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(fā)展“十三五”規(guī)劃提出,天然氣是一種優(yōu)質(zhì)、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(xiàn)實選擇。近年來,中國天然氣產(chǎn)業(yè)建設(shè)進入了快速發(fā)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(fā)展期,截止2019年5月,中國已投產(chǎn)的LNG接收站共21座,接收規(guī)模達到8 760×104t/a;正在建設(shè)的LNG項目有13個,已獲核準尚未開工項目2個,規(guī)模合計2 280×104t/a[5]。除了新建LNG接收站外,現(xiàn)有接收站以擴大周轉(zhuǎn)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(fā)展。高壓泵是LNG接收站中用于將LNG增壓送至汽化器的關(guān)鍵核心設(shè)施,高壓泵的數(shù)目和處理能力直接決定了LNG接收站的周轉(zhuǎn)能力。目前，大多數(shù)LNG接收站擴建項目是通過增加高壓泵和汽化器的設(shè)備數(shù)目，來達到擴大外輸能力的目的。伴隨著高壓泵的配置數(shù)目越來越多,并聯(lián)運行高壓泵的數(shù)目也越來越多,據(jù)離心泵并聯(lián)運行的水力學理論分析,多臺離心泵并聯(lián)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(lián)連續(xù)運行時流量偏流的工況,計算模擬并聯(lián)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(shù)的函數(shù),其操作點沿著高壓泵性能曲線動態(tài)移動,穩(wěn)態(tài)模擬軟件難以實現(xiàn)準確計算,因此需引入動態(tài)仿真計算工具來實現(xiàn)此工況動態(tài)變化過程。目前動態(tài)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(chǎn)中流量、溫度、壓力等工藝參數(shù)隨時間的擾動變化,已被國內(nèi)外研究機構(gòu)和工程公司廣泛應用[8-23],當前工程設(shè)計越來越倚重動態(tài)仿真計算,其分析數(shù)據(jù)更加貼近生產(chǎn)實際。

1 計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.1 LNG組成和LNG高壓泵基本參數(shù)

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(shù)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(shè)置5臺高壓泵,二期工程擴建2臺高壓泵,工程現(xiàn)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(diào)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(shè)置備用高壓泵,只需新增1臺高壓泵。由于高壓泵系統(tǒng)水力學是按照6臺高壓泵同時滿負荷運行考慮的,現(xiàn)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(tǒng)的影響,尤其是對8臺高壓泵同時運行時的偏流現(xiàn)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(lián)高壓泵系統(tǒng)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(lián)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(tǒng)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(jīng)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(qū)。

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

2 動態(tài)模擬搭建和結(jié)果分析

2.1 動態(tài)模擬搭建

采用動態(tài)模擬計算軟件Hysys Dynamic計算上述8臺高壓泵同時運行狀態(tài)下的流量、揚程等工藝數(shù)據(jù),并結(jié)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(shè)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(xiàn)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(tài)模擬軟件搭建上述工藝流程的動態(tài)模型,此模型中每臺高壓泵主要設(shè)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(guān)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(jié)果分析

8臺高壓泵同時運行時,經(jīng)動態(tài)模擬計算后每臺高壓泵的前后壓差數(shù)據(jù)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(lián)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(lián)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(shè)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(shè)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(fā)生了偏流現(xiàn)象,距離高壓泵A越遠的高壓泵偏流現(xiàn)象越嚴重,該現(xiàn)象同現(xiàn)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(shù)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(fā)生了偏流現(xiàn)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(nèi),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(tǒng)的變化及運行均是動態(tài)變化的過程,引入動態(tài)模擬軟件先進計算工具，有助于設(shè)計人員和運營人員更好理解裝置運行特點,總結(jié)運行規(guī)律,優(yōu)化運行操作。

3 結(jié)論

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

1)隨著天然氣市場的發(fā)展,LNG接收站中高壓泵并聯(lián)運行操作工況已成為一種常態(tài),分析研究多臺高壓泵并聯(lián)運行動態(tài)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(lián)時已發(fā)生偏流現(xiàn)象,與現(xiàn)場實際操作相符,但偏流程度在允許范圍內(nèi),對生產(chǎn)無影響。

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