基于 Aspen Plus 對 BOG 再液化過程的穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化

蒙學昊，周 毅，李 萌，張海濤，朱永凱

（中海油能源發(fā)展采油服務公司 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，而且也會對環(huán)境造成污染。同時，整個液化裝置的壓縮機、制冷劑換熱器等關鍵設備的配置還會影響 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行仿真優(yōu)化，BOG 和制冷劑的熱力學性質(zhì)是 BOG 再液化流程的設計、研發(fā)和實際應用過程中不可缺少的基礎數(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，精確計算 BOG 和制冷劑的熱力學參數(shù)是流程模擬的基礎［3-4］。

通過 Aspen Plus 對整個流程進行仿真［5］、對工藝過程進行嚴格的質(zhì)量和能量平衡計算，通過初始流程的仿真分析其優(yōu)勢與不足，進而對流程進行優(yōu)化設計。

1 仿真原則

工藝流程仿真是整個再液化系統(tǒng)的設計指導和依據(jù)，對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性等具有決定性作用，通過工藝流程仿真優(yōu)化實現(xiàn)實際運行工況模擬，保證再液化裝置具有以下模擬原則和設計要求。

①功耗低。運行再液化系統(tǒng)需要靠電力提供能量。過大的功耗會增加船舶的能量負荷，會使運輸效率降低、成本增加。

②安全性和可靠性。當 BOG 再液化系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，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，但這樣會造成極大的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染，因此，再液化系統(tǒng)的設計必須保證足夠多的容錯率。

③經(jīng)濟性。由于 BOG 再液化系統(tǒng)本身的造價較高，而且整個制冷系統(tǒng)消耗的功率較大，故一般來說，再液化系統(tǒng)的造價為全船造價的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，要求設計再液化系統(tǒng)設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，設計時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設備標準化。對于再液化系統(tǒng)中的設備統(tǒng)一標準可以進行采購，以免去設計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，需設定物性方法來計算物質(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)方程法不僅可以計算不能從實驗中獲取的熱力學性質(zhì)，而且可以表示大范圍內(nèi)P、V、T之間的函數(shù)關系，是理想的物性計算方法。狀態(tài)方程法中的 Peng-Robinson（PR）方程能夠較為準確的預測液相摩爾體積，是最適合作為 BOG 再液化流程的物性計算方法。

2.2 仿真流程中的設備

2.2.1 壓縮機模型

壓縮機是再液化流程中最重要的設備之一，在流程中，氮氣作為壓縮工質(zhì)，經(jīng)增壓、預冷后進入膨脹機，為膨脹機制冷提供足夠壓力，壓縮機可選用Aspen Plus 中的 Compr 來模擬。

2.2.2 膨脹機

膨脹機是再液化系統(tǒng)產(chǎn)生冷量的唯一來源，高壓工質(zhì)氮氣通過膨脹機降低壓力，產(chǎn)生冷量的同時對外做功。對膨脹機而言，出口物流溫度較低，為防止液滴損壞葉輪，應保證膨脹機出口物流帶液量盡可能低。

在 Aspen Plus 中，膨脹機的物流連接和內(nèi)部設定與壓縮機類似，只需在 Model 的選擇中選擇 Turbine即可，其余設置與 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 回熱換熱器和 BOG 液化換熱器。BOG 回熱換熱器的作用是將加壓后的 BOG 冷卻至一定溫度，進而為后續(xù) BOG 液化做準備。BOG 液化換熱器是一個多股流換熱器，這也是本次仿真的優(yōu)化點之一，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 回熱換熱器冷卻的 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氣，經(jīng)預冷后進入膨脹機進行膨脹產(chǎn)生低溫氣體。冷物流是膨脹機出口的低溫氮氣，用于為 BOG 液化和預冷高壓氮氣，是該仿真中的最低溫冷源。

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備。再液化流程中，冷卻器用于壓縮機的級間冷卻和后冷卻，其能夠降低工質(zhì)進入壓縮機的溫度，以防止壓縮機溫度過高損害壽命。此外，壓縮機進口溫度越小，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行變溫時，僅需設定物流的出口溫度和壓力變化即可。

3 模塊參數(shù)設定

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

①BOG 壓縮機效率和出口壓力；

②氮氣壓縮機效率和出口壓力；

③級間冷卻器出口溫度和壓降；

④膨脹機效率和出口壓力；

⑤BOG 回熱換熱器壓降和熱端出口溫度；

⑥BOG 液化換熱器壓降、BOG 出口溫度和氮氣（熱流）出口溫度。

采用 Aspen Plus 模擬軟件再現(xiàn)氮膨脹循環(huán)制冷工藝的整個過程，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 液化換熱器進口物流（0107）應為液態(tài)或鄰近液態(tài)。同時，為保證BOG回熱器性能，0107物流不應出現(xiàn)液態(tài)，否則 BOG 回熱換熱器無法提供足夠冷量。綜上，0107物流應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 壓縮機的功率，壓縮后的 BOG壓力應盡量低，即減小壓縮機壓力比。然而氮氣給BOG 液化換熱器的冷量為定值（優(yōu)化時 BOG 側(cè)時視為定值），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 的壓力應盡量取小值，壓力越小，液化溫度越低。同時考慮 BOG 回熱器的性能，0107 的溫度有最低限制。綜合 BOG 考慮壓縮機功率和換熱器性能，0107 的物流溫度為-127 ℃、壓力為8.5 bar時，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)壓縮機加壓、預冷后進入膨脹機，在膨脹機出釋放壓力產(chǎn)生超低溫氣體，進而冷卻 BOG。與此同時，膨脹機可回收一定功率，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降低壓縮機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)壓縮機的流量和壓比性能，氮壓縮膨脹側(cè)壓縮機進口壓力為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

BOG 在增壓前需將其加熱至常溫，BOG 壓縮機將 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，并通過回熱器冷卻至-127 ℃，如圖4所示。

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

4.3.2 氮氣壓縮機

氮氣壓縮機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，冷源溫度應保持在168 ℃以下，壓縮機采用三級壓縮，流量設為36 000 kg/h，出口壓力設為3 200 kPa，壓力比設為5.517，如圖5所示。

圖5 氮氣壓縮機模擬參數(shù)設定界面Fig.5 Setting interface of nitrogen compressor simulation parameters

4.3.3 膨脹機

膨脹機的入口壓力設為31.40 bar，出口壓力設為6.2 bar，等熵效率為85%，如圖6所示。

圖6 膨脹機模擬參數(shù)設定界面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 個換熱器模型，在優(yōu)化流程中可將氮氣回熱器與 BOG 液化換熱器集成，即做成一臺多股流換熱器，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、適應性強，特別對于船用設備，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 個換熱器模型，即 BOG 回熱器與 BOG 液化換熱器。BOG 回熱器作用是為 BOG 預冷降溫，降溫到合適溫度時進入液化換熱器中。其中冷流為艙內(nèi)的 BOG，熱源為經(jīng)壓縮后的 BOG，通過回熱換熱器，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回熱器模擬參數(shù)設定界面Fig.8 Setting interface of BOG heating device simulation parameters

BOG 液化換熱器是一臺三股流換熱器，冷流為膨脹機出口低溫介質(zhì)，2 條熱流分別為經(jīng)預冷后的BOG和經(jīng)后冷卻的壓縮機出口工質(zhì)，參數(shù)設定如圖9所示。

圖9 BOG液化換熱器模擬參數(shù)設定界面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，具體設定如圖10所示。

圖10 冷卻器模擬參數(shù)設定界面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在于基于換熱器的實際制造性能對氮氣回熱器和BOG液化換熱器進行了集成設計，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出口溫度，達到了節(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，計算工藝流程部分節(jié)點參數(shù)見表4。根據(jù)參數(shù)，計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)化后計算工藝流程部分節(jié)點參數(shù)Tab.4 Some node parameters of calculation process after optimization

5.1 BOG 液化換熱器集成

將原流程中氮氣回熱器和 BOG 換熱器集成為一臺多股流換熱器，其換熱性能更好，設備成本更低，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和壓縮機電消耗功率為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)對原流程進行了計算，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對流程所設計的主要設備進行了模塊化處理，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算方法；

②采用 Aspen Plus 對 BOG 再液化過程進行了穩(wěn)態(tài)模擬，對流程中設計的設備模型進行了詳細的介紹，并對模型參數(shù)進行了調(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將氮氣回熱器和 BOG 換熱器集成為一臺多股流換熱器，再液化流程的換熱性能會更好，設備成本更低，整體占地空間更小?！?/p>