石油与天然气化工  2017, Vol. 46 Issue (5): 36-40
LNG储罐底部进料管线操作负压工况的模拟分析
贾保印 , 曾招朋 , 白改玲     
中国寰球工程有限公司
收稿日期：2017-04-20
作者简介：贾保印(1983-), 男, 山东聊城人, 工程师, 2009年毕业于天津大学化工学院化学工艺专业, 研究生学历(工学硕士), 现就职于中国寰球工程公司, 从事天然气液化和LNG接收站的工程设计、研究工作, 发表论文近10篇, 多次获司局级科技奖励。E-mail:jiabaoyin@hqcec.com.
摘要：基于液化天然气接收站的LNG储罐系统，应用HYSYS Dynamic流程模拟软件，建立LNG储罐底部进料系统的动态模型，研究LNG储罐底部进料管线的操作压力随不同进料流量和流体温度变化的动态响应过程。分析表明：在工艺设计过程中LNG储罐的底部进料管线应考虑负压设计工况，确保管线设计的安全；动态模拟能够清晰地反映工艺系统随扰动变化的动态响应特性，指导工程设计。
关键词：LNG储罐    底部进料口    负压    动态模拟    进料流量    
Simulation and analysis of the negative pressure operation condition of LNG tank bottom feed line
Jia Baoyin , Zeng Zhaopeng , Bai Gailing     
China Huanqiu Contracting & Engineering Corp., HQCEC, Beijing, China
Abstract: A dynamic model of LNG tank unloading system has been developed by the process simulation software-HYSYS Dynamic based on a real specified LNG tank. Dynamic responses of the operation pressure of bottom feed line have been studied according to the factors including feed flow rate and feed temperature. The results show that the negative pressure operation condition of the bottom feed line shall be considered to guarantee the safety of the bottom line design, and dynamic simulation could be clearly reflected to the dynamic response of bottom feed line operating pressure, and used to instruct the engineering design.
Key Words: LNG tank    bottom feed line    negative pressure    dynamic simulation    feed flow rate    

HYSYS Dynamic模块可用于模拟分析并指导原油生产、储运系统的运行，反映实际生产中流量、温度、压力、产品组成等随时间及其他干扰因素的响应变化过程，指导化工生产装置的正常操作、稳定运行[1-3]，已被国内外研究机构和工程公司大量应用[4-11]。

国内已建成投产或在建的液化天然气(以下称LNG)储罐大部分采用9%Ni钢内罐预应力混凝土外罐的全容罐(简称FCCR)，它是由9%Ni钢制内罐、9%Ni钢制底角保护、铝合金吊顶、16MnDR钢衬板(外罐内壁)和预应力混凝土外罐组成。内罐用来储存LNG，内罐和外罐之间盛装绝热材料，可减少热量传入[12-14]，外罐用来密闭蒸发气气体，可在内罐泄漏情况下承装液化天然气，还可承受一定的热辐射及冲击载荷。

通常LNG储罐设有2根进料管，分别为顶部进料管线和底部进料管线。LNG既可以从顶部进料，也可以通过罐内插入立式进料管实现底部进料，进料方式主要取决于待卸的LNG与储罐内已有LNG的密度差，可通过控制LNG储罐顶部和底部的进料阀来调节LNG顶部和底部进料的方式。若待卸LNG比储罐内LNG密度大，则待卸的LNG从储罐顶部进入，反之，待卸LNG从储罐底部进入，这样可有效防止储罐内LNG出现分层、翻滚现象。在LNG储罐的进料总管上设置紧急切断阀，可在紧急情况时隔离LNG储罐与进料管线，如图 1所示。

图 1     LNG储罐的底部进料管线示意图 Figure 1     Bottom feed line of LNG tank

LNG储罐进料来源通常有LNG槽车、LNG运输船和液化装置，LNG储罐的底部进料管线形式主要分为整体式底部进料管线和分体式底部进料管线，其中整体式结构应用最广。在工程项目中，LNG储罐底部进料管线的设计压力通常考虑正压，约等于卸料管线或者低压泵出口管线的设计压力，极少规定设计负压值。此外，很少有文献探讨分析或规定LNG储罐底部进料管线的负压工况。而在实际工程项目中，LNG储罐底部进料管线在一些工况下往往会产生负压。

本文以实际工程项目中全容罐的整体式底部进料管线为例，利用伯努利方程计算稳态流动下底部进料管线的操作压力，初步阐述负压现象的产生；并应用HYSYS Dynamic流程模拟软件，建立LNG储罐底部进料系统的动态模型，寻求操作过程中产生负压的原因，研究LNG储罐底部进料管线的操作压力随着进料流量和流体温度等扰动变化时的动态响应过程，为实际工程设计提供参考。

1 计算基础

为了简化处理，LNG的组成按照纯甲烷考虑，某工程项目的底部进料管线的主要操作参数见表 1。

表 1    LNG储罐底部进料主要操作参数 Table 1    Main operation parameters of LNG tank bottom feed gas

2 稳态计算模型和分析
2.1 稳态计算模型

以控制阀出口端面和底部进料口末端界面列出伯努利方程，如下所示：

$ \frac{{{p}_{2}}}{{{\rho }_{2}}\cdot g}+\frac{\upsilon _{^{2}}^{2}}{2g}+{{Z}_{2}}=\frac{{{p}_{0}}}{{{\rho }_{0}}\cdot g}+\frac{\upsilon _{0}^{2}}{2g}+{{Z}_{0}}+\mathit{\Sigma } {{H}_{\rm{f}}} $ (1)
$ {{p}_{2}}=\left[\frac{{{p}_{0}}}{{{\rho }_{0}}\cdot g}+\mathit{\Sigma } {{H}_{\rm{f}}}-(\frac{\upsilon _{^{2}}^{2}}{2g}-\frac{\upsilon _{^{0}}^{2}}{2g})-\left( {{Z}_{2}}-{{Z}_{0}} \right) \right]\cdot {{\rho }_{2}}\cdot g~ $ (2)
$ \mathit{\Sigma } {{H}_{\rm{f}}}=\lambda \cdot \frac{l}{D}\cdot \frac{\bar{v}^{2}}{2g} $ (3)

式中：p2为控制阀出口处表压，kPa; p0为LNG储罐的操作压力(表压，下同)，kPa; ρ2为控制阀出口处的流体密度，kg/m3; υ2为控制阀出口处的流速，m/s; ρ0为控制阀出口处的流体密度，kg/m3; υ0为控制阀出口处的流速，m/s; Z2-Z0为两端面的相对标高，m; ΣHf为底部进料管线阻力损失，m; λ为摩擦阻力系数; l为底部进料管线当量长度，m; D为底部进料管线直径，m; v为流体的平均流速，m/s。

2.2 计算结果分析

稳态状态下，假定控制阀下游管线内流体未发生相态变化，底部进料管线充满液相，将表 1中的数据带入公式(2)和公式(3)，计算得到绝对压力约为-40 kPa。此时，底部进料管线压力小于全真空，是不可能发生的。

在实际运行过程中，当LNG储罐底部进料管线的操作压力降低至入口LNG的饱和蒸汽压以下时，LNG会发生相变产生气相，此时底部进料管线中为气液两相，两相流的存在会影响进料口中流体的密度和进料管内流体的流动状态，进而影响底部进料管线的静压头损失和摩擦阻力损失，最终会影响底部进料管线内流体的操作压力。因此，采用静态计算模型无法准确计算流体的流动状态、静液柱压力和摩擦阻力损失，需要借助HYSYS Dynamic建立动态模型准确计算流体的动态流动过程以及工艺参数的变化。

3 动态计算模型和分析
3.1 动态计算模型

影响LNG储罐底部进料口管线负压的因素较多，如进料流量、进料流体温度、流体组成、管线粗糙度、LNG储罐压力、保冷循环量以及阀门紧急切断等因素扰动变化等。本文仅研究不同进料流量和进料流体温度变化时，LNG储罐底部进料管操作压力的动态响应变化过程。为了便于准确分析LNG储罐底部进料管线不同位置的操作参数，现将底部进料管线平均分为4段，每段长度为10 m。

采用HYSYS Dynamic中的管段模块建立模型，利用趋势图来研究LNG储罐底部进料管线操作压力的动态变化趋势。由于在模拟过程中需多次输入流量、压力等参数，软件操作繁琐，为了提高输入不同工况参数的操作效率，在动态模型中增加了流量控制器、电子表格等模块工具，动态模型如图 2所示。

图 2     LNG储罐底部进料口的动态模型 Figure 2     Dynamic model of LNG tank bottom feed line

3.2 进料流量对LNG储罐底部进料管线的操作压力的影响

当LNG储罐的进料流体温度为-157 ℃时，考察LNG储罐进料流量变化(60~5 000 m3/h)对底部进料管线不同长度的压力、流速等操作参数的影响，并分析操作压力变化的原因。

从图 3可以看出，当LNG储罐进料流量为5 000 m3/h时，LNG储罐底部进料管线操作压力沿着从上到下的方向从25.13 kPa逐渐降低至LNG储罐的操作压力15 kPa, 气相摩尔分数沿着从上到下的方向从0.020 8逐渐升高至0.028 37;从图 5可以看出，当LNG储罐进料流量为60 m3/h时，LNG储罐底部进料管线操作压力沿着从上到下的方向从-4.55 kPa逐渐增大至LNG储罐的操作压力15 kPa, 气相摩尔分数沿着从上到下的方向从0.044逐渐降低至0.028 21。

图 3     流量5 000 m3/h的操作压力和气相摩尔分数 Figure 3     Operation pressure and vapor molar fraction at flow rate of 5 000 m3/h

图 5     流量60 m3/h的操作压力和气相摩尔分数 Figure 5     Operation pressure and vapor molar fraction at flow rate of 60 m3/h

从图 4可以看出，当LNG储罐进料流量为5 000 m3/h时，LNG储罐底部进料管线相同长度管段的摩擦阻力损失沿着从上到下的方向从9.02 kPa逐渐升高至10.90 kPa，每段摩擦阻力损失不同，最大相差20%，相同长度的管段静压头损失沿着从上到下的方向从8.14 kPa逐渐降低至6.10 kPa，每段静压头损失不同，最大相差25%；从图 6可以看出，当LNG储罐进料流量为60 m3/h时，LNG储罐底部进料管线相同长度管段的摩擦阻力(表压)损失沿着从上到下的方向从0.007 kPa逐渐降低至0.005 kPa，每段摩擦阻力损失不同，最大相差28%；相同长度管段的静压损失沿着从上到下的方向从3.92 kPa逐渐增大至6.14 kPa，每段静压力损失不同，最大相差56%。

图 4     流量5 000 m3/h的摩擦阻力和静压损 Figure 4     Frictional resistance and static pressure loss at flow rate of 5 000 m3/h

图 6     流量60 m3/h的摩擦阻力和静压损 Figure 6     Frictional resistance and static pressure loss at flow rate of 60 m3/h

从图 7可以看出，当LNG储罐进料流量从60 m3/h逐渐增大至5 000 m3/h时，LNG储罐底部进料管线的操作压力从-4.56 kPa逐渐升高至25.12 kPa, 气相摩尔分数从0.044逐渐降低至0.020 8。

图 7     不同流量下的操作压力和气相摩尔分数 Figure 7     Operation pressure and vapor molar fraction at different flow rate

通过分析以上数据得出：

(1) 由于LNG储罐内流体的质量焓值同进料源流体的质量焓值不同，流体进入LNG储罐过程中会发生闪蒸现象，部分液体发生气化，底部进料管线出现气液两相，一方面会造成底部进料管线内流体的体积流量发生变化，流体流速不同，相应的摩擦阻力损失不同；另一方面会造成管线内流体的平均密度变小，远小于表 1中流体的密度，造成静压头损失远远小于静态模型中的计算值。

(2) 从公式(2)可以知道，影响底部进料管线操作压力的直接因素为管线的摩擦阻力损失和静压头损失。当流量为5 000 m3/h时，底部进料管线的摩擦阻力损失占主导作用，造成底部进料管线的操作压力沿着从上到下的方向逐渐减小至LNG储罐压力，均为正压；当流量为60 m3/h时，底部进料管线的静压头损失占主导作用，造成底部进料管线的操作压力沿着从上到下的方向逐渐增大至LNG储罐压力，在管道的部分管段出现负压现象。

(3) LNG储罐的进料流量越小，底部进料管线顶端处的操作压力越低，甚至会出现负压，因此，在设计阶段应该考虑底部进料管线的负压工况。

3.3 进料流体温度对LNG储罐底部进料管线的操作压力的影响

当LNG储罐的进料流量为3 000 m3/h时，考察进料流体温度变化(-163~-157 ℃)对进料管线顶端处的操作压力的影响，并分析操作压力变化的原因。

从图 8可以看出，LNG储罐进料流量为3 000 m3/h，当进料流体温度由-163 ℃升至-157 ℃时，LNG储罐底部进料管线顶端的操作压力从-42.84 kPa逐渐增大至-9.1 kPa。由此可以看出，进料温度越低，发生闪蒸的程度越低，底部进料管线的摩擦阻力损失变化较小，静压头损失占主导作用，导致进料管线顶端的操作压力越低，真空度越高。

图 8     不同进料流体温度下的操作压力 Figure 8     Operation pressure at different flow temperature

4 结论

本文采用HYSYS Dynamic流程模拟软件建立LNG储罐底部进料管线的动态模型，计算和分析了进料流量和流体温度变化对LNG储罐底部进料管线操作压力的影响，其结论如下：

(1) 在工程设计过程中，LNG储罐底部进料管线应考虑负压设计工况，宜考虑全真空设计。

(2) 采用稳态模拟不能准确反映LNG储罐底部进料管线的操作参数，如有必要应借助软件的动态模块来模拟计算流体的实际操作参数，指导工程设计。

(3) 进料温度相同时，进料流量越小，LNG储罐底部进料管线顶端处的操作压力越低，甚至会出现负压。管线的摩擦阻力损失和静压头损失的主导地位是随着进料流量逐步变化的。

(4) 进料体积流量相同时，进料流体温度越低，发生闪蒸的程度越低，静压头损失占主导作用，进料管线顶端的操作压力越低，真空度越高。

(5) 动态模拟能够清晰地反映工艺系统随扰动变化的动态响应特性，指导工程设计。

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