液化天然氣接收站不同船期下動態(tài)罐容模型建立及分析

多志麗

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

截至2019年底，我國已建成投產(chǎn)LNG接收站22座(不含港、澳、臺)，目前在建(擴建)LNG接收站14座、規(guī)劃20余座。LNG接收站項目遍布沿海省市。

LNG儲罐用于緩沖連續(xù)的供氣需求和不連續(xù)的接船供應(yīng)，可有效地緩沖季節(jié)不均勻及日不均勻外輸帶來的沖擊。因此LNG儲罐是LNG接收站穩(wěn)定運行的核心設(shè)備【1-3】。同時LNG儲罐是LNG接收站投資的重要部分，也是決定LNG接收站施工進度的關(guān)鍵設(shè)備【4】。因此根據(jù)接收站的生產(chǎn)運行確定合理的LNG罐容，可提升接收站運行能力、節(jié)省建設(shè)投資、縮短站場建設(shè)周期。

液化天然氣接收站罐容計算包括靜態(tài)罐容計算及動態(tài)罐容計算兩種方式。靜態(tài)罐容計算是計算某一時刻下接收站罐容需求量。動態(tài)罐容是根據(jù)接收站外輸量、卸船速率計算每時刻下接收站LNG庫存量，取最大值為接收站罐容需求量。

船期是影響動態(tài)罐容計算的重要因素。LNG接收站船期模式可分為均勻船期、半均勻船期和自主船期3種模式。均勻船期是指根據(jù)站場處理規(guī)模及碼頭運行能力均勻安排1年的船期。半均勻船期是指接收站按月做接船計劃，均勻安排每月接船數(shù)量。自主船期是指完全根據(jù)庫存量合理安排船期，當庫存量小于安全儲量時，通過卸船來增加庫存量。

1 靜態(tài)罐容計算

目前國內(nèi)通常采用靜態(tài)罐容計算，其計算見式(1)【5】。

Vs=VT+(n×Q)-(t×q)+Q′

(1)

式中：Vs——LNG接收站儲存能力，m3；

VT——LNG船容，m3；

n——安全儲備天數(shù)，d；

Q——最大LNG日輸出量，m3/d；

t——卸料時間，h；

q——卸船期間的LNG小時輸出量，m3/h；

Q′——應(yīng)急儲備量，m3。

影響LNG接收站儲存能力的因素較多，如LNG運輸船的船容、LNG接收站的外輸要求、LNG運輸船延期運輸、惡劣天氣等【5】。確定LNG接收站的儲存能力一般考慮以下影響因素：LNG運輸船的有效容積和船運安排、儲罐安全余量、滿足調(diào)峰任務(wù)的存儲量以及其他計劃的事件(如LNG運輸船的延期或維修)或不可預(yù)料事件(如氣候突然變化)所需的存儲量等。

由式(1)可以看出：靜態(tài)計算法僅能計算某個瞬時狀態(tài)下接收站所需罐容，不能準確地表達接收站連續(xù)運行時所需罐容。同時靜態(tài)計算法沒有考慮船期安排、季節(jié)調(diào)峰等對接收站存儲能力的影響，因此其既無法計算最大罐容出現(xiàn)的工況，也無法體現(xiàn)極端工況下的儲罐需求量，從而無法合理安排站場生產(chǎn)運行。

2 動態(tài)罐容計算

夏慶修、付子航【6-7】等人針對LNG動態(tài)罐容計算進行了研究，其計算方法可歸結(jié)為均勻船期。但其僅考慮了季節(jié)調(diào)峰影響，并未考慮日調(diào)峰影響，且考慮影響因素單一。李廣周【8】等人分析了大型LNG接收站儲罐罐容與調(diào)峰方式的關(guān)系。本文將針對不同的船期計劃，建立3種動態(tài)計算模型進行對比研究。

動態(tài)罐容計算見式(2)。本文計算原則為接收站LNG庫存量需大于等于零。

V(t)=V(t-1)+qs(t)-q(t)

(2)

式中：V(t)——t時刻下接收站LNG庫存量，m3;

V(t-1)——(t-1)時刻下接收站LNG庫存量，m3;

qs(t)——卸船工況t時刻下的卸船量，m3，若為非卸船工況，則該值為0;

q(t)——(t-1)至t時刻，接收站外輸量，m3。

由式(2)可知，接收站罐容計算的決定性因素包括接收站日外輸量及船期。

2.1 動態(tài)罐容計算影響因素

2.1.1 接收站外輸量

接收站工程建設(shè)可研階段，市場分析報告會根據(jù)市場需求預(yù)測該接收站每月外輸量。為了計算的準確性，在動態(tài)罐容分析時，根據(jù)日不均勻系數(shù)將月外輸量細化至日外輸量，然后平均至小時外輸量(此處不再考慮小時不均勻系數(shù)影響)。

影響城市燃氣的日不均勻性的主要因素是居民生活習慣，與地區(qū)關(guān)系不大。一般城市的日不均勻系數(shù)波動較小，基本上在0.8～1.2【9-10】之間。

2.1.2 船期

均勻船期一般多用于天然氣液化廠，即銷售方。半均勻船期、自主船期多用于天然氣接收站，即購買方。

國際最大LNG船型為Q-max，船容為26.6×104m3，大部分已建接收站均可卸載該船型。Q-max船全球僅14艘，預(yù)定量較少。目前市場主流是16×104～18×104的大型LNG船【11】，充裝系數(shù)為0.9。

2.1.3 安全儲存天數(shù)

大部分LNG接收站建于沿海城市，這些地區(qū)發(fā)生極端天氣(臺風、大霧、冰凍等)是大概率事件，因此需考慮由于極端天氣影響導(dǎo)致的碼頭不可卸船作業(yè)工況。同時LNG資源自輸送地至接收站路途遙遠，船期延誤也是必須考慮的因素。所以安全儲備天數(shù)為碼頭不可連續(xù)作業(yè)天數(shù)與船期延遲天數(shù)之和。安全儲備量Sq為安全儲存天數(shù)與當天外輸需求量之積。

在半均勻船期及均勻船期模型中考慮了發(fā)生1次不可作業(yè)的極端工況。

2.1.4 單碼頭卸船頻率

根據(jù)海事規(guī)定， LNG船不允許夜航， 因此需根據(jù)實際航線長度、 站場的卸船速率， 在考慮手續(xù)辦理時間后， 確定單座碼頭兩船最小間隔天數(shù)D。

2.2 動態(tài)罐容計算模型

2.2.1 均勻船期動態(tài)模型

根據(jù)市場預(yù)測及日不均勻系數(shù)，確定每天外輸量{Ai}i=1～365，則年外輸量為B=∑Ai。每年到港LNG船數(shù)計算見式(3)。

N=B/ρ/(Vε)

(3)

式中：N——每年到港LNG船數(shù)，向上取整，艘;

B——年總外輸量，kg;

ρ——LNG密度，kg/m3;

V——主力船型有效容積，m3;

ε——充裝系數(shù)，取0.9。

非卸船日，令mi=0；卸船日，令mi=1。一年中每天第24時刻實際罐容計算見式(4)。

(4)

1

式中：T1、Ti、Ti-1——分別為第1天、第i天、第(i-1)天的第24時刻實際罐容，m3;

A0——初始庫存量，m3;

A1、Ai——分別為第1天、第i天總外輸量，m3。

卸船日卸船后罐容計算見式(5)。

(5)

式中：TSi——卸船日卸船后罐容，m3;

θ——卸船速率，m3/h。

若min(Ti)<0，則接收站所需罐容為{max(TSi)-min(Ti)}；若min(Ti)≥0，則接收站所需罐容為{max(TSi)}。

2.2.2 半均勻船期動態(tài)模型

半均勻船期動態(tài)模型是在均勻船期動態(tài)模型基礎(chǔ)上調(diào)整每月總來船量，增加高峰月來船量，減少低谷月來船量。

每月外輸量為Mk=∑Ai，其中k=1～12，i=1～(k月天數(shù))。同理于每年到港LNG船數(shù)量計算方法，求出每月需到港LNG船數(shù)Nmk，其中k=1～12。

確定船期后，同理于均勻船期動態(tài)模型，求出半均勻船期模型下接收站所需罐容為{max(TSi)-min(Ti)}或{max(TSi)}。

2.2.3 自主船期動態(tài)模型

自主船期動態(tài)模型與上述兩種模型不同之處為船期的確定。

設(shè)接收站安全儲備量為Sq，當儲罐庫存量Ti-1

在進行以上計算時，需滿足兩船卸載間隔天數(shù)≥最小間隔天數(shù)D。確定卸船日后，儲罐罐容計算同均勻船期罐容計算。

3 某接收站動態(tài)罐容計算

中國某沿海城市擬建設(shè)規(guī)模為600×104t/a 的LNG接收站，根據(jù)市場調(diào)研報告，其外輸預(yù)測見表1；日不均勻系數(shù)高值取1.2，低值取0.8，則該站每日外輸量見圖1。該接收站建設(shè)1座LNG碼頭，以17.2×104m3LNG船為主力船型，裝載系數(shù)為0.9【11】，卸船速率為14 000 m3/h，LNG密度為425 kg/m3。該地區(qū)海事不允許夜航，根據(jù)船容及卸載速率計算,每座碼頭卸船最小間隔時間為2 d，即每座碼頭最大卸船頻率為3 d卸載1船。

圖1 某接收站每日外輸分解

表1 某接收站外輸量預(yù)測

3.1 均勻船期動態(tài)計算

該接收站規(guī)模為600×104t/a，則需要卸載的LNG船次為：

N=600/[0.425×(17.2×0.9)]=91.2≈92艘

兩船間隔時間Δt=365/92-1=4，即4 d卸載1船。

根據(jù)編制的“LNG儲罐均勻船期罐容計算程序”進行模擬計算，結(jié)果見圖2。根據(jù)模擬結(jié)果可得，均勻船期動態(tài)計算最大罐容需求為165×104m3，需建設(shè)9座20×104m3LNG儲罐。

圖2 均勻船期動態(tài)計算得到的罐容需求

3.2 半均勻船期動態(tài)計算

根據(jù)表1計算出每月外輸量、需來船量，修訂均勻船期的船期安排。由于該地區(qū)單碼頭卸船最小間隔時間為2 d，則每月最多安排10艘船。修訂后船期安排見表2。由表2可知： 均勻船期1年內(nèi)共接卸92艘船， 經(jīng)過調(diào)整后， 半均勻船期1年內(nèi)共接卸船數(shù)保持92艘不變。

表2 某接收站半均勻船期安排

根據(jù)編制的“LNG儲罐半均勻船期罐容計算程序” 進行模擬計算，結(jié)果見圖3。由模擬結(jié)果可得：半均勻船期最大罐容需求為83.8×104m3，需建設(shè)5座20×104m3LNG儲罐。

圖3 半均勻船期動態(tài)計算得到的罐容需求

鑒于該站位于中國北方海灣，根據(jù)氣候條件分析，12月～次年1月底是該地區(qū)海水結(jié)冰的高發(fā)時間。分別模擬12月或1月發(fā)生1次船舶無法到港工況，即12月或1月減少1艘船到港安排，模擬結(jié)果見圖4和圖5。由圖4和圖5可知，兩種工況最大罐容需求量均為83.8×104m3，說明冬季發(fā)生極端工況對最終罐容需求量無影響。這是由于夏季外輸量少，來船數(shù)量較多，為冬季的極端工況儲備了足夠罐容。

圖4 半均勻船期動態(tài)計算得到的12月發(fā)生1次極端工況的罐容需求

圖5 半均勻船期動態(tài)計算得到的1月發(fā)生1次極端工況的罐容需求

3.3 自主船期動態(tài)計算

該站位于北方，考慮碼頭受氣候影響，不可連續(xù)作業(yè)天數(shù)取5 d；考慮海運途中、貨源或船只等突發(fā)狀況導(dǎo)致船延遲到達天數(shù)2 d，則安全儲備天數(shù)為7 d，安全儲備量為Sq=7Ai。

單座碼頭連續(xù)兩船卸載間隔最小為2 d。根據(jù)編制的“LNG儲罐自主船期罐容計算程序”進行模擬計算，結(jié)果見圖6。由模擬結(jié)果可得：在不考慮冬季發(fā)生因環(huán)境影響和船期延誤導(dǎo)致無法卸船工況時，自主船期最大罐容需求為43.7×104m3，需建設(shè)3座20×104m3LNG儲罐；1年來船92艘，與均勻船期、半均勻船期計算結(jié)果一致。

圖6 自主船期動態(tài)計算得到的不考慮極端因素工況下的罐容需求

根據(jù)編制的“LNG儲罐自主船期罐容計算程序1.1”模擬計算12月15日～次年1月30日之間發(fā)生1次7 d不可連續(xù)作業(yè)工況罐容需求。該程序可自動模擬計算該段時間每一天處于不可作業(yè)工況下接收站罐容需求，并選出其中最大值。由計算結(jié)果可知，當1月20日起發(fā)生極端工況時，罐容需求最大，為69.4×104m3，需建設(shè)4座20×104m3LNG儲罐，計算結(jié)果見圖7。

圖7 自主船期動態(tài)計算得到的考慮發(fā)生1次極端工況的罐容需求

3.4 3種動態(tài)模型對比

根據(jù)某接收站的模擬結(jié)果可知：

1) 在不發(fā)生極端工況的情況下， 采用均勻船期模型、 半均勻船期模型及自主船期模型計算， 罐容需求量分別為165×104、 83.8×104、43.7×104m3。自主船期模型較均勻船期模型可節(jié)省73.5%罐容，較半均勻船期模型可節(jié)省47.8%罐容。

2) 在發(fā)生1次極端工況的情況下，采用半均勻船期模型及自主船期模型計算，罐容需求量分別為83.8×104、69.4×104m3。該工況下，自主船期模型較半均勻船期模型可節(jié)省17.2%罐容，且自主船期模型可確定導(dǎo)致最大罐容需求的發(fā)生極端工況的日期。

4 結(jié)論

儲罐建設(shè)的投資在接收站建設(shè)投資中占很大比重，因此儲罐個數(shù)的確定至關(guān)重要。本文分析了現(xiàn)有靜態(tài)分析方法的弊端，并提出了均勻船期、半均勻船期和自主船期3種動態(tài)模型，同時編制了相應(yīng)的計算程序。針對某接收站實際預(yù)測外輸情況，分別采用3種動態(tài)模型模擬不發(fā)生極端工況和發(fā)生1次極端工況的情況下該接收站所需罐容。通過對比分析得出以下結(jié)論：

1) 動態(tài)罐容計算方法考慮船期安排、氣量的季節(jié)調(diào)峰和日調(diào)峰以及安全余量影響，因此不論是均勻船期還是自主船期，不論是基荷型還是調(diào)峰型的接收站，其罐容都應(yīng)該采用動態(tài)罐容分析法確定，以符合生產(chǎn)實際需求。

2) 均勻船期模型對船期安排自由度最小，半均勻船期模型適中，自主船期模型較高。自主船期模型適用于公司具有多座接收站、可自由安排船期的情況。

3)在不考慮極端工況的情況下，自主船期模型較均勻船期模型可節(jié)省73.5%罐容，較半均勻船期模型可節(jié)省47.8%罐容；在考慮1次極端工況的情況下，自主船期模型較半均勻船期模型可節(jié)省17.2%罐容。因此，采用均勻船期模型，所需罐容最大；采用半均勻船期模型，所需罐容適中；采用自主船期模型，所需罐容最少，可節(jié)省大量建設(shè)投資。

4) 建議各接收站項目根據(jù)實際進貨計劃，合理安全船期，盡可能做到自主船期經(jīng)營模式，從而減少儲罐建造個數(shù)，節(jié)省投資。