采用動(dòng)態(tài)物流模型計(jì)算LNG接收站的有效罐容

摘 要

摘要：科學(xué)合理地確定LNG儲(chǔ)罐罐容及數(shù)量配置是LNG接收站前期研究階段最重要的任務(wù)之一，目前國外概念設(shè)計(jì)與前端工程設(shè)計(jì)一般用靜態(tài)經(jīng)驗(yàn)公式估算法來確定新建LNG接收站項(xiàng)目的LNG
摘要：科學(xué)合理地確定LNG儲(chǔ)罐罐容及數(shù)量配置是LNG接收站前期研究階段最重要的任務(wù)之一，目前國外概念設(shè)計(jì)與前端工程設(shè)計(jì)一般用靜態(tài)經(jīng)驗(yàn)公式估算法來確定新建LNG接收站項(xiàng)目的LNG儲(chǔ)罐罐容，再采用外部第三方或其內(nèi)部開發(fā)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行核算，基本未考慮用氣市場(chǎng)的波動(dòng)性和調(diào)峰需求，估算結(jié)果明顯低于LNG接收站達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷工況下的實(shí)際需求。為此，引入成熟的物流概念和技術(shù)，把握LNG產(chǎn)業(yè)鏈的物流本質(zhì)，針對(duì)LNG接收站儲(chǔ)罐的庫存物流和LNG運(yùn)輸船到港、卸貨的排隊(duì)物流特性，建立了用于計(jì)算LNG接收站儲(chǔ)罐罐容及其數(shù)量配置的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。通過廣東某LNG接收站項(xiàng)目實(shí)例計(jì)算比較可知，該模型具有以下優(yōu)點(diǎn)：既可確定經(jīng)濟(jì)合理的LNG運(yùn)輸船船容及配置、LNG接收站罐容及配置，又可計(jì)算出非均勻船期條件下的LNG儲(chǔ)罐罐容及所需配置數(shù)量，還可動(dòng)態(tài)地掌握LNG儲(chǔ)罐庫存曲線的變化情況，為現(xiàn)貨采辦等經(jīng)營手段提供可靠的決策依據(jù)。
關(guān)鍵詞：LNG；LNG接收站；儲(chǔ)罐；罐容；動(dòng)態(tài)；數(shù)學(xué)模型模擬
    LNG儲(chǔ)罐是LNG接收站安全平穩(wěn)運(yùn)行的核心設(shè)施，也是項(xiàng)目投資的主要部分，近年來造價(jià)也不斷攀升[1]。在中國，LNG接收站可行性研究階段必須確定LNG儲(chǔ)罐的罐容規(guī)模，而受限于國內(nèi)項(xiàng)目投資管理體制的約束，該LNG儲(chǔ)罐規(guī)模一旦確定，就很難再進(jìn)行調(diào)整。因此，在LNG接收站的前期研究階段，最重要的課題之一就是確定經(jīng)濟(jì)合理的LNG儲(chǔ)罐罐容及數(shù)量[2]。
    從LNG產(chǎn)業(yè)鏈的角度看，為了更好地應(yīng)對(duì)季節(jié)性需求、新增需求和價(jià)格變化，作為下游的LNG接收站運(yùn)營方有很高的積極性參與到LNG價(jià)值鏈活動(dòng)，比如通過簽訂中短期合同參與LNG現(xiàn)貨市場(chǎng)交易等，以實(shí)現(xiàn)固定資產(chǎn)的充分利用和終極利益最大化，但其前提是對(duì)既有LNG儲(chǔ)罐的罐容利用曲線有充分的認(rèn)識(shí)和把握。因此，在LNG接收站的運(yùn)營階段，重要的課題之一就是如何實(shí)現(xiàn)LNG罐容管理效率的最大化。
1 LNG接收站儲(chǔ)罐罐容的計(jì)算模型
    國外概念設(shè)計(jì)(CD)和前端工程設(shè)計(jì)(FEED)公司一般用靜態(tài)經(jīng)驗(yàn)公式估算法來確定新建LNG接收站項(xiàng)目的LNG儲(chǔ)罐罐容，再采用外部第三方或其內(nèi)部開發(fā)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行核算。影響LNG接收站儲(chǔ)存能力的因素很多，其中影響最大的是LNG運(yùn)輸方案及下游用氣市場(chǎng)的峰谷特性。在LNG運(yùn)輸方面，具體的影響因素是多方面的，包括船容、船數(shù)、蒸發(fā)速率、航速、運(yùn)距、航次間隔、裝載和卸載速率、船舶塢修計(jì)劃、接收站碼頭利用率等相對(duì)有計(jì)劃的、確定性的因素，還包括其他諸如LNG運(yùn)輸船的無計(jì)劃維修、天氣等情況造成延誤等不可預(yù)料的因素。其中，LNG碼頭的連續(xù)不可作業(yè)天數(shù)是最主要的影響因素。
    兩個(gè)國外知名設(shè)計(jì)公司分別應(yīng)用的LNG儲(chǔ)罐罐容估算模型為：
    VT=F(VS，n，t，Q，q，μ)    (1)
    VT=G(VS，n，Qa，Km)          (2)
式中VT為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐的有效罐容，m3；VS為L(zhǎng)NG運(yùn)輸船的有效船容，m3；n為L(zhǎng)NG碼頭最大連續(xù)不可作業(yè)天數(shù)；t為平均卸船時(shí)間，h；q為L(zhǎng)NG接收站的日最小外輸量，m3/d；Q為L(zhǎng)NG接收站的日最大外輸量，m3/d；Qa為L(zhǎng)NG接收站的日均外輸量，m3/d；Km為用氣市場(chǎng)的季調(diào)峰系數(shù)；μ為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐罐容的安全系數(shù)。
    需要特別指出的是，按照LNG行業(yè)慣例，上述LNG儲(chǔ)罐的有效罐容即等同于名義罐容，是不包含約2m(對(duì)于常規(guī)的16×104m3儲(chǔ)罐而言)罐內(nèi)泵吸入口NPSH值的“滯留存量(Dead Stock)”的。而對(duì)于LNG運(yùn)輸船，上述有效船容則不同于名義船容，其有效比一般取96%。
    總的來看，上述靜態(tài)估算模型可分為以下兩類：
    1) 以模型(1)為代表的第一類模型特點(diǎn)是：基本不考慮用氣市場(chǎng)的波動(dòng)性和調(diào)峰需求。此類模型的特點(diǎn)類似于成品油順序輸送中的某成品油庫的計(jì)算模型(周期性來油和連續(xù)外輸供油)。LNG運(yùn)輸船的船容、LNG碼頭最大不可作業(yè)天數(shù)、LNG安全儲(chǔ)備天數(shù)、LNG儲(chǔ)罐安全系數(shù)是影響LNG儲(chǔ)罐罐容計(jì)算的最大因素?？紤]到對(duì)于任何一個(gè)特定的LNG接收站項(xiàng)目，其LNG運(yùn)輸船的主力船型是已定的，則面對(duì)不同特性的下游用氣市場(chǎng)時(shí)，LNG儲(chǔ)罐安全系數(shù)或LNG安全儲(chǔ)備天數(shù)(理論上應(yīng)超過LNG碼頭最大不可作業(yè)天數(shù))的經(jīng)驗(yàn)化取值水平成為該類模型能否相對(duì)準(zhǔn)確估算LNG儲(chǔ)罐罐容的決定性因素。
    2) 以模型(2)為代表的第二類模型，相對(duì)而言更接近實(shí)際一些，較多地考慮了在航次間隔期內(nèi)需要滿足下游用氣市場(chǎng)可能存在的較大調(diào)峰供給能力的要求。
    據(jù)此可以判斷：在下游市場(chǎng)用氣曲線較為平穩(wěn)時(shí)，這兩類模型的計(jì)算結(jié)果應(yīng)該比較接近；當(dāng)下游用氣市場(chǎng)存在明顯的季節(jié)特性，特別是當(dāng)有較大規(guī)模的天然氣調(diào)峰電廠運(yùn)行時(shí)，前一類模型的估算結(jié)果會(huì)明顯低于后一類模型，也低于LNG接收站達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷工況下的實(shí)際需求。此外，上述兩類模型均有一個(gè)基本的假設(shè)條件，即LNG運(yùn)輸船是按照均勻間隔供應(yīng)的。
2 LNG儲(chǔ)罐罐容的動(dòng)態(tài)物流數(shù)學(xué)模型
    從LNG產(chǎn)業(yè)鏈的角度看，從氣田開采、天然氣液化、LNG儲(chǔ)存到LNG運(yùn)輸環(huán)節(jié)的裝船、運(yùn)輸、卸船、儲(chǔ)存和外輸，形成了一個(gè)完整的物流鏈，這也使得LNG在上、中、下游各階段均呈現(xiàn)出顯著的物流特征[3～5]。通過引入業(yè)已成熟的物流分析技術(shù)，針對(duì)下游LNG接收站儲(chǔ)罐的庫存物流和LNG運(yùn)輸船到港、卸貨的排隊(duì)物流特性，可以構(gòu)建一個(gè)描述真實(shí)物流過程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，用于計(jì)算LNG接收站儲(chǔ)罐罐容及其配置數(shù)量，并可方便地用于運(yùn)營操作期間的LNG儲(chǔ)罐罐容管理。
    物流系統(tǒng)是一種典型的離散事件系統(tǒng)(DEDS)。通常，在該物流過程中應(yīng)用離散模擬計(jì)算方法，可以方便地模擬供應(yīng)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生的隨機(jī)事件對(duì)后續(xù)流程和整個(gè)系統(tǒng)的相互影響和干擾，進(jìn)行各種條件下的仿真模擬、核算和分析。
2.1 LNG接收站儲(chǔ)罐庫存物流描述
對(duì)于LNG接收站儲(chǔ)罐而言，可以用優(yōu)化的庫存曲線來描述和定義經(jīng)濟(jì)合理的儲(chǔ)罐罐容。在一般意義上，LNG儲(chǔ)罐的庫存可以描述為：
 
式中S為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐庫存，m3；VS為L(zhǎng)NG運(yùn)輸船的有效船容，m3；τ為對(duì)應(yīng)于某一LNG庫存的時(shí)間點(diǎn)，d；γ為L(zhǎng)NG庫存發(fā)生變化的時(shí)間點(diǎn)，d；QS為L(zhǎng)NG接收站實(shí)時(shí)外輸用氣量，m3/d；i、j、m、胛均為自然數(shù)。
2.2 LNG運(yùn)輸船到港、卸貨的排隊(duì)物流
    根據(jù)排隊(duì)理論，LNG運(yùn)輸船抵達(dá)碼頭的時(shí)間服從一定的規(guī)律。隨機(jī)性到達(dá)采用概率分布描述，最常用是泊松分布。在時(shí)間區(qū)間(τ，τ+s)內(nèi)到達(dá)m艘船的概率為：
    P[N(τ+s)-N(τ)=m]=(λs)me-λs/m！  (τ≥0，s≥0，k=0，1，2，…) (5)
式中λ為L(zhǎng)NG運(yùn)輸船單位時(shí)間內(nèi)的到達(dá)率(單位時(shí)間內(nèi)的碼頭服務(wù)率)；m為L(zhǎng)NG船數(shù)量。
而LNG運(yùn)輸船的抵達(dá)時(shí)間間隔及其在LNG接收站專用碼頭的服務(wù)時(shí)間，均服從指數(shù)分布，其密度函數(shù)為：
 
式中β為1/λ，指LNG運(yùn)輸船到達(dá)時(shí)間的間隔均值(碼頭服務(wù)時(shí)間均值)；
    對(duì)于LNG專用碼頭，由于計(jì)劃期內(nèi)的LNG運(yùn)輸船船型和船容較為統(tǒng)一，每裝卸一艘船所需時(shí)間可以近似認(rèn)為是定值，即為等長(zhǎng)分布。
    實(shí)際計(jì)算中，對(duì)這類非線性整數(shù)規(guī)劃采用蒙特卡羅方法(Monte Carlo)來求解。對(duì)于隨機(jī)性系統(tǒng)，可以通過大量的重復(fù)試驗(yàn)，獲得其平均意義上的特性指標(biāo)。
    上述模型(3)～(6)即構(gòu)成了LNG儲(chǔ)罐罐容的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。該模型的優(yōu)點(diǎn)在于：既可確定經(jīng)濟(jì)合理的LNG運(yùn)輸船船容及配置、LNG接收站罐容及配置，又可計(jì)算出非均勻船期條件下的LNG儲(chǔ)罐罐容及所需配置數(shù)量，還可動(dòng)態(tài)地掌握LNG儲(chǔ)罐庫存曲線的變化情況，為現(xiàn)貨采辦等經(jīng)營手段提供可靠的決策依據(jù)。
3 案例計(jì)算和比較
    以廣東某前期研究階段的LNG接收站項(xiàng)目為例，簡(jiǎn)要介紹上述動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用。
3.1 LNG儲(chǔ)罐罐容計(jì)算與確定
   該LNG接收站項(xiàng)目LNG運(yùn)輸船選擇21.5×104m3的主力船型，其2013年期的LNG接收站日外輸氣量(QS)曲線(同時(shí)也是匹配下游用氣市場(chǎng)的日用氣量曲線)如圖1所示。用戶類型包括管道外輸氣用戶(12.4%)、LNG槽車用戶(18.5%)及燃?xì)怆姀S用戶(69.1%)。
 

    1) 應(yīng)用靜態(tài)估算模型(2)進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果為：所需有效罐容為55.64×104m3，若選用常規(guī)16×104m3的儲(chǔ)罐，應(yīng)配置3.48個(gè)儲(chǔ)罐，取整為4個(gè)儲(chǔ)罐；若選用18×104m3的儲(chǔ)罐，則應(yīng)配置3.10個(gè)，取整為4個(gè)儲(chǔ)罐。
    2) 應(yīng)用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果為：所需有效罐容為56.81×104m3，LNG庫存(S)曲線如圖2所示，若選用常規(guī)16×104m3的儲(chǔ)罐，應(yīng)配置3.55個(gè)儲(chǔ)罐，取整為4個(gè)儲(chǔ)罐；若選用18×104m3的儲(chǔ)罐，則應(yīng)配置3.16個(gè)，取整為4個(gè)儲(chǔ)罐。由此可見，該動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型與原靜態(tài)估算模型的結(jié)論一致(原靜態(tài)模型的結(jié)果其實(shí)也是經(jīng)過設(shè)計(jì)單位內(nèi)部開發(fā)的動(dòng)態(tài)仿真軟件校核過的)。
 

3.2 LNG運(yùn)輸鏈參與下游用氣市場(chǎng)調(diào)峰的影響
    通過改變LNG運(yùn)輸船的船期，可使上游LNG運(yùn)輸鏈參與到下游用氣市場(chǎng)的調(diào)峰，此時(shí)該動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)勢(shì)更加突出。
    仍以上例說明。考慮到LNG運(yùn)輸市場(chǎng)的實(shí)際情況，假設(shè)僅調(diào)整一個(gè)船期后(即通過取消1個(gè)船次、插入1個(gè)船次，影響了2個(gè)船次間隔期，總船次和其他間隔期均不變)：
    1) 應(yīng)用靜態(tài)估算模型計(jì)算出LNG儲(chǔ)罐罐容為35.00×104m3，若選用常規(guī)16×104m的儲(chǔ)罐，應(yīng)配置2.19個(gè)儲(chǔ)罐，取整為2個(gè)儲(chǔ)罐；若選用18×104m的儲(chǔ)罐，則應(yīng)配置1.95個(gè)，取整為2個(gè)儲(chǔ)罐。該結(jié)果顯然需要進(jìn)一步校核。
2) 應(yīng)用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過LNG庫存曲線(圖3)可知所需罐容為41.87×104m，若選用常規(guī)l6×104m的儲(chǔ)罐，應(yīng)配置2.62個(gè)儲(chǔ)罐，取整為3個(gè)儲(chǔ)罐；若選用18×104m的儲(chǔ)罐，則應(yīng)配置2.33個(gè)，取整為3個(gè)儲(chǔ)罐。由此可見，采用靜態(tài)模型計(jì)算均勻來船情況下的LNG儲(chǔ)罐罐容尚且合理，而一旦來船期變化較大，靜態(tài)模型計(jì)算結(jié)果明顯不合理。而動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果更為合理。
 

3.3 應(yīng)急供氣需求下的LNG庫存水平校核
    上述案例中，在其他參數(shù)均不發(fā)生變化的情況下，假設(shè)2013年5月份某個(gè)臨近的下游用氣市場(chǎng)提出應(yīng)急供氣需求，應(yīng)急期為30d，在原有用氣量3450×104m的基礎(chǔ)上增加用氣1×108m3。
    利用該動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，可以模擬該應(yīng)急供氣月份的LNG庫存曲線，結(jié)果見圖4。由圖4可知，由于5月份是LNG庫存的高峰期，在5月份增加應(yīng)急供氣1×108m3反而降低了LNG庫存的高峰水平，在既有的LNG儲(chǔ)罐容量條件下是可以實(shí)現(xiàn)的。
 

3.4 用氣市場(chǎng)中斷用氣時(shí)的LNG庫存水平校核
    本動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型還可以用于評(píng)估下游用氣市場(chǎng)發(fā)生斷氣事故工況下的LNG儲(chǔ)罐的忍受水平。
    現(xiàn)仍以上述案例說明。通過LNG全周期庫存曲線可以判斷，由于LNG來船的均勻性和下游用氣市場(chǎng)的特點(diǎn)，在達(dá)到LNG庫存的峰值以前，LNG庫存水平總是累積上升的，基本無法忍受下游市場(chǎng)的斷氣事故造成的用氣中斷；而在到達(dá)LNG庫存峰值之后，LNG庫存水平是累積降低的，可以接受一定程度的下游用氣中斷事故。通過模型計(jì)算可知，由于管道外輸氣用戶所占比例很小(12.4700)，在LNG庫存峰值(7月初)之后的時(shí)期里，其斷氣時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)LNG庫存水平的影響不大，均在LNG儲(chǔ)罐的有效罐容范圍之內(nèi)。而對(duì)于燃?xì)怆姀S用戶則不然(用氣比例69.1%)，LNG儲(chǔ)罐可接受燃?xì)怆姀S用戶最長(zhǎng)斷氣時(shí)間見表1。需要說明的是，最長(zhǎng)斷氣時(shí)間為一個(gè)年周期的數(shù)據(jù)，而非多年平均意義上的數(shù)據(jù)。
表1 LNG儲(chǔ)罐可接受的燃?xì)怆姀S用戶最長(zhǎng)斷氣時(shí)間表
月份
71)
81)
9
10
11
12
斷氣時(shí)間/d
4～8
8～12
15
19
19
20
    注：1)在7月與8月，斷氣時(shí)間分布在月份的前端和后端的結(jié)果會(huì)有所不同。
4 結(jié)束語
    通過物流技術(shù)方法建立了LNG接收站庫存和LNG運(yùn)輸船到港兩個(gè)階段的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，從描述物流過程的角度計(jì)算LNG儲(chǔ)罐罐容及其配置。該模型可以用于核算不均勻船期下的LNG接收站庫存能力、LNG運(yùn)輸或下游用戶市場(chǎng)發(fā)生突發(fā)狀況的LNG庫存能力及LNG運(yùn)輸鏈參與下游用氣市場(chǎng)調(diào)峰情況下的罐容優(yōu)化。國內(nèi)LNG接收站的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)行皆處于起步階段，缺乏必要的經(jīng)驗(yàn)積累和完整的數(shù)據(jù)標(biāo)本，而從應(yīng)用計(jì)算機(jī)建模求解的角度看，該物流過程非常標(biāo)準(zhǔn)且較為簡(jiǎn)單，國內(nèi)的相關(guān)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)單位完全能夠針對(duì)自身LNG項(xiàng)目或LNG運(yùn)營公司的特點(diǎn)開發(fā)出更為優(yōu)化的計(jì)算程序或軟件，確保LNG接收站安全平穩(wěn)運(yùn)行，提高LNG儲(chǔ)罐利用效率。
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(本文作者：付子航 中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心)