基于Hysys對加注船加注過程中BOG產生量的分析

周毅,孫冰,李萌,朱永凱,蒙學昊

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司,天津 300452)

LNG船對船加注作業過程中會產生BOG(Boil-Off Gas,BOG),而BOG會引起船艙內壓力升高,如不及時處理,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產品損耗和環境污染,造成大量經濟損失和碳排放。目前,眾多學者和行業內工程師對LNG接收站運行過程中的BOG生成量的計算進行了深入研究,但國內對LNG船對船加注的研究尚處于起步階段,相關的規范和操作指南還有待補充和完善。因此準確計算加注船BOG處理量,以及優化操作參數控制BOG量,對于LNG加注船的工程設計和投資至關重要[1-2]。因此考慮分析針對不同LNG船型的加注作業中BOG的生成量,分析兩船加注作業中BOG生成量的主要影響因素[3],在此基礎上,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生的BOG量,得出BOG量隨時間變化的關系圖。在保證加注安全性的前提下,盡可能降低過程中BOG產生量,以達到削減BOG產生量的峰值,使BOG壓縮機系統運行更穩定,從而降低運行操作費用。

1 加注作業BOG產生原因及及計算方法

1.1 BOG產生工況分析

1)非加注工況。LNG加注船處于航行或停泊怠速狀態,BOG主要由LNG加注船液貨艙吸熱和燃料泵產生,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生,加注作業產生的BOG由LNG加注船消耗或回收(忽略受注船本身的消耗)。

1.2 從外界吸熱產生的蒸發氣量VT

加注船液貨艙及受注船燃料艙在正常運行條件下,從外界吸收熱量產生BOG。目前模擬中燃料艙BOR產生量按照經驗值0.15%的艙容估算,液貨艙也按此比例估算,待液貨艙BOR具體計算結果出來后,模擬按此熱流數據進行調整。

1.3 由外界輸入的液態量產生的蒸發氣量VL

LNG加注船向受注船燃料艙注入LNG會產生活塞效應,導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 加注時的閃蒸VF

對受注船燃料艙進行加注作業時,LNG會出現瞬間蒸發。其產生的主要原因如下。

1)泵送的動能對LNG的加熱。

2)流經管道的吸熱。

3)加注液體與燃料艙內的液體的混合。

4)在壓力狀態下的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壓力的變化。如果艙內壓力處于最大壓力狀態,大氣壓的下降會造成艙內壓力升高,導致氣體膨脹外排及液體過熱產生的氣化。反之,大氣壓上升會造成艙內壓力下降。

由于加注過程避免在惡劣天氣下進行,考慮采用正常情況下加注過程對BOG產生量峰值的影響,因此此項可忽略。

1.6 液體外排狀態VD

液貨艙液體外排應由氣體輸入來平衡讓出的空間以避免負壓。

1.7 主機及發動機BOG消耗量VC

此部分包括加注船主機及發動機BOG消耗量VCC及受注船主機及發動機BOG消耗量VCF。

綜上,在設計工況下,BOG的總量如下:

V=VT+VL+VF+VD-VC

式中:VC=VCC+VCF

2 燃料艙模擬

燃料艙進料動態模型見圖1。

圖1 燃料艙進料動態模型

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

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,將壓力溫度設為-159.8 ℃,壓力設為9.000 barG。

圖2 流股7模擬液貨艙泵

模擬后的物性結果見圖3。

圖3 流股7模擬后的物性結果

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

圖4 閥VLV-102的作用下的參數設置

流股8作為燃料艙的進料,壓力與燃料艙保持一致,經閥VLV-102減壓后,控制在0.2 barG左右,具體參數見圖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,加注結束后液體體積9 701 m3,日蒸發率BOR按估算值50 kW加入到模型的熱流輸入中,容器直徑設為24.81 m,高度為37.22 m,液相體積和液位體積為53.29%,容器壓力設置為0.226 6 barG具體參數見圖6、7。

圖6 熱流輸入參數設置

圖7 熱流輸入參數設置

在加注的同時,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置

控制結果可由流股8、9及V-101壓力得到,見圖9。

圖9 PID控制結果

3 模型結果分析

動態模擬結束后,燃料艙進料、BOG產生量、燃料艙壓力、燃料艙液體體積數據見表2。

由表2可以看出,燃料艙進料流量和壓力均在控制范圍內。

表2 動態模擬后的具體數據

該模型可以反映燃料艙加注過程中BOG產生量隨時間的變化過程。

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

4 結論

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

由于尚未形成完整的工藝流程,故穩態流程的搭建及控制方案的選取是難點和關鍵。只有在合理完整的穩態模擬基礎上,選取合適的參數進行PID控制,才能得到準確的BOG產生量信息。目前,正在分步驟通過不同的穩態流程和控制方案的搭建,試圖構建合理完整的加注過程。

在此基礎上,還應考慮不同操作工況下BOG的產生量,具體①改變液貨艙操作壓力、增加回氣壓縮機;②控制液貨艙和燃料艙處于同一壓力系統下。在兩套不同的壓力系統下,改變進料流量和艙壓力,分析BOG產生量。