賈保印，胡本源，賀永利，宋媛玲，許 洋，田海星

1.中國寰球工程有限公司，北京 100012

2.中石油江蘇液化天然氣有限公司，江蘇南通 210000

在LNG 接收站實際運(yùn)營過程中，通常天然氣外輸管道的操作壓力隨著下游用戶用氣特點(diǎn)會在一定范圍內(nèi)無規(guī)則地波動。此外，在某些電力緊張的地區(qū)，當(dāng)?shù)卣疄榱苏{(diào)整用電高峰通常規(guī)定商業(yè)用電的白天電價遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于夜晚電價。為了降低運(yùn)行成本，LNG 接收站通常按照白天小流量外輸，晚上大流量外輸?shù)倪\(yùn)營方式，因此造成管道的操作壓力波動較大，這就需要能夠準(zhǔn)確掌握天然氣管網(wǎng)充壓過程的時間、充壓速率等規(guī)律，以指導(dǎo)實際操作過程?？山柚鷦討B(tài)模擬離線研究計算獲得上述數(shù)據(jù)和規(guī)律。

此外，LNG 接收站內(nèi)天然氣管道的設(shè)計壓力往往高于天然氣外輸管道的設(shè)計壓力，在正常操作過程中，需設(shè)置壓力高高聯(lián)鎖以關(guān)閉上游壓力源來保證下游天然氣外輸管道的安全，但該設(shè)置的效果和有效性取決于壓力高高聯(lián)鎖設(shè)定值取值的正確性。該取值取決于下游管道容積、上游天然氣來料流量、下游切斷閥的關(guān)閉時間等，難以通過定性來設(shè)定。此外，當(dāng)下游天然氣管道處于事故狀態(tài)時（如外輸管道破裂、下游站場著火等工況），需停止LNG 接收站天然氣外輸，并實施緊急泄壓以降低安全風(fēng)險。不同天然氣管網(wǎng)在操作壓力時降壓速率、降壓時間明顯不同，這也需操作人員準(zhǔn)確掌握不同初始狀態(tài)的降壓速率規(guī)律。

采用穩(wěn)態(tài)模擬計算方法基本上不能解決上述問題，只能引入動態(tài)模擬的計算分析方法。動態(tài)模擬在處理復(fù)雜混合物組成體系、流體超臨界狀態(tài)變化、安全泄放動態(tài)過程、工藝過程控制、安全評估以及生產(chǎn)操作培訓(xùn)等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。動態(tài)模擬引入時間變量，能夠計算獲取流程參數(shù)隨時間的變化，準(zhǔn)確反映工藝操作的動態(tài)變化過程，同實際生產(chǎn)過程基本吻合。動態(tài)模擬基于微分方程和偏微分方程，計算過程更為復(fù)雜，已被國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和工程公司大量應(yīng)用[1-15]。

本文以某LNG 接收站外輸管道的實際運(yùn)行工況為例，借助動態(tài)模擬軟件HYSYS，研究計算上述工況下天然氣外輸管網(wǎng)充壓過程和泄壓過程中工藝參數(shù)的動態(tài)變化趨勢，為安全設(shè)計和運(yùn)維提供指導(dǎo)。

1 天然氣外輸管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.1 工藝流程

本項目的主要工藝流程見圖1。

圖1 LNG 接收站天然氣輸送工藝流程

來自再冷凝器的LNG 進(jìn)入高壓LNG 泵入口管，經(jīng)高壓LNG 泵增壓后，從控制閥（HCV -101） 進(jìn)入開架式氣化器（ORV） 系統(tǒng)，氣化后進(jìn)入天然氣外輸管網(wǎng)。高壓LNG 泵系統(tǒng)設(shè)置有最小流量控制回路（FIC-101），以保證高壓LNG泵的流量維持在正常允許的最小流量以上；ORV入口管道設(shè)置有流量計和流量控制閥（FCV-102）用于控制LNG 的流量；LNG 接收站和天然氣外輸管網(wǎng)通過緊急切斷閥（ESDV-103） 實現(xiàn)緊急隔離；天然氣外輸管道分輸站距離LNG 接收站約15 km，分輸站末端設(shè)有切斷閥。

1.2 主要工藝參數(shù)

（1） 天然氣各組分含量和工藝參數(shù)見表1 ～2。

表1 天然氣各組分含量

表2 天然氣外輸管道的主要工藝操作參數(shù)

（2） 高壓LNG 泵的性能曲線。高壓LNG 泵的性能曲線如圖2 所示。

1.3 動態(tài)模型

計算過程利用HYSYS Dynamic 中的離心泵、管段、孔板等模塊建立模型，并借助流量控制閥、壓力控制閥、流量控制器、壓力控制器、電子表格和趨勢圖等模塊分析工具，研究了不同工況的工藝性能動態(tài)變化趨勢，模型頁面如圖3 所示。

圖2 高壓LNG 泵性能曲線

2 天然氣外輸動態(tài)模擬

2.1 動態(tài)模擬工況

天然氣外輸管道充壓和泄壓過程的動態(tài)響應(yīng)模擬工況包括：

工況一，研究當(dāng)天然氣外輸管道分輸站切斷閥關(guān)閉，而充壓最大流量為200 t/h 時，天然氣管道在8 000 ～9 500 kPa 不同初始壓力時，充壓時間與流量控制閥開度的關(guān)系。

工況二，研究當(dāng)天然氣外輸管道泄壓，而管道壓力為10 000 kPa 時，泄壓質(zhì)量流量、操作溫度和泄壓實際的變化。

圖3 天然氣外輸工藝動態(tài)模型頁面

2.2 動態(tài)模擬結(jié)果及分析

2.2.1 工況一計算結(jié)果及分析

工況一的計算結(jié)果如圖4 ～7 所示。

圖4 天然氣外輸管道外輸站緊急切斷閥關(guān)閉曲線

圖5 外輸管道充壓過程操作壓力隨時間的變化

從圖4 可看出，天然氣外輸管道分輸站緊急切斷閥從100%開度至完全關(guān)閉的時間為20 s。

圖6 在不同初始壓力充壓過程中管道儲氣物質(zhì)的量的變化

圖7 外輸管道充壓過程ORV入口流量調(diào)節(jié)閥開度變化

從圖5 可看出，當(dāng)外輸初始壓力由8 000 kPa增長到9 500 kPa 時，外輸管道的增壓過程耗費(fèi)時長從 19 960 s（約 5.54 h） 縮短為 1 686 s（約0.468 h），即隨著管道初始壓力的增大，達(dá)到天然氣管網(wǎng)設(shè)計壓力的時間在縮短。從圖6 可看出，外輸管道內(nèi)部存儲的天然氣質(zhì)量隨運(yùn)行時間的變化趨勢與操作壓力的變化趨勢相同。

天然氣外輸管道充壓過程ORV 入口流量調(diào)節(jié)閥開度變化曲線見圖7。從圖7 可看出，當(dāng)天然氣管道的初始壓力為8 000 kPa 時，隨著運(yùn)行時間的延長，F(xiàn)CV-102 的開度逐漸降低。這是因為隨著運(yùn)行時間的增加，天然氣管道壓力的不斷升高，該管道上的壓力信號就會通過串級控制ORV 入口流量控制閥，壓力充壓導(dǎo)致管道壓力逐漸升高，當(dāng)操作壓力高于壓力控制設(shè)定值時，控制回路會降低ORV 入口流量控制的設(shè)定值，進(jìn)而使得控制閥的開度逐漸降低。此外，外輸管道的初始壓力越高，ORV 入口流量控制閥的壓降就越小，需要流量控制閥的開度越大。上述計算結(jié)果同實際運(yùn)行工藝參數(shù)完全相符。

實際運(yùn)行過程中，天然氣外輸管道的充壓時間除受管道初始壓力、充壓小時流量的影響外，還受管道容積、管道下載量、環(huán)境溫度等因素的影響，管道容積越大，充壓時間越長，管網(wǎng)儲氣能力越強(qiáng)；管道下載量越大，充壓時間越長；環(huán)境溫度越高，天然氣管道最大儲氣能力越低。

2.2.2 工況二計算結(jié)果及分析

天然氣外輸管道在某些特定事故狀態(tài)下除中斷外輸外，還需進(jìn)一步泄壓，泄壓操作通常借助LNG 接收站的火炬系統(tǒng)來實現(xiàn)。API 521—2014 給出了緊急放空時間的推薦值：在泄漏、失效或火災(zāi)等緊急情況下，緊急放空系統(tǒng)可按照在15 min 內(nèi)將系統(tǒng)壓力降至690 kPa 為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計。

本文對天然氣外輸管道在最大工作壓力下依托LNG 接收站的火炬系統(tǒng)進(jìn)行泄壓操作進(jìn)行研究，同時計算和選擇泄放設(shè)施的流通能力。圖8 和圖9為天然氣管網(wǎng)壓力從初始壓力10 000 kPa 泄壓至690 kPa 過程中的操作壓力、儲氣質(zhì)量、操作溫度、質(zhì)量流量的變化曲線。

圖8 外輸管道泄壓過程中操作壓力和氣體質(zhì)量的變化

圖9 泄壓過程中的管道操作溫度和天然氣泄放流量的變化

從圖8 和圖9 可看出，當(dāng)天然氣管道由初始壓力10 000 kPa 開始泄壓時，管道壓力和管道儲氣質(zhì)量均在不斷下降，并且泄壓速率呈現(xiàn)下降趨勢。泄放氣體最大質(zhì)量流量約為78 t/h，發(fā)生在泄放剛開始階段，小于LNG 接收站已有火炬系統(tǒng)的處理能力，可通過火炬系統(tǒng)進(jìn)行部分排放，天然氣管道泄放至690 kPa 時需32 h（115 200 s），此時泄放設(shè)施的流通能力約為5 t/h。此外，泄放過程中下游溫度由于節(jié)流效應(yīng)而急劇降低，隨后由于天然氣管道吸收環(huán)境熱量，因而溫度不斷恢復(fù)甚至升高。

3 結(jié)論

對天然氣外輸管道充壓和泄壓過程的動態(tài)計算表明，動態(tài)模擬可真實模擬天然氣管網(wǎng)充壓和泄壓的實際過程，可離線給出充壓時間、流量、壓力等理論依據(jù)，可定量指導(dǎo)操作人員制定詳細(xì)準(zhǔn)確的開車啟動或檢維周期，節(jié)省了操作運(yùn)行成本，具有一定的經(jīng)濟(jì)性；同時可用于校核天然氣管道安全儀表系統(tǒng)聯(lián)鎖設(shè)定值及緊急切斷閥關(guān)閉時間的合理性，從而為工藝設(shè)計和運(yùn)行維護(hù)操作提供指導(dǎo)。