基于Hysys對加注船加注過程中BOG產(chǎn)生量的分析

周毅,孫冰,李萌,朱永凱,蒙學(xué)昊

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300452)

LNG船對船加注作業(yè)過程中會產(chǎn)生BOG(Boil-Off Gas,BOG),而BOG會引起船艙內(nèi)壓力升高,如不及時(shí)處理,只能將多余的BOG排入專用燃燒裝置燃燒或排放至大氣中,造成不必要的LNG產(chǎn)品損耗和環(huán)境污染,造成大量經(jīng)濟(jì)損失和碳排放。目前,眾多學(xué)者和行業(yè)內(nèi)工程師對LNG接收站運(yùn)行過程中的BOG生成量的計(jì)算進(jìn)行了深入研究,但國內(nèi)對LNG船對船加注的研究尚處于起步階段,相關(guān)的規(guī)范和操作指南還有待補(bǔ)充和完善。因此準(zhǔn)確計(jì)算加注船BOG處理量,以及優(yōu)化操作參數(shù)控制BOG量,對于LNG加注船的工程設(shè)計(jì)和投資至關(guān)重要[1-2]。因此考慮分析針對不同LNG船型的加注作業(yè)中BOG的生成量,分析兩船加注作業(yè)中BOG生成量的主要影響因素[3],在此基礎(chǔ)上,采用Hysys軟件模擬不同加注條件下加注船和受注船在加注過程中產(chǎn)生的BOG量,得出BOG量隨時(shí)間變化的關(guān)系圖。在保證加注安全性的前提下,盡可能降低過程中BOG產(chǎn)生量,以達(dá)到削減BOG產(chǎn)生量的峰值,使BOG壓縮機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定,從而降低運(yùn)行操作費(fèi)用。

1 加注作業(yè)BOG產(chǎn)生原因及及計(jì)算方法

1.1 BOG產(chǎn)生工況分析

1)非加注工況。LNG加注船處于航行或停泊怠速狀態(tài),BOG主要由LNG加注船液貨艙吸熱和燃料泵產(chǎn)生,且由LNG加注船自身能量消耗或回收。

2)加注工況。BOG由LNG加注船和受注船共同產(chǎn)生,加注作業(yè)產(chǎn)生的BOG由LNG加注船消耗或回收(忽略受注船本身的消耗)。

1.2 從外界吸熱產(chǎn)生的蒸發(fā)氣量VT

加注船液貨艙及受注船燃料艙在正常運(yùn)行條件下,從外界吸收熱量產(chǎn)生BOG。目前模擬中燃料艙BOR產(chǎn)生量按照經(jīng)驗(yàn)值0.15%的艙容估算,液貨艙也按此比例估算,待液貨艙BOR具體計(jì)算結(jié)果出來后,模擬按此熱流數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

1.3 由外界輸入的液態(tài)量產(chǎn)生的蒸發(fā)氣量VL

LNG加注船向受注船燃料艙注入LNG會產(chǎn)生活塞效應(yīng),導(dǎo)致受注船的燃料艙氣相空間減小,為維持受注船燃料艙壓力在合理范圍,需要排出部分氣體。

1.4 加注時(shí)的閃蒸VF

對受注船燃料艙進(jìn)行加注作業(yè)時(shí),LNG會出現(xiàn)瞬間蒸發(fā)。其產(chǎn)生的主要原因如下。

1)泵送的動能對LNG的加熱。

2)流經(jīng)管道的吸熱。

3)加注液體與燃料艙內(nèi)的液體的混合。

4)在壓力狀態(tài)下的LNG在膨脹前,其溫度高于其置于受注船燃料艙壓力下的沸點(diǎn)等。

1.5 因大氣壓的變化VA

不管液貨艙還是燃料艙,其壓力控制都是采用表壓,大氣壓的變化會造成艙內(nèi)壓力的變化。如果艙內(nèi)壓力處于最大壓力狀態(tài),大氣壓的下降會造成艙內(nèi)壓力升高,導(dǎo)致氣體膨脹外排及液體過熱產(chǎn)生的氣化。反之,大氣壓上升會造成艙內(nèi)壓力下降。

由于加注過程避免在惡劣天氣下進(jìn)行,考慮采用正常情況下加注過程對BOG產(chǎn)生量峰值的影響,因此此項(xiàng)可忽略。

1.6 液體外排狀態(tài)VD

液貨艙液體外排應(yīng)由氣體輸入來平衡讓出的空間以避免負(fù)壓。

1.7 主機(jī)及發(fā)動機(jī)BOG消耗量VC

此部分包括加注船主機(jī)及發(fā)動機(jī)BOG消耗量VCC及受注船主機(jī)及發(fā)動機(jī)BOG消耗量VCF。

綜上,在設(shè)計(jì)工況下,BOG的總量如下:

V=VT+VL+VF+VD-VC

式中:VC=VCC+VCF

2 燃料艙模擬

燃料艙進(jìn)料動態(tài)模型見圖1。

圖1 燃料艙進(jìn)料動態(tài)模型

模型以LNG貧液組分作為物料組成,按照0.2 barG的飽和液體性質(zhì)作為初始進(jìn)料條件,采用BWRS方法進(jìn)行模擬,通過PID控制燃料艙壓力0.2 barG,模擬LNG經(jīng)液貨艙泵升壓至9 barG后,燃料艙(18 000 m3)進(jìn)料過程。燃料艙起始進(jìn)料條件為燃料艙5%的艙容,進(jìn)料至9 701 m3,手動停止進(jìn)料,結(jié)束模擬動態(tài)過程。

LNG組成見表1。

表1 LNG組分 %mol

流股7模擬液貨艙泵后的情況,具體條件見圖2,將壓力溫度設(shè)為-159.8 ℃,壓力設(shè)為9.000 barG。

圖2 流股7模擬液貨艙泵

模擬后的物性結(jié)果見圖3。

圖3 流股7模擬后的物性結(jié)果

在閥VLV-102的作用下,控制流量675 000 kg/h(～1 500 m3/h),按照實(shí)際流量控制管徑DN350,考慮流體流經(jīng)管道的摩擦,具體見圖4。

圖4 閥VLV-102的作用下的參數(shù)設(shè)置

流股8作為燃料艙的進(jìn)料,壓力與燃料艙保持一致,經(jīng)閥VLV-102減壓后,控制在0.2 barG左右,具體參數(shù)見圖5。

圖5 流股8模擬液貨艙泵

燃料艙按照艙容18 000 m3,初始液位5%條件開始加注,加注結(jié)束后液體體積9 701 m3,日蒸發(fā)率BOR按估算值50 kW加入到模型的熱流輸入中,容器直徑設(shè)為24.81 m,高度為37.22 m,液相體積和液位體積為53.29%,容器壓力設(shè)置為0.226 6 barG具體參數(shù)見圖6、7。

圖6 熱流輸入?yún)?shù)設(shè)置

圖7 熱流輸入?yún)?shù)設(shè)置

在加注的同時(shí),通過PID控制自動控制燃料艙壓力,將PV值最小值取0.15,最大值取0.3 bar。具體見圖8。

圖8 PID控制自動控制燃料艙壓力的條件設(shè)置

控制結(jié)果可由流股8、9及V-101壓力得到,見圖9。

圖9 PID控制結(jié)果

3 模型結(jié)果分析

動態(tài)模擬結(jié)束后,燃料艙進(jìn)料、BOG產(chǎn)生量、燃料艙壓力、燃料艙液體體積數(shù)據(jù)見表2。

由表2可以看出,燃料艙進(jìn)料流量和壓力均在控制范圍內(nèi)。

表2 動態(tài)模擬后的具體數(shù)據(jù)

該模型可以反映燃料艙加注過程中BOG產(chǎn)生量隨時(shí)間的變化過程。

模擬得到的BOG產(chǎn)生量包括燃料艙從外界吸熱產(chǎn)生的蒸發(fā)量VT、由外界輸入的液態(tài)量產(chǎn)生的蒸發(fā)氣量VL、加注時(shí)的閃蒸VF(未包括管道漏熱部分)。

4 結(jié)論

除受注船燃料艙動態(tài)模擬產(chǎn)生的BOG量之外,分析過程BOG量還應(yīng)包括加注船液貨艙從外界吸熱產(chǎn)生的蒸發(fā)量VT、液貨艙液體外排狀態(tài)VD、管道漏熱部分形成的閃蒸VF、主機(jī)及發(fā)動機(jī)BOG消耗量VC。除VC外,其余部分均會在后期模型中體現(xiàn)。

由于尚未形成完整的工藝流程,故穩(wěn)態(tài)流程的搭建及控制方案的選取是難點(diǎn)和關(guān)鍵。只有在合理完整的穩(wěn)態(tài)模擬基礎(chǔ)上,選取合適的參數(shù)進(jìn)行PID控制,才能得到準(zhǔn)確的BOG產(chǎn)生量信息。目前,正在分步驟通過不同的穩(wěn)態(tài)流程和控制方案的搭建,試圖構(gòu)建合理完整的加注過程。

在此基礎(chǔ)上,還應(yīng)考慮不同操作工況下BOG的產(chǎn)生量,具體①改變液貨艙操作壓力、增加回氣壓縮機(jī);②控制液貨艙和燃料艙處于同一壓力系統(tǒng)下。在兩套不同的壓力系統(tǒng)下,改變進(jìn)料流量和艙壓力,分析BOG產(chǎn)生量。