蒙學(xué)昊，周 毅，李 萌，張海濤，朱永凱

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 天津 300452）

BOG（boiled-off-gas）是液化天然氣在工藝裝置的生產(chǎn)運(yùn)行中產(chǎn)生的閃蒸汽，由低溫 LNG 從環(huán)境中吸熱量氣化所致。BOG 氣體如果是直接排放或燃燒，不僅是對能源的浪費(fèi)，而且也會(huì)對環(huán)境造成污染。同時(shí)，整個(gè)液化裝置的壓縮機(jī)、制冷劑換熱器等關(guān)鍵設(shè)備的配置還會(huì)影響 BOG 的生成量和功率。

本次對船用 BOG 氮膨脹再液化裝置的流程進(jìn)行仿真優(yōu)化，BOG 和制冷劑的熱力學(xué)性質(zhì)是 BOG 再液化流程的設(shè)計(jì)、研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用過程中不可缺少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［1-2］。在仿真流程中，BOG 經(jīng)壓縮、冷卻，制冷劑經(jīng)壓縮、膨脹、加熱與冷卻，溫度、壓力都發(fā)生了很大變化，因此，精確計(jì)算 BOG 和制冷劑的熱力學(xué)參數(shù)是流程模擬的基礎(chǔ)［3-4］。

通過 Aspen Plus 對整個(gè)流程進(jìn)行仿真［5］、對工藝過程進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量和能量平衡計(jì)算，通過初始流程的仿真分析其優(yōu)勢與不足，進(jìn)而對流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 仿真原則

工藝流程仿真是整個(gè)再液化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)和依據(jù)，對整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等具有決定性作用，通過工藝流程仿真優(yōu)化實(shí)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行工況模擬，保證再液化裝置具有以下模擬原則和設(shè)計(jì)要求。

①功耗低。運(yùn)行再液化系統(tǒng)需要靠電力提供能量。過大的功耗會(huì)增加船舶的能量負(fù)荷，會(huì)使運(yùn)輸效率降低、成本增加。

②安全性和可靠性。當(dāng) BOG 再液化系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，為保證船舶和船員安全，必須把液貨艙內(nèi)的BOG 放空來釋放壓力，但這樣會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，因此，再液化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須保證足夠多的容錯(cuò)率。

③經(jīng)濟(jì)性。由于 BOG 再液化系統(tǒng)本身的造價(jià)較高，而且整個(gè)制冷系統(tǒng)消耗的功率較大，故一般來說，再液化系統(tǒng)的造價(jià)為全船造價(jià)的5%左右。

④操作方便。為使 LNG 船上工作人員盡快熟悉再液化流程的操作，要求設(shè)計(jì)再液化系統(tǒng)設(shè)備具有易操作性和便捷性。

⑤系統(tǒng)整體化。系統(tǒng)整體要模塊化制造安裝，要集成為一體，這樣能減少 BOG 再液化系統(tǒng)的建造周期。并且在LNG船中再液化系統(tǒng)為盡量避免占用太大的面積，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮空間的使用情況，以使得再液化系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)更加緊湊。

⑥設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化。對于再液化系統(tǒng)中的設(shè)備統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)可以進(jìn)行采購，以免去設(shè)計(jì)制造的成本和提高建造效率。

2 仿真流程介紹

2.1 物性的計(jì)算方法

在搭建流程之前，需將流程中所涉及到的所有物質(zhì)輸入到Aspen Plus Properties中，如圖1所示，本次仿真流程包括 CH4、C2H6、N2和Water。

圖1 Aspen Plus中輸入仿真流程中涉及的物質(zhì)Fig.1 Substance involved in simulation process in Aspen Plus

在物質(zhì)輸入完成后，需設(shè)定物性方法來計(jì)算物質(zhì)的性質(zhì)。Aspen Plus 中包含非常全面的物性方法，包括理想物性方法、基于特定組分的方法和狀態(tài)方程法。其中狀態(tài)方程法不僅可以計(jì)算不能從實(shí)驗(yàn)中獲取的熱力學(xué)性質(zhì)，而且可以表示大范圍內(nèi)P、V、T之間的函數(shù)關(guān)系，是理想的物性計(jì)算方法。狀態(tài)方程法中的 Peng-Robinson（PR）方程能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測液相摩爾體積，是最適合作為 BOG 再液化流程的物性計(jì)算方法。

2.2 仿真流程中的設(shè)備

2.2.1 壓縮機(jī)模型

壓縮機(jī)是再液化流程中最重要的設(shè)備之一，在流程中，氮?dú)庾鳛閴嚎s工質(zhì)，經(jīng)增壓、預(yù)冷后進(jìn)入膨脹機(jī)，為膨脹機(jī)制冷提供足夠壓力，壓縮機(jī)可選用Aspen Plus 中的 Compr 來模擬。

2.2.2 膨脹機(jī)

膨脹機(jī)是再液化系統(tǒng)產(chǎn)生冷量的唯一來源，高壓工質(zhì)氮?dú)馔ㄟ^膨脹機(jī)降低壓力，產(chǎn)生冷量的同時(shí)對外做功。對膨脹機(jī)而言，出口物流溫度較低，為防止液滴損壞葉輪，應(yīng)保證膨脹機(jī)出口物流帶液量盡可能低。

在 Aspen Plus 中，膨脹機(jī)的物流連接和內(nèi)部設(shè)定與壓縮機(jī)類似，只需在 Model 的選擇中選擇 Turbine即可，其余設(shè)置與 Compr 保持一致即可。

2.2.3 換熱器

在 Aspen Plus 中換熱器采用 MHeatX 模型，換熱器是再液化流程中的換熱設(shè)備，用于熱流與冷流之間的熱交換。本次仿真中的換熱器模型主要有 BOG 回?zé)釗Q熱器和 BOG 液化換熱器。BOG 回?zé)釗Q熱器的作用是將加壓后的 BOG 冷卻至一定溫度，進(jìn)而為后續(xù) BOG 液化做準(zhǔn)備。BOG 液化換熱器是一個(gè)多股流換熱器，這也是本次仿真的優(yōu)化點(diǎn)之一，該換熱器共有2條熱物流和1條冷物流。第一條熱物流是經(jīng)BOG 回?zé)釗Q熱器冷卻的 BOG，經(jīng)該換熱器后，BOG被冷凝為液態(tài)，經(jīng)處理后返回艙內(nèi)。第二條熱物流是經(jīng)壓縮后的常溫高壓氮?dú)?，?jīng)預(yù)冷后進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)行膨脹產(chǎn)生低溫氣體。冷物流是膨脹機(jī)出口的低溫氮?dú)猓糜跒?BOG 液化和預(yù)冷高壓氮?dú)?，是該仿真中的最低溫冷源?/p>

2.2.4 冷卻器

冷卻器是將流程內(nèi)部工質(zhì)熱量帶離流程之外的設(shè)備。再液化流程中，冷卻器用于壓縮機(jī)的級間冷卻和后冷卻，其能夠降低工質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)的溫度，以防止壓縮機(jī)溫度過高損害壽命。此外，壓縮機(jī)進(jìn)口溫度越小，功率越低。采用 Aspen Plus 中的 Heater 模塊模擬冷卻器，采用該模塊對物流進(jìn)行變溫時(shí)，僅需設(shè)定物流的出口溫度和壓力變化即可。

3 模塊參數(shù)設(shè)定

在流程仿真過程中，為滿足流程工藝及設(shè)備的要求，以及保證仿真過程更加真實(shí)，需設(shè)定一些固定條件和參數(shù)：

①BOG 壓縮機(jī)效率和出口壓力；

②氮?dú)鈮嚎s機(jī)效率和出口壓力；

③級間冷卻器出口溫度和壓降；

④膨脹機(jī)效率和出口壓力；

⑤BOG 回?zé)釗Q熱器壓降和熱端出口溫度；

⑥BOG 液化換熱器壓降、BOG 出口溫度和氮?dú)猓崃鳎┏隹跍囟取?/p>

采用 Aspen Plus 模擬軟件再現(xiàn)氮膨脹循環(huán)制冷工藝的整個(gè)過程，如圖2所示，初始仿真流程中部分模塊的流股參數(shù)如表1所示。

表1 初始仿真部分模塊的流股參數(shù)Tab.1 Stream parameters of some modules in initial simulation

圖2 初始仿真流程圖Fig.2 Initial simulation flowchart

4 仿真結(jié)果分析和優(yōu)化

4.1 BOG側(cè)循環(huán)仿真分析

基于仿真的最終目的，將BOG在液化換熱器中冷卻至-155℃并打回艙內(nèi)，因此，BOG 側(cè)的最終物流溫度為-155℃，且為液態(tài)。綜合考慮 BOG 液化換熱器的性能，BOG 液化換熱器進(jìn)口物流（0107）應(yīng)為液態(tài)或鄰近液態(tài)。同時(shí)，為保證BOG回?zé)崞餍阅埽?107物流不應(yīng)出現(xiàn)液態(tài)，否則 BOG 回?zé)釗Q熱器無法提供足夠冷量。綜上，0107物流應(yīng)處于接近氣液臨界處的氣態(tài)。圖3為 BOG 氣液平衡P-T曲線，由上所述，0101物流狀態(tài)應(yīng)在曲線下方，并盡可能接近該曲線。

圖3 BOG氣液平衡P-T曲線Fig.3 P-T curve of BOG gas-liquid balance

要想減小 BOG 壓縮機(jī)的功率，壓縮后的 BOG壓力應(yīng)盡量低，即減小壓縮機(jī)壓力比。然而氮?dú)饨oBOG 液化換熱器的冷量為定值（優(yōu)化時(shí) BOG 側(cè)時(shí)視為定值），因此，根據(jù)如下公式：

其中，Q為傳熱值，視為定值；m為BOG的質(zhì)量流量，恒為3 t/h；為質(zhì)量熱容，在較小溫度變化范圍內(nèi)視為定值；為 BOG 出口溫度，恒定為-155 ℃；為BOG 進(jìn)口溫度。由此，對于 BOG 液化換熱器而言，存在最高溫度。

因此，物流 0107 的壓力應(yīng)盡量取小值，壓力越小，液化溫度越低。同時(shí)考慮 BOG 回?zé)崞鞯男阅埽?107 的溫度有最低限制。綜合 BOG 考慮壓縮機(jī)功率和換熱器性能，0107 的物流溫度為-127 ℃、壓力為8.5 bar時(shí)，換熱性能最理想，整體消耗最低。

4.2 氮壓縮膨脹側(cè)循環(huán)仿真分析

氮壓縮膨脹側(cè)為制冷循環(huán)側(cè)，工質(zhì)經(jīng)壓縮機(jī)加壓、預(yù)冷后進(jìn)入膨脹機(jī)，在膨脹機(jī)出釋放壓力產(chǎn)生超低溫氣體，進(jìn)而冷卻 BOG。與此同時(shí)，膨脹機(jī)可回收一定功率，能夠降低流程總功率。因此，氮壓縮膨脹側(cè)的循環(huán)直接決定流程的冷量和所消耗功率，在保證冷量足夠的同時(shí)降低壓縮機(jī)功率是仿真的最終目的。

在仿真階段，換熱器的壓降固定為30 kPa，工質(zhì)的流量、壓縮機(jī)的壓力比和流量決定了制冷的冷量和功率。如表2所示，本次仿真分析了壓縮機(jī)的不同壓比和流量的組合對于流程整體功率的影響。

表2 不同流量和壓比仿真參數(shù)對比Tab.2 Comparison of simulation parameters of different flow and pressure ratios

由表2可知，在滿足冷量的前提下，壓力比和流量呈現(xiàn)反比趨勢，總功率隨著壓力的提高而降低。此外，根據(jù)壓縮機(jī)的流量和壓比性能，氮壓縮膨脹側(cè)壓縮機(jī)進(jìn)口壓力為5.55 bar，出口壓力為3 500 bar，流量為36 000 kg/h。

4.3 模塊的修改與優(yōu)化

4.3.1 BOG壓縮機(jī)

BOG 在增壓前需將其加熱至常溫，BOG 壓縮機(jī)將 BOG 加壓至一定壓力可以降低 BOG 的臨界溫度，有利于 BOG 液化換熱，從而降低工質(zhì)側(cè)耗功。綜合考慮換熱性能和整體功率，將 BOG 壓縮至9 bar，并通過回?zé)崞骼鋮s至-127 ℃，如圖4所示。

圖4 BOG壓縮機(jī)模擬參數(shù)設(shè)定界面Fig.4 Setting interface of BOG compressor simulation parameters

4.3.2 氮?dú)鈮嚎s機(jī)

氮?dú)鈮嚎s機(jī)的流量和壓力比決定了再液化流程的最低溫度和功率，流量和壓力比越大，耗功越大。在保證流程中冷量足夠的前提下，應(yīng)盡量減小流量和壓力比?；趯?BOG 液化換熱器性能考慮，冷源溫度應(yīng)保持在168 ℃以下，壓縮機(jī)采用三級壓縮，流量設(shè)為36 000 kg/h，出口壓力設(shè)為3 200 kPa，壓力比設(shè)為5.517，如圖5所示。

圖5 氮?dú)鈮嚎s機(jī)模擬參數(shù)設(shè)定界面Fig.5 Setting interface of nitrogen compressor simulation parameters

4.3.3 膨脹機(jī)

膨脹機(jī)的入口壓力設(shè)為31.40 bar，出口壓力設(shè)為6.2 bar，等熵效率為85%，如圖6所示。

圖6 膨脹機(jī)模擬參數(shù)設(shè)定界面Fig.6 Setting interface of expander simulation parameters

4.3.4 換熱器

在原仿真流程中共包括 3 個(gè)換熱器模型，在優(yōu)化流程中可將氮?dú)饣責(zé)崞髋c BOG 液化換熱器集成，即做成一臺(tái)多股流換熱器，如圖7所示。多股流換熱器的優(yōu)勢在于傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)性強(qiáng)，特別對于船用設(shè)備，是較為理想的選擇。

圖7 新優(yōu)化仿真流程Fig.7 New optimization simulation process

在新的優(yōu)化仿真流程中只有 2 個(gè)換熱器模型，即 BOG 回?zé)崞髋c BOG 液化換熱器。BOG 回?zé)崞髯饔檬菫?BOG 預(yù)冷降溫，降溫到合適溫度時(shí)進(jìn)入液化換熱器中。其中冷流為艙內(nèi)的 BOG，熱源為經(jīng)壓縮后的 BOG，通過回?zé)釗Q熱器，BOG 被冷卻至-127 ℃，壓力為8.5 bar，接近鄰近溫度，如圖8所示。

圖8 BOG回?zé)崞髂M參數(shù)設(shè)定界面Fig.8 Setting interface of BOG heating device simulation parameters

BOG 液化換熱器是一臺(tái)三股流換熱器，冷流為膨脹機(jī)出口低溫介質(zhì)，2 條熱流分別為經(jīng)預(yù)冷后的BOG和經(jīng)后冷卻的壓縮機(jī)出口工質(zhì)，參數(shù)設(shè)定如圖9所示。

圖9 BOG液化換熱器模擬參數(shù)設(shè)定界面Fig.9 Setting interface of BOG liquefied heat exchanger simulation parameters

4.3.5 冷卻器

仿真涉及2個(gè)冷卻器，分別為E-0101、E-0102、E-0103、E-0201、E-0202、E-0203，壓降均為30 kPa，具體設(shè)定如圖10所示。

圖10 冷卻器模擬參數(shù)設(shè)定界面Fig.10 Setting interface of cooler simulation parameters

5 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化后的仿真與原有流程的最大改進(jìn)在于基于換熱器的實(shí)際制造性能對氮?dú)饣責(zé)崞骱虰OG液化換熱器進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)，形成了一套多股流換熱器。根據(jù)換熱性能，尋找到了合理的膨脹機(jī)出口溫度，達(dá)到了節(jié)能目的，經(jīng)優(yōu)化后的主要參數(shù)值如表3所示。

表3 優(yōu)化后主要參數(shù)值Tab.3 Main parameters after optimization

在優(yōu)化狀態(tài)下，計(jì)算工藝流程部分節(jié)點(diǎn)參數(shù)見表4。根據(jù)參數(shù)，計(jì)算出所需要分析的重要性能參數(shù)值，并與優(yōu)化前的工藝流程進(jìn)行比較，優(yōu)化后的工藝流程以下各方面得到了改善。

表4 優(yōu)化后計(jì)算工藝流程部分節(jié)點(diǎn)參數(shù)Tab.4 Some node parameters of calculation process after optimization

5.1 BOG 液化換熱器集成

將原流程中氮?dú)饣責(zé)崞骱?BOG 換熱器集成為一臺(tái)多股流換熱器，其換熱性能更好，設(shè)備成本更低，整體占地空間更小。

5.2 功率

經(jīng)優(yōu)化后的流程壓縮膨脹一體機(jī)和壓縮機(jī)電消耗功率為2 194.823 kW，原功率為2 250.368 kW，節(jié)約55.55 kW。

6 結(jié) 論

根據(jù)已有的流程仿真參數(shù)對原流程進(jìn)行了計(jì)算，根據(jù)再液化仿真原則提出了對流程的修改意見，并采用Aspen Plus對流程所設(shè)計(jì)的主要設(shè)備進(jìn)行了模塊化處理，以求得最佳工藝參數(shù)。得到如下結(jié)論：

①在選取仿真的物性方法方面，Aspen Plus 里的狀態(tài)方程法中的 PR 方程與 BOG 再液化流程最為契合，可作為BOG再液化流程的物性計(jì)算方法；

②采用 Aspen Plus 對 BOG 再液化過程進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬，對流程中設(shè)計(jì)的設(shè)備模型進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并對模型參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后的參數(shù)不僅能滿足冷量要求，還可以降低整體功率、節(jié)約成本；

③將氮?dú)饣責(zé)崞骱?BOG 換熱器集成為一臺(tái)多股流換熱器，再液化流程的換熱性能會(huì)更好，設(shè)備成本更低，整體占地空間更小?！?/p>