開式天然氣膨脹液化流程動態仿真

李志軍 張少鑫 王瀚

1中國海洋石油國際有限公司

2中國石油青海油田采油三廠

3中國石油大學（華東）

為了驗證天然氣液化工藝的性能，往往需要對液化工藝進行模擬。流程的模擬是在工藝流程的機理模型基礎之上，運用數學的方法對化工過程進行描述，并且運用了計算機輔助技術進行模擬，可分為穩態模擬和動態模擬兩種。穩態模擬是研究和分析流程在穩態條件下各變量之間的關系，主要用于裝置的設計。動態模擬則是于對裝置啟動、停車、事故、外部擾動等動態工況的模擬。天然氣液化裝置運行時，外界條件是隨時間變化的，在擾動下液化系統運行的穩定性是衡量液化系統優劣的一個重要因素。

與一般的天然氣液化系統相比，天然氣調峰裝置的顯著特點是氣源流量不穩定，包括小時不均勻性和季節不均勻性。在用戶用氣量較小時，天然氣調峰裝置會將來自長輸管道終點的多余高壓天然氣進行液化并儲存；在用戶用氣量較多時將液化天然氣氣化，以平衡用戶用氣量不均的問題。考慮到天然氣調峰裝置的工作特性，將是否具有比較寬的處理范圍作為天然氣調峰裝置優劣的重要指標。因此，對調峰液化系統進行動態模擬顯得十分必要。LNG 槽車貧富液切換安全裝車的動態模擬研究可以為單元裝車安全性和高效性提供理論指導[1]。多級制冷回路運行中，動態仿真工具PROTISS[2]可以用作高保真模型復雜過程配置的實時求解。C3MR液化流程的動態模型[3]可用于控制算法的實現，從而提出更為魯棒的控制策略。通過對天然氣液化系統擾動的動態模擬[4]，可以得出系統響應曲線并作動態分析。在小型橇裝液化實驗裝置基礎上建立相應的工藝動態模型[5]可用于研究帶預冷的雙氮膨脹液化工藝的動態特性。通過對燃料分配系統進行動態模擬，研究發動機負載、LNG溫度、壓強的變化對系統輸出的影響[6]。

天然氣調峰裝置在實際工作中，原料氣的入口壓力、溫度、組分均存在變化。為了驗證液化工藝的可靠性，添加了原料氣壓力、溫度以及組分三種擾動，并將壓力和溫度的擾動分為5%、10%和15%三個級別，將組分擾動設置為甲烷含量分別為5%和10%兩個級別，對選定的開式天然氣膨脹液化工藝進行動態仿真，驗證調峰裝置實際運行的穩定性和可靠性。

1 液化流程模型的建立

本研究選定開式天然氣膨脹液化工藝作為處理量100×104m3/d 的調峰型天然氣液化廠的液化工藝。

開式天然氣膨脹液化流程如圖1所示。經預處理的高壓天然氣（NG1）分為兩部分（NG2、NG3）。NG2 經換熱器HEX-1、HEX-2 及過冷換熱器HEX-3 降溫后，分為兩部分，一部分（NG8）節流后進入LNG儲罐，另一部分（NG7）節流后為三個換熱器提供冷量。NG3 經換熱器HEX-1 冷卻后進入膨脹機（E-1），降溫后為換熱器HEX-1、HEX-2 提供冷量。LNG 儲罐中自蒸發的BOG，為換熱器HEX-1 提供冷量后與另外兩部分提供完冷量的低壓天然氣（NG14、NG18）混合，再經制動壓縮機增壓后，送往城市管網。

圖1 開式天然氣膨脹液化流程Fig.1 Open natural gas expansive liquefaction process

Aspen HYSYS軟件是Aspen Tech公司開發的面向油氣生產、氣體處理和煉油工業的模擬、設計、性能檢測的過程模擬軟件，具有穩態模擬和動態模擬功能[7]。本文先利用HYSYS軟件對開式天然氣膨脹液化流程進行穩態模擬，然后在穩態模擬的基礎上增加動態控制裝置，并通過控制裝置設置擾動參數變化規律，觀察系統特性參數在擾動作用下隨時間的變化趨勢。

液化流程的穩態模擬需結合實際確定流程初始參數，Aspen HYSYS靜態模擬基礎條件如下：①經過預處理后的天然氣的組成（摩爾分數）：甲烷87.04%、乙 烷2.10%、丙 烷3.37%、正 丁 烷4.16%、二氧化碳2.08%、氮氣1.25%，壓力為5 000 kPa，溫度為30 ℃，流量100×104m3/d（0.516 4 kmol/s）；②LNG 的儲存壓力為120 kPa；③狀態方程為Peng-Robinson 方程；④壓縮機的等熵效率為0.7，透平膨脹機的等熵效率0.8；⑤水冷器的壓降為10 kPa；⑥忽略系統熱損失。

根據以上模擬條件在HYSYS 軟件中完成開式天然氣膨脹液化流程穩態模型的搭建。穩態計算關鍵性工藝參數成果見表1。

表1 各物流的物理參數Tab.1 Physical parameters of materials flow

2 關鍵設備的動態模型

開式天然氣膨脹液化流程中設備有膨脹機、制動壓縮機、多股流換熱器、水冷換熱器、比例分流器、比例混合器等[8]，設備動態模型的建立必須滿足質量守恒、能量守恒和動量守恒方程，每個設備是整個復雜流程中獨立的部分，相互連接、相互影響并構成完整的液化工藝[9]，此動態模擬的自變量為進口壓力、進口溫度和甲烷組分含量，因變量為流量和膨脹機效率。

本設計中選用的換熱器類型為板翅式換熱器，板翅式換熱器各個參數的確定主要是依據Aspen MUSE 軟件中Design-PFIN 的Calcullation Mode 進行設計計算。第一步將穩態模型中換熱器的物流質量流量、進出口壓力、進口壓力和換熱器壓差、進出口物流的氣液比以及冷熱流的摩爾組分輸入軟件相應的計算模塊，物流計算模型選用Peng-Robinson模型。初步計算設計出換熱器參數，得到換熱器的基礎參數，如換熱器的翅片類型，翅片特征參數以及每股物流對應的流體通道數和相應的換熱物性參數。第二步是在第一步計算結果的基礎上，對換熱器進行重新設計校核。將第一步計算出的換熱器基礎參數輸入軟件相應計算模塊中，導入物流基礎數據，保存輸入基礎數據運行計算模塊，反算出冷熱物流的進出口物性參數，與靜態模型基礎數據進行對比分析，確定出動態換熱器的基本參數，以及物流在換熱器中的物性參數及換熱相關參數。該過程程序框圖如圖2所示。

圖2 HYSYS換熱器動態模型建立程序框圖Fig.2 Block diagram of dynamic model establishing program of HYSYS heat exchanger

三個換熱器動態模型依次搭建完成并且各參數運行穩定后，對換熱器相應物流依次連接，搭建出換熱器動態模型基礎。在換熱器動態模型連接完成后依次加入膨脹機、制動壓縮機、水冷器動態模型。

膨脹機、制動壓縮機、水冷器動態模型的建立與換熱器動態模型建立有共同之處，動態模型的建立依舊是在靜態模擬的基礎上，設定邊界條件運行動態模型、適當調整相關參數，完成設備的動態模型建立。在膨脹機、制動壓縮機、水冷器動態模型相關工藝參數運行穩定后，依次將各個設備動態模型連接，最終搭建出整個開式天然氣膨脹液化工藝動態模型。在Aspen HYSYS 中搭建的動態模型運行14 576 min后，各參數基本保持穩定，與靜態模擬相比參數浮動變化范圍相對較小，各節點參數運行穩定且與穩態參數相比誤差小于0.5%。開式天然氣膨脹液化工藝動態模擬基礎建立完成。

3 工藝適應性分析

利用開式天然氣膨脹液化工藝動態仿真模型，分析進口壓力、進口溫度、甲烷組分含量等條件變化時對該工藝流程性能的影響，從而確定該工藝的適應性。將運行中的實際工況變化細化為進口天然氣組分中甲烷含量變化、進口壓力變化和進口溫度變化等擾動，根據改變工況后系統的性能判斷系統的適應性，最終確定所選工藝在實際運行工況下的安全性、穩定性和準確性。

3.1 進口溫度變化對系統性能的影響

動態系統在正常工況下運行一段時間后，將天然氣進口溫度分別提高以及減小5%、10%、15%，正常工況下天然氣進口溫度30 ℃。檢測LNG 進入閃蒸罐前節點NG9 的流量以及膨脹機的效率隨擾動的變化情況。

天然氣進口溫度變化對節點NG9 流量的影響如圖3 和圖4 所示。正常工況下NG9 的流量為0.109 2 kmol/s，當天然氣進口溫度分別增加5%、10%、15%時，對應的節點NG9 的流量分別為0.108 8、0.108 5、0.108 2 kmol/s，流量減小幅度分別為0.37%、0.64%、0.91%。當天然氣進口溫度分別降低5%、10%、15%，節點NG9 的流量隨進口溫度的降低而小幅度增加，增幅分別為0.27%、0.46%、0.64%。

圖3 節點NG9的流量隨進口溫度增加的響應曲線Fig.3 Response curve of flow rate of node NG9 with the increase of inlet temperature

圖4 節點NG9的流量隨進口溫度降低的響應曲線Fig.4 Response curve of flow rate of node NG9 with the decrease of inlet temperature

進口溫度變化對膨脹機效率的影響如圖5和圖6所示，隨著進口溫度的增加，膨脹機效率基本無明顯變化，基本保持在73.5%上下小范圍內波動。隨著進口溫度的減小，膨脹機的效率在添加擾動后有波動狀況出現，但在運行一段時間后，效率又收斂到73.3%，系統又重新達到穩定運行。

圖5 膨脹機效率隨溫度增加的響應曲線Fig.5 Response curve of expander efficiency with the increase of inlet temperature

圖6 膨脹機效率隨溫度降低的響應曲線Fig.6 Response curve of expander efficiency with the decrease of inlet temperature

3.2 進口壓力變化對系統性能的影響

動態系統在正常工況下運行一段時間后，將天然氣進口壓力分別提高以及減小5%、10%、15%，正常工況下天然氣進口壓力5 000 kPa，添加擾動后天然氣進口壓力發生變化。檢測LNG 進入閃蒸罐前節點NG9 的流量以及膨脹機的效率隨擾動的變化情況。

節點NG9的流量隨進口壓力變化的情況如圖7和圖8所示，正常工況下NG9的流量為0.109 2 kmol/s。節點NG9 的流量在添加進口壓力擾動后，先突變后穩定收斂在某一值。當系統進口壓力分別增加5%、10%、15%時，節點NG9 的流量增幅分別為3.0%、5.77%、8.4%；當系統進口壓力分別減小5%、10%、15%時，節點NG9 的流量降幅分別為3.3%、6.5%、10%。

圖7 節點NG9的流量隨進口壓力增加的響應曲線Fig.7 Response curve of flow rate of node NG9 with the increase of inlet pressure

圖8 節點NG9的流量隨進口壓力減小的響應曲線Fig.8 Response curve of flow rate of node NG9 with the decrease of inlet pressure

進口壓力變化對膨脹機效率的影響如圖9和圖10 所示。當系統進口壓力分別增加5%、10%、15%時，膨脹機的效率有極小幅度的增加，增加幅度分別為0.3%、0.4%、0.7%；當系統進口壓力分別減小5%、10%、15%時，膨脹機的效率基本保持不變，在添加擾動后壓縮機功率先波動，之后趨于穩定。

圖9 膨脹機效率隨進口壓力增加的響應曲線Fig.9 Response curve of expander efficiency with the increase of inlet pressure

圖10 膨脹機效率隨進口壓力減小的響應曲線Fig.10 Response curve of expander efficiency with the decrease of inlet pressure

3.3 組分含量變化對系統性能的影響

動態系統在正常工況下運行一段時間后，改變天然氣組分，將天然氣中的主要組分甲烷含量分別增加和降低5%、10%。檢測LNG進入閃蒸罐前節點NG9的流量以及膨脹機的效率隨擾動的變化情況。

不同擾動下，天然氣的組分含量如表2所示。

表2 不同擾動下的天然氣組分含量Tab.2 Content of natural gas components under different disturbance 摩爾分數/%

正常工況下NG9的流量為0.109 2 kmol/s，甲烷組分變化對節點NG9 流量的影響如圖11 和圖12所示。當系統甲烷組分改變時，節點NG9的流量隨擾動有明顯的突變情況，在系統運行一段時間后重新穩定在新的值。當甲烷含量分別增加5%、10%時，節點NG9 的流量對應增幅分別為3.75%、7.5%。當甲烷含量分別減小5%、10%，節點NG9的流量對應降幅分別為4.0%、8.6%。

圖11 節點NG9的流量隨甲烷組分增加的響應曲線Fig.11 Response curve of flow rate of node NG9 with the increase of methane component

圖12 節點NG9的流量隨甲烷組分減小的響應曲線Fig.12 Response curve of flow rate of node NG9 with the decrease of methane component

甲烷組分變化對膨脹機效率的影響如圖13 和圖14 所示。膨脹機效率在添加甲烷含量改變的擾動后，有個迅速突變的過程，突變后又迅速穩定在某一值附近，后隨系統繼續運行達到穩定。當甲烷含量分別增加5%、10%時，膨脹機效率的增幅分別為2.7%、5.4%。當甲烷含量分別減小5%、10%，膨脹機效率的降低幅度分別為0.7%、1.4%，變化幅度較小。

圖13 膨脹機效率隨甲烷組分增加的響應曲線Fig.13 Response curve of expander efficiency with the increase of methane component

圖14 膨脹機效率隨甲烷組分減小的響應曲線Fig.14 Response curve of expander efficiency with the decrease of methane component

4 結論

以選定的開式天然氣膨脹液化流程為基礎，在Aspen HYSYS 軟件中建立了液化流程的模態模型，并進行動態模擬仿真，研究了該液化系統在調峰工況下的工藝適應性。分析天然氣進口溫度和壓力分別增加和減小5%、10%、15%，天然氣中甲烷含量分別增加和降低5%、10%時，系統的運行情況和系統節點的參數變化情況。從系統的參數隨擾動的變化情況綜合來看，可以得到以下結論：

（1）天然氣進口溫度的變化對系統的影響最小。

（2）天然氣進口壓力的變化對系統的影響明顯，進口壓力增加有利于提升系統性能。

（3）天然氣甲烷含量的變化對系統的影響明顯，甲烷含量的增加有利于系統性能的明顯提升。

（4）依據進口溫度、壓力和組分（甲烷含量）對系統的影響結果來看，以上擾動情況在一定范圍內（溫度、壓力15%，甲烷含量10%）上下浮動時，系統仍舊能夠穩定、可靠的運行。

由動態模擬結果和系統對擾動的動態運行情況來看，可以確定該開式天然氣膨脹液化流程在調峰工況下的運行情況及適應性均良好，可以作為處理量100×104m3/d的調峰型天然氣液化廠的液化工藝。