LNG管路上。FC1控制選用遠程、反作用方式，調(diào)整比例參數(shù)Kp為0.1，積分參數(shù)Ti為0.5。

4.2.2 BOG再冷凝器的壓力控制

BOG再冷凝器的高壓控制由控制器PC來完成。當(dāng)壓力過高時，打開閥門，釋放天然氣到BOG總管。PC控制選用遠程、正作用方式，壓力設(shè)定值為620 kPa，壓力設(shè)定范圍是0～700 kPa，調(diào)整參數(shù)Kp為1.0；Ti為0.5。

4.2.3 BOG再冷凝器的液位控制

當(dāng)再冷凝器的液位高出設(shè)定值60%時，通過控制器LC打開閥門，使天然氣進入再冷凝器，再冷凝器的壓力增高，從而其底部出口流速增加、再冷凝器液位降低。LC采用直接作用方式，液位設(shè)定范圍是(40～90)%，調(diào)整參數(shù)Kp為1.0，Ti為0.5。

4.3 外輸泵最小流量控制

為了控制外輸泵最小流量，模型中提供一條回流總管，由控制器FC2調(diào)節(jié)，回流返回再冷凝器。FC2控制選用遠程、反作用方式，流量設(shè)定值為16.74×106mol/h，流量設(shè)定范圍是(1～20)×106mol/h，調(diào)整參數(shù)Kp為0.005，Ti為0.1。

4.4 海水泵流量控制

海水泵流量控制由控制器FC3完成，在達到氣化的效果上，盡量減少能量的浪費?？刂泣c設(shè)在海水泵出口管線上。FC3控制選用遠程、反作用方式，流量設(shè)定值為5.323×108mol/h；流量設(shè)定范圍是(3～6)×108mol/h，調(diào)節(jié)參數(shù)Kp為0.5，Ti為0.1。

4.5 外輸流量控制

輸送至每臺氣化器的LNG流量由控制器FC4完成，其設(shè)定值根據(jù)下游用氣需求量確定?？刂泣c設(shè)在氣化器LNG進口管線上。FC4控制選用遠程、反作用方式，流量設(shè)定值為17×106mol/h，流量設(shè)定范圍是(15～18)×106mol/h，調(diào)節(jié)參數(shù)Kp為1.0，Ti為0.5。

5 LNG接收終端虛擬仿真實驗結(jié)果與分析

5.1 外輸天然氣負荷擾動對系統(tǒng)動態(tài)的影響

在模擬時，根據(jù)用戶的日用氣不均勻性來進行設(shè)定研究，得到了外輸天然氣負荷及外輸天然氣壓力的變化曲線，如圖3所示。由圖中可以看出，外輸天然氣輸出量變化曲線為類正弦曲線，其外輸壓力變化趨勢相反。

圖4所示為氣化后的LNG溫度和經(jīng)過海水泵的海水流量的響應(yīng)曲線。從圖中可以看出，對氣化LNG所需海水的流量應(yīng)根據(jù)天然氣流量變化而變化，但是由于控制器FC3的作用，海水流量是個恒定值。當(dāng)天然氣流量增加時，海水流量不變，則海水得到更深度的冷凝，所以海水溫度降低，反之，海水溫度升高。另外，經(jīng)過氣化器后的LNG溫度變化與流量變化呈相反的變化趨勢。這是由于當(dāng)LNG流量增加時，氣化器換熱量基本不變，所以溫度相應(yīng)減小。

(a) 海水響應(yīng)

(b) LNG溫度響應(yīng)

圖4 氣化流程的響應(yīng)曲線

圖5所示為再冷凝器入口BOG和LNG的響應(yīng)。從圖中可以看出，流入再冷凝器的BOG流量以平滑的正弦曲線趨勢變化，這是由于外輸LNG流量變化引起再冷凝器壓力變化造成的。LNG流量變化有相同的變化趨勢，由此可看出遠程控制FC1起到了作用。

圖5 再冷凝器入口BOG與LNG的流量響應(yīng)曲線

圖6所示為冷凝器液位控制和天然氣回流的響應(yīng)。從圖中可以看出，在控制器FC1的控制下，再冷凝器的液位一直處于60%左右，變化幅度很小。當(dāng)液位高于60%時，回流閥門打開，由于閥不能迅速閉合，所以NG回路中一直有流量，其流量大小由閥門的開度決定。

圖6 再冷凝器液位控制與NG回流響應(yīng)曲線

5.2 儲罐內(nèi)壓力擾動對系統(tǒng)動態(tài)的影響

實驗中，在t=20 min時，給儲罐添加2.82×107kJ/h的熱損失。

圖7所示為添加擾動后儲存系統(tǒng)的響應(yīng)。從圖中可以看出，添加了熱損失后儲罐溫度壓力不斷上升，由于BOG壓縮機功率恒定，BOG流量變化較小，壓縮機出口壓力增大，使得罐內(nèi)泵出口背壓升高，罐內(nèi)泵功率不變，排出的LNG流量不斷下降。在t=60 min時刻，儲罐壓力達到119 kPa，安全閥打開，儲罐壓力上升速度減小，在t=95 min時刻，儲罐壓力恒定，維持在119.3 kPa左右，整個流程也再次達到穩(wěn)定。

圖8所示為添加熱損失后，再冷凝工藝的響應(yīng)。從圖中可以看出，隨著擾動的加入，再冷凝器入口BOG溫度降低0.4 ℃，壓力升高1.2 kPa。這是由于，BOG流量增加，同時壓縮機功率不變，所以壓縮機出口壓力即進入再冷凝器的BOG壓力增加。在液位控制器LC的作用下，再冷凝器的液位維持恒定，其出口流量增加。

5.3 壓縮機功率擾動對系統(tǒng)動態(tài)的影響

實驗中，壓縮機功率在t=10 min時刻以W設(shè)=1.437×105kJ/h為基點，添加了200%的擾動。

(a) 儲罐的響應(yīng)

(b) 儲罐出口BOG與LNG流量響應(yīng)

(a) 再冷凝器入口BOG溫度和壓力響應(yīng)

(b) 再冷凝器壓力和液位控制響應(yīng)

圖9所示為壓縮機出口BOG在添加了擾動后的響應(yīng)。從圖中可以看出，隨著擾動的加入，壓縮機出口BOG流量和壓力都迅速增加。其中，流量增加到1 178 kmol/h，增幅182%，壓力增加后又減小，最后穩(wěn)定在620 kPa，稍大于原來穩(wěn)定值。系統(tǒng)在t=18 min時刻，再次達到平衡狀態(tài)。

圖10所示為再冷凝系統(tǒng)在添加了擾動后的響應(yīng)。從圖中可以看出，擾動加入后，在控制器FC1的作用下，再冷凝器入口LNG流量與壓縮機出口BOG流量的變化趨勢相同。由于入口BOG與LNG流量的增加，尤其是BOG流量的迅速增加，導(dǎo)致BOG再冷凝器壓力的忽然升高，且變化幅度較大，從而導(dǎo)致再冷凝器出口流量的增加，再冷凝器液位的降低。隨后，控制器PC打開閥門釋放BOG，t=12 min時刻再冷凝器壓力下降，在出口和入口LNG流量的共同作用下，再冷凝器的壓力經(jīng)過波動之后再次達到平衡，平衡壓力較擾動前提高了1%。同時，液位控制器LC調(diào)節(jié)LNG出口閥門，使再冷凝器的液位恢復(fù)到設(shè)定值。

圖9 壓縮機功率增加200%擾動后壓縮機出口BOG響應(yīng)

(a) 再冷凝器入口LNG流量響應(yīng)

(b) 再冷凝器壓力與液位控制響應(yīng)

圖11所示為儲存系統(tǒng)在添加了擾動后的響應(yīng)。從圖中可以看出，隨時間的變化，儲罐內(nèi)壓力小幅度下降，溫度小幅度升高。當(dāng)添加了擾動后，儲罐出口的BOG流量隨壓縮機出口BOG流量的變化而變化，8 min后的穩(wěn)定值較之前提高了182%。因罐內(nèi)潛液泵功率不變，所以儲罐出口的LNG流量的變化與再冷凝器入口LNG的壓力有相反的變化趨勢，穩(wěn)定后較擾動前的流量下降1.07%。

(a) 儲罐響應(yīng)

(b) 儲罐出口BOG與LNG流量響應(yīng)

6 結(jié) 語

通過建立LNG接收終端的動態(tài)模型，設(shè)計了LNG接收終端虛擬仿真實驗，分析了外輸天然氣負荷、儲罐壓力和壓縮機功率發(fā)生擾動時系統(tǒng)的動態(tài)特性：外輸天然氣負荷變化時，再冷凝器的液位能夠控制在60%左右，入口LNG流量隨入口BOG流量變化而變化；當(dāng)對儲罐增加了熱損失擾動時，工藝系統(tǒng)在75 min后再次達到穩(wěn)定；當(dāng)對壓縮機功率增加了200%的擾動時，工藝系統(tǒng)能夠在8 min后迅速穩(wěn)定，體現(xiàn)了實驗中所設(shè)置的控制器都起到了很好的控制作用，從而證實了LNG接收終端的動態(tài)特性良好。通過虛擬仿真實驗，學(xué)生可以學(xué)習(xí)Aspen HYSYS建模、動態(tài)工藝仿真計算、工況研究分析等方法，通過虛擬仿真軟件研究實際問題。這種將軟件實操與工程實際相結(jié)合的教學(xué)模式，有利于提高教學(xué)質(zhì)量，進一步培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)新的思維方式和技術(shù)手段。