LPG船用BOG再液化裝置工藝流程模擬與優化

黎志昌 方江敏 馬四朋

(華南理工大學機械與汽車工程學院 廣州 510640)

LPG船用BOG再液化裝置工藝流程模擬與優化

黎志昌 方江敏 馬四朋

(華南理工大學機械與汽車工程學院 廣州 510640)

運用工藝流程模擬軟件ASPEN PLUS對LPG船用蒸發氣體(BOG)再液化裝置工藝流程進行較深入模擬計算。對計算結果進行分析得知，再液化流程中的參數:BOG壓縮機的入口壓力、出口壓力、海水冷凝器的冷凝溫度、分流器的分流比例對再液化裝置的能耗有不同程度的影響。結合模擬計算和分析結果，對LPG的BOG再液化裝置工藝流程提出對其進行優化分析的基本方法，以最經濟為目標對重要設計參數進行優化分析，確定再液化裝置運行的最經濟狀態，最終得出最優化的設計參數作為裝置設備設計的依據。

LPG 再液化 ASPEN PLUS 流程模擬

1 引言

LPG船主要用來運輸以丙烷和丁烷為主要成份的石油碳氫化合物。LPG船因其特殊用途而產生了多方面的特殊要求，因而其建造難度大，是代表當今世界造船技術水平的高技術、高附加值船舶。隨著世界LPG貿易量的增加，市場對大型LPG船的需求量也在不斷擴大。隨著LPG船的大型化，船上液貨罐的蒸發氣體(boil off gas，BOG)問題就越顯突出。為了解決因BOG的產生而造成液貨罐壓力過高的問題，需設置BOG再液化裝置，以控制液貨罐內的壓力與溫度，把BOG冷凝后再送回液貨罐，保障LPG船航運的經濟與安全。

2 流程模擬

針對某5 870 m3的LPG船設計的BOG再液化裝置工藝流程(如圖1所示)，運用ASPEN PLUS對 該流程進行模擬計算與優化分析。

圖1 LPG船用BOG再液化裝置工藝流程簡圖Fig.1 BOG re-liquefied process flow diagram in LPG carrier

2.1 流程簡述

如圖1所示，從液貨罐產生的BOG氣體流經Vapor to Compressor管線至Suction Separator(吸入式分離器)，對蒸氣中夾帶的小液滴進行分離;分離后的蒸氣進入Cargo Compressor(貨物壓縮機)低壓級進行第一級壓縮，流經Tank 1(出口緩沖罐)，進入Cargo Economizer(貨物節能器)，在其中與流經Valve 1(節流閥)的冷凝液節流產生的低溫蒸氣混合降溫;被冷卻的蒸氣從貨物節能器流出，經Tank 2(入口緩沖罐)進入Cargo Compressor高壓級進行第二級壓縮;經過高壓級壓縮后的氣體流過Tank 3(出口緩沖罐)進入LPG Condenser(LPG冷凝器)，經海水冷凝后，流至Condensate Receiver(冷凝液接收器)，冷凝液流至貨物節能器，在貨物節能器前分流:一部分經Valve 1節流后成為氣液混合物，用作中間換熱器的冷源;另一部分流經貨物節能器管程與殼程的冷凝液換熱，進一步冷卻為過冷液體;過冷液體經過Valve 2進一步節流后返回液貨罐。

2.2 狀態方程及模塊的選擇

對于主要由丙烷、丁烷組成的LPG，其物性參數和相平衡采用SRK狀態方程計算。

LPG船用BOG再液化裝置工藝所涉及的單元設備為壓縮機、中間冷卻器、海水冷凝器、分流器等。在用Aspen Plus化工流程模擬軟件對LPG船用BOG再液化裝置工藝整個流程進行模擬計算時，分別選用如下的模塊:壓縮機用Compr模塊;中間冷卻器采用HeaterX與Mixer模塊的組合形式;換熱器用 HeaterX模塊;分流器用FSplit;節流閥用Valve模塊。對流程簡化后得到圖2所示的工藝模擬流程圖。

圖2 工藝模擬流程圖B1.低壓級壓縮機;B2.混合器;B3.中間冷卻器;B4.高壓級壓縮機;B5.海水冷凝器;B6.分流器;B7.中間冷卻器前節流閥;B8.回罐前節流閥Fig.2 Processing simulation flow chart

2.3 流程性能參數計算公式

通過軟件的模擬計算得到各節點的壓力、溫度、密度、質量流量等熱力學參數。運用表1中所示的計算公式，計算出工藝流程分析中用到的重要性能參數如表1。

表1 主要性能參數Table 1 Main performance parameter

2.4 工藝流程的模擬

LPG船用BOG再液化流程中，有許多參數將對流程的可行性、壓縮機功耗、再液化效率等產生影響。這些參數有:BOG壓縮機的入口壓力、出口壓力、海水冷凝器的冷凝溫度、分流器的分流比例。通過改變各參數的值對工藝流程進行模擬計算。

3 工藝流程模擬結果與分析

3.1 BOG的壓縮機入口壓力對工藝流程的影響

在液貨罐中，液貨通過罐壁從外界吸收熱量，液貨的溫度不斷升高，氣相的壓力也隨之升高。當壓力升高到再液化系統的起動壓力時，再液化裝置啟動從氣相中帶走BOG進行再液化。由于罐中物料的溫度壓力是變化的，在不同的壓力下，液罐中飽和溫度也會不同。根據相平衡原理，液相蒸發出來的氣體的組分摩爾比會隨溫度壓力的變化而變化，表2為液貨罐中壓力從(1.08—1.04)×105Pa(BOG壓縮機入口壓力)所對應的飽和溫度和氣相摩爾比。模擬計算結果見表3。

表2 不同入口壓力下的飽和溫度和氣液相摩爾比Table 2 Saturation temperature and gas-liquid mole ratio at different inlet pressure

表3 模擬計算結果Table 3 Simulation results

由表3可以看出，隨著BOG壓縮機的入口壓力降低，再液化裝置的總功耗增大，液化效率降低，這對降低流程運行成本是不利的。但是液貨罐在卸貨期間，LPG的壓力應接近接收站的常壓罐壓力，因此BOG壓縮機的入口壓力也不能太高。同時考慮到再液化裝置的開啟時間不宜過長，因此開停機的壓力差不能過大。

表4 高壓級各出口壓力對應的中間壓力Table 4 Corresponding middle pressure under each outlet pressure of high grade

3.2 壓縮機出口壓力對工藝流程的影響

再液化裝置使用的是二級壓縮，因此在改變二級壓縮出口壓力的同時，一級壓縮的出口壓力即中間壓力也在改變。中間壓力pm由比例中項計算法確定，兩級壓縮循環中間壓力pm=(pkp0)1/2。表4為高壓級各出口壓力對應的中間壓力，模擬計算結果見表5。

表5 模擬計算結果Table 5 Simulation results

隨著壓縮機出口壓力增大，再液化裝置的功耗大幅增大，制冷效率大幅降低，不利于流程運行的經濟性。可見壓縮機出口壓力應該盡可能的低，并且要保證在該壓力下，海水冷凝器能把工質完全液化。

3.3 海水冷凝器的冷凝溫度對工藝流程的影響

海水冷凝器是在液化系統中，唯一把熱量帶出系統之外的設備，可以說海水冷凝器確定著整個系統的再液化能力。當冷凝溫度從29℃—39℃時，對工藝流程的模擬計算結果見表6。海水冷凝器的冷凝溫度主要由冷凝劑的溫度決定，海水為冷凝劑。在不同的海域、不同的季節海水溫度是不同的，它直接影響冷凝器的冷凝效果。從模擬中可見，冷凝溫度的升高，增大了再液化裝置的功耗。因此冷凝溫度應該盡可能的低。在冷凝劑溫度確定的情況下應提高冷凝器的換熱性能。

表6 模擬計算結果Table 6 Simulation results

3.4 分流器的分流比例對工藝流程的影響

BOG經海水冷凝后，液貨由分流器分成兩部分，第一部分通過節流閥節流到中間壓力后，進入中間冷卻器殼程作為冷源，用于冷卻來自低壓級壓縮機的氣體;第二部分進入中間冷卻器管程作為熱源被過冷。此處的分流比例為第一部分與總質量流量的比值。當分流比例從15%—25%時，對工藝流程的模擬計算結果見表7。

表7 模擬計算結果Table 7 Simulation results

分流器分流比例的增大，同樣增大了再液化裝置的功耗。因此分流比例應盡量降低，只要能保證在中間冷卻器中能把熱流冷卻到循環過冷溫度就行。

4 工藝流程優化

根據對各參數的模擬計算和分析，針對圖2所示的LPG的BOG再液化裝置工藝流程提出對其進行優化分析的基本方法。在流程優化問題中，目標函數十分重要。目標函數不同，液化流程的性能以及設計變量的最終優化的結果相差將會很大。追求高效、低能耗、低投資是再液化流程設計的目的?？紤]到流程應該以降低功耗和增加LPG再液化率作為優化的目標，所以對于再液化流程，結合上一節的分析，分別以壓縮機出口壓力、海水冷凝器冷凝溫度、分流器分流比例作為優化的變量，以流程中壓縮機功耗最小為優化的目標函數，得到如下優化問題:

其中:x為壓縮機出口壓力;y為海水冷凝器冷凝溫度;z為分流器分流比例;PsL為低壓級功率;PsH為高壓級功率。

在進行流程優化時，為了使得到的最優參數具有物理意義，即用優化方法得到的參數進行流程計算時具有物理意義，在優化時必須設定下列約束條件:

(1)在中間冷卻器中，殼程的冷工質必須有足夠的冷量冷卻管程的熱工質，達到熱流過冷的目的。

(2)海水冷凝器必須保證流過的熱工質完全冷凝，甚至過冷。

(3)根據熱力學第二定律，各換熱器的熵增必須大于零，在優化計算中必須設定各換熱器的熵增大于零。

(4)為了達到液化降溫的目的，各節流閥都產生降溫，并且有氣液兩相產生。

根據上述優化目標和約束條件，可計算出以功耗最低為優化目標的再液化流程中的各節點的熱力學參數，并且可以對流程的可行性進行評價，以及計算出制冷量、中間冷卻器負荷、海水冷凝器負荷、制冷系數、高低壓級壓縮比、回罐溫度、液化率、壓縮機總功 耗等關鍵流程運行參數，如表8—表9所示。

表8 入口壓力為1.04×105Pa時在不同冷凝溫度下流程的最優化參數Table 8 Optimization parametric of different condensation temperature at 1.04×105Pa inlet pressure

表9 入口壓力為1.08×105Pa時在不同冷凝溫度下流程的最優化參數Table 9 Optimization parametric of different condensation temperature at 1.08×105Pa inlet pressure

5 結論

(1)采用ASPEN PLUS對LPG船用BOG再液化裝置工藝流程進行模擬計算后發現，BOG壓縮機功耗隨著冷凝溫度的升高而增加，因此，在冷凝溫度確定后，要降低再液化裝置的功耗，必須控制好高低壓級壓縮機的出口壓力和分流器的分流比。

(2)選取壓縮機功耗最小為優化目標函數進行優化分析，得出給定BOG壓縮機入口壓力下的優化參數，從而確定再液化裝置運行的最經濟狀態，并為再液化裝置設備的設計提供最優化參數。

1 顧安忠.液化天然氣技術［M］.北京:機械工業出版社，2008:70-87.

2 俞忠德.LPG船與LNG船［J］.上海造船，1998(2).

3 李品友.液化石油氣船再液化裝置的熱力研究［J］.上海海運學院學報，1994(4):40-44.

4 代 乾.低溫液化氣船再液化裝置熱力分析和操作系統仿真［D］.上海:上海海事大學，2005.

5 高建保.輕烴回收裝置的操作參數優化模型［J］.石油與天然氣化工，1998，27(1):31-34.

Simulation and optimization of BOG re-liquefied equipment in LPG carrier

Li Zhichang Fang Jiangmin Ma Sipeng

(College of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

The process of BOG re-liquefied equipment in LPG carrier was calculated by the ASPEN PLUS process simulation.It was obtained that energy consumption of re-liquefied equipment was effected by some parameters，such as inlet pressure and outlet pressure of BOG compressor，the condenser temperature of sea water condenser and the distribution ratio of divider.On the simulated calculation，optimization analysis was carried for the re-liquefied equipment of BOG in LPG carrier.The most economical operation condition was determined for re-liquefied equipment.

LPG;reliquefaction;ASPEN PLUS;process simulation

TB657.8，TB662

A

1000-6516(2010)04-0062-05

2010-05-27;

2010-06-25

黎志昌，男，25歲，碩士研究生。