基于ASPEN HYSYS對LNG儲槽充裝率的計算

朱滿斗

（云南先鋒化工有限公司技術部，云南 尋甸 655204）

HYSYS軟件是世界著名油氣加工模擬軟件工程公司開發的大型專家系統軟件。該軟件分動態和穩態兩大部分。其動態和穩態主要用于油田地面工程建設設計和石油石化煉油工程設計計算分析，并指揮原油生產和儲運系統的運行。HYSYS可以計算物質的許多物理性質和傳遞性質。對于不同的體系需選擇不同的傳遞性質計算模型。換句話說，對于所考查的體系，傳遞性質的計算模型必須經過仔細篩選。例如，預測輕質烴類（NBP＜155℃，NBP為正常沸點）的黏度宜選擇Ely和Hanley提出的對應狀態原理法，預測重質烴類的黏度宜選擇Twu模型法，預測非理想化學系統的液體黏度宜選擇Letou-Stiel改進方法［1-3］。

1 LNG儲罐充裝率的計算依據及方法

通過計算LNG在充裝溫度和控制溫度下的摩爾密度來換算其充裝率（又稱充裝系數）。液體密度的計算主要有三種方法：狀態方壓縮因子法、Rackett模型法和對應狀態液體密度法（Costald，corresponding state liquid density）。

雖然Costald關聯式是為計算飽和液體密度開發的，但也可以用來計算過冷液體的密度。Costald密度法可以用于預測對比溫度Tr小于1的所有系統的密度。當對比溫度大于1時，使用狀態方程壓縮因子法計算液體密度［4］。

Rackett模型可以計算中低壓下石油和烴類液體混合物密度，方程如式（1）所示。

2 模擬計算

目前，我公司準備上一套LNG燃氣制備裝置，用LNG代替LPG（或DME）配制氣化爐燃料氣，滿足生產需要，實現氣化爐生產效益的增值。

2.1 計算方法及操作溫度的確定

LNG主要成分為甲烷，以甲烷為代表預選物性計算方法。在組分列表critical選項卡可查得甲烷的臨界溫度為 -82.45℃（如圖1所示）［5］。

由于LNG為混合物，為了精確地計算其摩爾密度，須確定混合物的臨界溫度，并選擇合適的物性計算方法。在模擬環境中，可看到混合物臨界性質，由于乙烷和乙烯的存在，LNG的臨界性質發生了較大的變化，查得LNG臨界溫度為19.80℃。

圖2 -1甲烷臨界性質

當溫度大于-123℃時變開始有氣相產生，會使儲罐的壓力急劇升高，因此，儲罐的操作溫度上限應該選擇-124℃。

圖2 流體包物性計算方法

2.2 LNG密度的計算

以100kg／h為計算基準，在模擬環境中添加單元模塊，從對象面板中選擇Heater向主流程圖PFD添加加熱器E-100，進入其屬性窗口，并定義加熱器進出口物流和能流。加熱器入口物流溫度-165℃，壓力250kPa，出口物流溫度-124℃，壓力250kPa，此時，LNG的氣相分率均為零［6］。

由于溫度升高，LNG的體積會膨脹。但是膨脹后LNG的體積不可超過儲罐的容積。假設在操作溫度上限值下，LNG的體積恰好達到儲罐的容積，由此體積可反算-165℃下LNG的體積，兩體積之比即為LNG可最大占據儲罐的容積分數（即充裝率），利用電子表格Spreadsheet可幫助計算。

添加電子表格邏輯模塊，關閉加熱器屬性窗口，進入Spreadsheet邏輯模塊，并在單元格中輸入參數：molar density at-165℃，molar density at-124℃，Maximum fill up（體積分數%）。將流程中的變量添加到電子表格中，右擊單元格，選擇import Variable，進入Select Import to cell窗口，依次將兩個溫度下的摩爾密度添加到對應的單元格中，并在Maximum fill up（體積分數%）對應單元格中輸入“＝（B2／B1）×100”。

-165℃下液體的LNG最多可注入到儲罐容積的92.13%，為了安全考慮，在設計LNG儲罐的時候，選擇額定充裝率為90%最為合適。同樣，對于一定溫度和壓力下的氣體，可采用狀態方程壓縮因子法或在活度系數模型下選擇合適的氣態模型計算其密度。在worksheet的condition中任意改變加熱器進出口的物流參數，Spreadsheet中的結果會跟蹤變化，較為方便。

3 結語

Aspen Hysys在物性計算領域起到主導地位，特別是對混合物的參數模擬，具有準確、高效的特性，并可以實時跟蹤操作條件改變時的關鍵值變化情況，通過模擬值來指導生產，并對廠家的一些設備參數進行有效驗證。