LNG接收站高壓泵并聯運行操作點研究

賈保印 劉以榮 李 明 郭 偉

中國寰球工程有限公司北京分公司, 北京 100012

0 前言

天然氣發展“十三五”規劃提出,天然氣是一種優質、高效、清潔的低碳能源,可與核能及可再生能源等其他低排放能源形成良性互補,是能源供應清潔化的最現實選擇。近年來,中國天然氣產業建設進入了快速發展階段[1-4]。作為天然氣主要供應氣源的液化天然氣(LNG)也迎來了快速發展期,截止2019年5月,中國已投產的LNG接收站共21座,接收規模達到8 760×104t/a;正在建設的LNG項目有13個,已獲核準尚未開工項目2個,規模合計2 280×104t/a[5]。除了新建LNG接收站外,現有接收站以擴大周轉能力為主,即大程度提高天然氣外輸能力,且新建或擴建的接收站終端容量趨向于大型化[6-7]發展。高壓泵是LNG接收站中用于將LNG增壓送至汽化器的關鍵核心設施,高壓泵的數目和處理能力直接決定了LNG接收站的周轉能力。目前，大多數LNG接收站擴建項目是通過增加高壓泵和汽化器的設備數目，來達到擴大外輸能力的目的。伴隨著高壓泵的配置數目越來越多,并聯運行高壓泵的數目也越來越多,據離心泵并聯運行的水力學理論分析,多臺離心泵并聯運行會降低每臺泵的流通能力,具體影響程度視具體工程項目的管路水力學而定。

本文研究多臺高壓泵并聯連續運行時流量偏流的工況,計算模擬并聯運行時每臺高壓泵的操作點。此外考慮到泵的操作點是性能曲線、管線阻力特性、控制閥門開度等參數的函數,其操作點沿著高壓泵性能曲線動態移動,穩態模擬軟件難以實現準確計算,因此需引入動態仿真計算工具來實現此工況動態變化過程。目前動態模擬軟件主要有Hysys Dynamic、Plus Dynamic和Dynsim,其中Hysys Dynamic可用于模擬分析石油化工裝置的工藝過程,反映實際生產中流量、溫度、壓力等工藝參數隨時間的擾動變化,已被國內外研究機構和工程公司廣泛應用[8-23],當前工程設計越來越倚重動態仿真計算,其分析數據更加貼近生產實際。

1 計算基礎數據

1.1 LNG組成和LNG高壓泵基本參數

某項目天然氣組分及摩爾含量為：CH495%，C2H61%，C3H81%，C4H101%，N22%。LNG高壓泵工藝參數為：額定流量450 m3，額定揚程2 275 m，額定效率72.5%

某項目一期工程設置5臺高壓泵,二期工程擴建2臺高壓泵,工程現已安裝7臺高壓泵,6用1備,所有7臺高壓泵進、出口匯管的水力學和壓損均按6臺高壓泵同時運行考慮,未考慮遠期擴建。但隨著LNG接收站應急調峰的要求,天然氣外輸市場要求LNG接收站能夠提供最大小時峰值為8臺高壓泵同時運行的處理量,運行工況的總計時間約10 d,因此LNG接收站需進行擴能改造,考慮到峰值外輸時間較短,峰值外輸工況不設置備用高壓泵,只需新增1臺高壓泵。由于高壓泵系統水力學是按照6臺高壓泵同時滿負荷運行考慮的,現在需同時運行8臺高壓泵,為此有必要評估擴能改造后高壓泵系統的影響,尤其是對8臺高壓泵同時運行時的偏流現象進行研究。此外為了盡可能避免因高壓泵制造商、高壓泵型號的不同對并聯高壓泵系統的影響,本次擴能改造采購的高壓泵與已有7臺高壓泵的制造商、型號完全相同。

1.2 高壓泵并聯布置

來自高壓泵入口緩沖罐(通常為再冷凝器)的高壓泵入口總管,分別接至8臺高壓泵的入口管線,高壓泵系統布置見圖1。圖1從左到右分別為泵A、B、C、D、E、F、G、H、I(預留),經高壓泵增壓后的LNG分別接入高壓泵的出口匯管,輸送至汽化區。

圖1 高壓泵系統布置示意圖Fig.1 Schematic drawing of high-pressure pump system arrangement

2 動態模擬搭建和結果分析

2.1 動態模擬搭建

采用動態模擬計算軟件Hysys Dynamic計算上述8臺高壓泵同時運行狀態下的流量、揚程等工藝數據,并結合高壓泵制造商的操作范圍要求判斷運行操作點是否滿足設備要求。

某項目中8臺高壓泵的型號、揚程-流量、效率-流量曲線相同,現將上述曲線輸入至Hysys Dynamic軟件中,形成高壓泵的性能曲線,見圖2～3。采用動態模擬軟件搭建上述工藝流程的動態模型,此模型中每臺高壓泵主要設置有泵最小回流的流量控制器,其中流量控制器為反饋控制,本高壓泵的最小回流回路控制點為其額定流量的40%,當外輸流量高于40%額定流量時,最小回流回路關閉;當外輸流量低于40%額定流量時,最小回流回路開啟維持高壓泵出口總流量為40%額定流量。

2.2 結果分析

8臺高壓泵同時運行時,經動態模擬計算后每臺高壓泵的前后壓差數據和實際體積流量見圖4～5。

圖2 高壓泵的流量-揚程曲線圖Fig.2 The flow-head curve of high-pressure pumps

圖3 高壓泵的流量-效率曲線圖Fig.3 The flow-efficient curve of high-pressure pumps

圖4 并聯運行工況下每臺高壓泵進、出口壓差圖Fig.4 The pressure difference chart of each pumps during paralleling cases

圖5 并聯運行工況下每臺高壓泵實際體積流量圖Fig.5 The actual volume flow rate of each pumps during paralleling cases

從圖4可看出,高壓泵A的前后壓差最小,高壓泵H的前后壓差最大,中間高壓泵的前后壓差逐步增大,這是因為高壓泵A入口管口距離高壓泵入口匯管最近,入口操作壓力最高;高壓泵A出口管口距離高壓泵出口匯管最近,所需出口操作壓力最低,因此前后壓差最小。相反,高壓泵H入口管口距離高壓泵入口匯管最遠,入口操作壓力最低;高壓泵H出口管口距離高壓泵出口匯管最遠,所需出口操作壓力最高,因此前后壓差最高。由于某項目一期、二期工程并未考慮高壓泵H的設計,新增高壓泵H后該泵進、出口管線的布置較其他7臺高壓泵更為復雜,路徑最遠,相應管線水力學損失更大,高壓泵前后壓差較其他高壓泵增加較多。

從圖5可看出,當高壓泵A的實際體積流量為其設計額定流量450 m3/h時,其他高壓泵的實際體積流量逐漸減少,分別為449.5、449、448.7、448.5、447.6、446.7、444.1 m3/h,顯然8臺高壓泵的實際體積流量均不同,已發生了偏流現象,距離高壓泵A越遠的高壓泵偏流現象越嚴重,該現象同現場實際運行情況相符。此外由于高壓泵的額定揚程為2 275 m,數值相對較高,因管線水力學損失造成的壓頭變化(約2～4 m)相對高壓泵的額定揚程比例極低,所以雖然發生了偏流現象,但每臺高壓泵的實際體積流量仍然在正常運行操作范圍內,對每臺高壓泵的運行幾乎沒有影響。

綜上所述,石油化工裝置中任何工藝系統的變化及運行均是動態變化的過程,引入動態模擬軟件先進計算工具，有助于設計人員和運營人員更好理解裝置運行特點,總結運行規律,優化運行操作。

3 結論

本文應用HYSYS動態模擬軟件并進行二次開發,對多臺高壓泵并聯運行的實際工況，建立動態模擬模型,研究多臺同規格高壓泵并聯運行時每臺高壓泵的操作點變化范圍,結論有以下三點。

1)隨著天然氣市場的發展,LNG接收站中高壓泵并聯運行操作工況已成為一種常態,分析研究多臺高壓泵并聯運行動態工況勢在必行,為此亟需掌握解決此類復雜工況的計算方法。

2)某項目中多臺高壓泵并聯時已發生偏流現象,與現場實際操作相符,但偏流程度在允許范圍內,對生產無影響。

3)動態模擬仿真計算能夠準確模擬多臺高壓泵并聯運行狀態下每臺高壓泵的實際運行操作點范圍,有助于工程設計更加貼近生產實際。