LNG接收站裝船管道壓力安全泄放設(shè)施的動(dòng)態(tài)模擬

李慶華，許 燕

無(wú)錫厚德石化工程設(shè)計(jì)有限公司，江蘇無(wú)錫 214112

1 研究背景

LNG 接收站中液化天然氣的外輸主要包括天然氣氣態(tài)外輸和LNG 裝車(chē)液態(tài)外輸兩種方式，其中通常以氣化后的氣態(tài)外輸為主，但是隨著天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃和“氣化長(zhǎng)江”政策下內(nèi)河船舶“油改氣”措施的推進(jìn)，內(nèi)河的小型LNG氣化站、輸配站、調(diào)峰站及加注站的市場(chǎng)越來(lái)越大[1]。“十三五”規(guī)劃要求綜合考慮液化天然氣（以下稱(chēng)LNG） 資源供應(yīng)、船用加注需求、港口規(guī)劃和通航等條件，在沿海港口、湖泊和內(nèi)河船舶污染物排放超標(biāo)、環(huán)保要求高的水域布局LNG船舶加注站碼頭，加大船用LNG 燃料推廣力度，開(kāi)展LNG 江海轉(zhuǎn)運(yùn)試點(diǎn)。LNG 運(yùn)輸船裝船的國(guó)內(nèi)短途運(yùn)輸成為管道輸配、LNG 槽車(chē)運(yùn)輸?shù)闹匾a(bǔ)充手段[2]，因此已建LNG 接收站項(xiàng)目的碼頭及工藝設(shè)施均在籌備進(jìn)行技術(shù)改造，發(fā)展LNG 接收站的裝船業(yè)務(wù)；新建LNG 接收站項(xiàng)目的碼頭及工藝設(shè)施均按照裝船和卸船多功能進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造，甚至某些LNG 接收站設(shè)置和規(guī)劃專(zhuān)用裝船碼頭，大力發(fā)展LNG 液態(tài)產(chǎn)品外輸?shù)臉I(yè)務(wù)[3]。

在LNG 接收站實(shí)施裝船功能改造過(guò)程中，受限于LNG 接收站自身已有工藝技術(shù)路線、外輸要求、管道布置及外輸邊界條件等因素，LNG 接收站改造的裝船系統(tǒng)極有可能存在先天缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致存在運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)[4-10]。本文以某實(shí)際LNG 接收站改造裝船工藝為例，分析其改造過(guò)程中存在的安全隱患，并采用HYSYS 動(dòng)態(tài)模擬軟件定量分析風(fēng)險(xiǎn)后果，優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)合理的安全閥泄放設(shè)施，在保障裝置安全可靠的前提下盡可能降低工程投資費(fèi)用。

2 LNG接收站改造裝船工藝

某LNG 接收站共設(shè)置1 座LNG 碼頭，只能通過(guò)改造碼頭的卸船設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)裝船功能，通過(guò)在低壓LNG 泵外輸總管和卸船總管間增設(shè)裝船跨線，實(shí)現(xiàn)將低壓LNG 泵外輸總管中的液化天然氣輸送至裝船管道，經(jīng)裝船管道反輸至LNG 碼頭進(jìn)行裝船。該低壓LNG 泵外輸總管的操作壓力2.4 MPa，設(shè)計(jì)壓力3.4MPa，卸船總管操作壓力通常為0.3MPa，設(shè)計(jì)壓力為1.2 MPa，兩個(gè)系統(tǒng)的操作壓力相差極大，因此需在低壓LNG 泵外輸總管和卸船總管的跨線上設(shè)置壓力控制閥。采用動(dòng)態(tài)模擬軟件搭建上述工藝流程的動(dòng)態(tài)模型，此模型主要設(shè)置有壓力控制器（PIC-100） 和傳遞函數(shù)（ON/OFF），其中壓力控制器為反饋控制，如圖1 所示。

圖1 裝船工藝流程的動(dòng)態(tài)模型

來(lái)自低壓LNG 泵外輸總管的LNG 經(jīng)過(guò)緊急切斷閥（XV -101） 由壓力控制閥（PCV -101）調(diào)壓，而后接入裝船管道輸送至LNG 碼頭，完成裝船作業(yè)。

2.1 LNG的組成及裝船系統(tǒng)的工藝參數(shù)

本項(xiàng)目裝船系統(tǒng)的LNG 組分組成和工藝操作參數(shù)見(jiàn)表1 和表2。

表1 LNG 組分含量

表2 裝船系統(tǒng)工藝操作參數(shù)

2.2 LNG接收站裝船工藝改造的潛在問(wèn)題

由于外輸總管和卸船總管操作壓力相差極大，因此在跨線上設(shè)置了壓力控制閥來(lái)降低壓力，可維持正常的裝船操作。但當(dāng)下游切斷閥（XV-102）因故障狀態(tài)而關(guān)閉時(shí)，上游高壓LNG 可能會(huì)造成裝船總管壓力升高，形成超壓危險(xiǎn)環(huán)境，并且此壓力升高過(guò)程是隨著下游切斷閥（XV-102） 故障關(guān)閉過(guò)程而動(dòng)態(tài)變化的，因此采用動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行壓力升高過(guò)程的計(jì)算，以分析裝船系統(tǒng)壓力的變化趨勢(shì)。

維持裝船持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行5 min，然后關(guān)閉切斷閥（XV-102），切斷閥的關(guān)閉時(shí)間為12 s，維持裝船過(guò)程運(yùn)行至第7 min，然后停止模擬，分析研究此段時(shí)間內(nèi)裝船跨線和裝船管道各位置的壓力變化趨勢(shì)，壓力控制回路的反饋控制調(diào)節(jié)性能以及裝船流量變化趨勢(shì)。結(jié)果如圖2 和圖3 所示。

圖2 XV-102 關(guān)閉工況各物流連接處壓力變化趨勢(shì)

圖3 XV-102 關(guān)閉工況裝船流量和PCV-101 開(kāi)度的變化趨勢(shì)

從圖2 可知前5 min 內(nèi)LNG 裝船跨線和裝船管道的壓力相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)切斷閥（XV-102） 在第5 min 開(kāi)始關(guān)閉時(shí)，裝船管道物流連接處（以下簡(jiǎn)稱(chēng)物流） 4 操作壓力迅速?gòu)?00 kPa 升高至1 450 kPa；物流5 操作壓力幾乎同時(shí)開(kāi)始升高，最終維持同物流4 相同的操作壓力；物流3 操作壓力也稍有升高，最終達(dá)到2 400 kPa。

當(dāng)?shù)? min 所有物流達(dá)到穩(wěn)定壓力時(shí)，物流3的操作壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于物流4 和物流5 操作壓力，主要因?yàn)閴毫刂苹芈贩答伩刂脐P(guān)閉壓力控制閥（PCV-101），實(shí)現(xiàn)了裝船跨線和裝船管道的隔離，從一定程度上減少了管道靜壓力的傳遞。從圖3 也能看出壓力控制閥開(kāi)始關(guān)閉切斷閥（XV-102） 稍有延遲，裝船流量將會(huì)迅速降低。

綜上所述，裝船管道下游切斷閥故障狀態(tài)會(huì)造成裝船管道超壓，甚至?xí)p壞管道，形成安全隱患，應(yīng)在裝船管道壓力控制閥下游設(shè)置安全泄放設(shè)施，保證裝卸系統(tǒng)的本質(zhì)安全。

2.3 裝船管道壓力泄放設(shè)施計(jì)算

為避免裝船管道超壓，需在裝船管道壓力控制閥下游設(shè)置安全閥，安全閥出口排放至就近的分液罐。按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定推薦的計(jì)算方法，該超壓工況屬于出口堵塞工況，安全閥的泄放流量應(yīng)至少為上游來(lái)料流量（約500 t/h），需較大尺寸的安全閥和進(jìn)出口管道，由于持續(xù)時(shí)間無(wú)法定量判斷，造成超壓泄放的LNG 排放目的地選擇困難的局面。

采用HYSYS 軟件分別計(jì)算了五種不同尺寸的安全閥喉徑對(duì)裝船系統(tǒng)保護(hù)的效果，最終選擇合理喉徑面積的安全閥。五種不同尺寸的安全閥喉徑截面積分別為 S1= 71 mm2、S2= 126.5 mm2、S3=198.1 mm2、S4=506.5 mm2、S5=830.3 mm2。采用逐個(gè)校核方式計(jì)算安全閥喉徑面積是否滿(mǎn)足安全泄放要求，以喉徑面積S1= 71 mm2的安全閥為例，計(jì)算此時(shí)裝船系統(tǒng)壓力和流量的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

圖4 XV-102 關(guān)閉、安全閥（S1） 泄放工況的壓力變化趨勢(shì)

圖5 XV-102 關(guān)閉、安全閥 （S1） 泄放工況的安全閥開(kāi)度和質(zhì)量流量變化趨勢(shì)

從圖4 和圖5 可以看出，當(dāng)選用喉徑面積為S1的安全閥時(shí)，切斷閥（XV-102） 關(guān)閉時(shí)安全閥全開(kāi)并持續(xù)25 s，安全閥開(kāi)度從0 迅速達(dá)到100%狀態(tài)，安全閥全開(kāi)的最大質(zhì)量流量為8.5 t/h，裝船管道的最大壓力約為1 430 kPa，大于安全閥泄放壓力（1 320 kPa），裝船管道存在超壓風(fēng)險(xiǎn)，因此喉徑面積為S1的安全閥無(wú)法作為卸船管道超壓的有效安全保護(hù)措施。

逐步核算安全閥喉徑面積分別為S2、S3、S4、S5時(shí)裝船系統(tǒng)物流5 的壓力變化趨勢(shì)，如圖6 所示。從圖6 可以看出，隨著安全閥喉徑面積逐漸增大，下游切斷閥關(guān)閉時(shí)裝船系統(tǒng)的最大操作壓力逐漸降低，當(dāng)安全閥喉徑面積為S5時(shí)，裝船管道最大操作壓力約為1 320 kPa，符合裝船管道的超壓泄放壓力，因此只有喉徑面積為S5的安全閥可作為卸船管道超壓的有效安全保護(hù)措施。

圖6 XV-102 關(guān)閉、安全閥 （S2/S3/S4/S5） 泄放工況的物流5 壓力變化趨勢(shì)

圖7 和圖8 為安全閥喉徑面積為S5時(shí)裝船管道的壓力變化曲線、安全閥開(kāi)度曲線和泄放質(zhì)量流量曲線。

圖7 XV-102 關(guān)閉、安全閥 （S5） 泄放工況的物流壓力變化趨勢(shì)

圖8 XV-102 關(guān)閉、安全閥 （S5） 泄放工況的安全閥開(kāi)度和質(zhì)量流量變化趨勢(shì)

從圖8 可以看出，此工況下安全閥最大開(kāi)度約為80%，未達(dá)到100%全開(kāi)，理論泄放質(zhì)量流量約為76 t/h，持續(xù)時(shí)間約50 s，共計(jì)泄放質(zhì)量約1.1 t，折合體積2.5 m3。此數(shù)據(jù)也可用于核算分液罐容積選型的合理性。

3 結(jié)論

以LNG 接收站項(xiàng)目裝船工藝改造為例，闡述改造過(guò)程中可能存在的安全隱患，定量分析危害后果，并通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬選擇合理的安全閥喉徑面積，保障計(jì)算的準(zhǔn)確性和合理性，主要結(jié)論如下：

（1） 裝船工藝改造中低壓總管和裝船總管不同壓力等級(jí)時(shí)，應(yīng)考慮下游裝船管道超壓工況，并應(yīng)設(shè)置必要的安全閥來(lái)實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行。

（2） 采用動(dòng)態(tài)模擬軟件建立裝船工藝的動(dòng)態(tài)模型，可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反映實(shí)際操作工況，定量計(jì)算采用不同喉徑面積的安全閥泄放過(guò)程中操作壓力、質(zhì)量流量、安全閥開(kāi)度等的變化趨勢(shì)，并最終優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)合理的安全閥喉徑面積。