LNG接收站開架式氣化器低溫運行優化與實踐

周 華 程云東 蘇建偉

(中石油大連液化天然氣有限公司，遼寧 大連 116001)

在21世紀作為主要能源的天然氣不但是優質的燃料，而且是化學工業的重要原料[1]。然而天然氣產地和消費市場之間的距離通常很遠，而且天然氣體積大、不便于存儲的特點也是其產業發展的制約因素。液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)以其體積遠小于其氣態形式和便于氣化的優點，為解決天然氣的長距離運輸和存儲的問題提供了有效的方法[2]。隨著我國沿海液化天然氣接收站的相繼建成和投產，我國的LNG工業迎來了快速發展的高潮[3]。開架式氣化器(Open-Rack Vaporizer，ORV)作為LNG接收站的關鍵設備，已經被廣泛采用并逐漸成為主流氣化器。

ORV與其他類型氣化器相比具有兩大優勢[3，4]：一是工藝簡單，運行可靠，且耐用、安全；二是成本效益明顯，大部分LNG接收站建設在沿海或離海較近的沙灘，ORV使用的海水可就地取材，成本低且資源充足。另外，ORV 運行時只有海水泵消耗電能，而另一常用的浸沒燃燒式氣化器(Submerged Combustion Vaporizer，SCV)除風機和循環水泵消耗電能外，運行過程中還需要消耗燃料氣，因此使用ORV對接收站的節能降耗起到重要作用。其諸多使用優點，使越來越多的用戶和相關專家意識到使用ORV的優越性，并且贊成冬季在海水溫度允許的情況下最大限度地使用ORV氣化LNG，因此研究ORV的低溫運行特點具有良好的經濟效益和社會效益。

1 ORV結構與工作原理①

ORV采用海水作為氣化LNG的熱媒，整個氣化器用鋁合金支架固定安裝，其基本組成單元為換熱管，由約80根平行分布的連接上、下總管的換熱管組成面板，5～6塊面板組成一個模塊。組成面板的翅片管為星狀翅型，管內安裝了傳熱加速器以提高傳熱系數。管外表面噴有一層含1%鋅的鋁合金涂層，用來作為避免海水腐蝕基底金屬的犧牲陽極。氣化器頂部有海水噴淋裝置，其最重要的作用是實現海水的均勻和連續流動。LNG在換熱管內自下而上流動，上升過程中連續換熱、氣化和過熱化，并在天然氣總管中匯集、輸出。

圖1 開架式氣化器ORV結構圖

2 ORV運行要求與能耗測算

2.1 ORV的運行要求

某LNG接收站工程一期建設規模為年產300萬t，根據氣候和水溫條件，氣化設備為3臺ORV和4臺SCV相結合型式。ORV采用日本生產的高性能氣化器，其主要性能參數如下：

換熱面積 3 081m2

換熱量 36.8MW

設計最大能力 250t/h

設計海水流量 9 180t/h

設計海水溫度低限 5.5℃

操作能力 202t/h

設計壓力 15MPa

天然氣出口溫度 大于1℃

ORV生產運行時，需要監控的主要參數有LNG流量、LNG出/入口壓力、天然氣出口溫度和海水流量、壓力、溫度。另外，海水的結冰和配送是衡量ORV運行正常和安全的一個重要指標，必須對運行中結冰的數量和分布進行檢查。在水量分布良好的情況下，結冰必須均勻，且期望的平均結冰高度離下頂蓋的距離不能超過3m，箭頭狀局部結冰與平均結冰高度相比不超過1m(圖2)。

圖2 ORV結冰和分布操作限制

2.2 ORV能耗測算

ORV作為LNG接收站的關鍵設備，與SCV相比不僅工藝簡單、運行可靠，而且具有低能耗和零污染的顯著特點。其低能耗體現在兩個方面：氣化使用的海水可就地取材，成本低且資源充足；ORV 運行時只有海水泵及其相關配套設備消耗電能。而SCV除了風機和循環水泵消耗電能外，運行過程中還需要消耗燃料氣。

為了保證能耗測算數據準確、可靠，將SCV水浴加熱至與海水相同的溫度，并使氣化天然氣溫度設定值與ORV出口氣體溫度值相同，兩者通過的LNG流量相等，均為144.5t/h。工業電費為0.56元/(kW·h)，LNG按5 000元/t計算，各運行1h后測算結果見表1。

表1 某接收站ORV與SCV氣化能耗測算

從表1可以看出：使用ORV可使能耗大幅度降低，氣化1Nm3天然氣時使用ORV比使用SCV節省0.039 8元，能耗約為相同條件下SCV的8.5%。因此研究ORV的運行條件對對接收站節能降耗有重要的意義。

3 ORV低溫運行優化與實踐

3.1 影響ORV運行的兩個主要因素

3.1.1海水溫度

海水溫度是決定ORV運行時間的重要因素，圖3為某接收站海水溫度隨時間的變化趨勢，統計時間從2012年6月1日至2013年6月1日，期間以每日中午12點海水溫度為記錄點。從圖3中可以看出：海水溫度最高點出現在2012年8月9日，為24.01℃，而最低點出現在2013年1月23日，為0.94℃；海水溫度低于切換點5.50℃的日期為2012年12月22日至2013年4月29日，總計129天，即將ORV切換至SCV運行后，SCV需運行129天。由于SCV運行時間較長，因此能耗勢必會增加。

圖3 某接收站海水溫度隨時間變化趨勢

3.1.2外輸量

外輸量能夠決定一段時間內氣化器的運行數量和每臺的氣化器操作負荷配置，圖4為某接收站從2012年6月1日至2013年6月1日外輸量隨時間的變化趨勢。從圖4可以看出：其中最高外輸量出現在2013年2月8日，日輸天然氣1 218.96萬Nm3，而最低量出現在2012年7月1日，日輸天然氣為359.60萬Nm3；另外，從2012年8月17日至2013年4月7日，日外輸量穩步上升，基本保持在800.00萬Nm3以上，屬于用氣高峰期。如何根據海水溫度和外輸量變化情況合理配置氣化器和操作負荷成為節能降耗的關鍵。

圖4 某接收站日外輸量隨時間變化趨勢

3.2 ORV低溫運行測試及分析

根據ORV的初始設計要求，當海水溫度高于5.50℃時采用ORV氣化外輸，海水溫度低于5.50℃時采用SCV設備氣化。而海水溫度低于設計點5.50℃時，由性能曲線(由設備廠商提供)可看出， ORV具備海水溫度在2.50～5.50℃變化條件下運行的可能性，只是操作負載受到一定程度的限制(表2)。

表2 不同操作壓力及海水溫度下ORV的最大操作負載 t

其操作負荷的計算式為[5]：

F(x,y,z)=(-7.514-19.811x+48.675y+3.419x2-9.755y2-0.331x3+0.539y3+9.91xy-0.049x2y-

0.566xy2)·z/9180

式中F(x，y，z)——ORV最大操作負載；

x——海水溫度，2.50≤x<10.00；

y——操作壓力，4.0≤y<10.4；

z——海水流量，5510≤z<9180。

當海水溫度低于2.5℃時，通過實際測試驗證ORV低溫運行的可能性和能達到的最大操作負載，測試要求在保證生產安全運行和保護設備的前提下進行，建議期望的平均結冰高度離頂蓋的距離不能超過2m，箭頭狀局部結冰與平均結冰高度相比不超過1m。

測試條件：LNG入口壓力為4.5MPa，保證ORV出口的天然氣溫度不低于1℃，海水流量須達到設計點9 180t/h以上，且ORV海水出口溫度在0℃以上，現場ORV各面板海水分布均勻。

測試方法：海水溫度從2.50℃開始，每次降低0.10℃，分2.50、2.40、2.30、2.20、2.10、2.00℃共6個階段。根據現場面板結冰情況、ORV出口天然氣溫度和海水出口溫度變化情況逐漸增加LNG流量，通過ORV入口的LNG流量控制FCV閥開度進行控制，每次增加約5t/h，當到達某個流量值后，觀察20min，待現場各面板結冰情況穩定后開始記錄數據，表3為操作壓力為4.5MPa下，海水流量大于9 180t/h時的其中一組測試數據。

表3 低海水溫度下ORV運行測試數據

(續表3)

從表3中可以看出：在操作壓力不變的情況下，隨著海水溫度不斷降低，ORV的操作負荷也逐步降低，同時氣化和熱交換效率也隨之下降。某接收站使用ORV氣化測試最低海水溫度為2.00℃，操作壓力為4.5MPa，此時每臺ORV可以實現35%的負荷運行，即可達到202×35%=70.7t/h的LNG氣化量。采用同樣的測試方法，分別測試不同操作壓力下的相對最大操作負荷數據(表4)。

表4 低海水溫度下不同操作壓力對應ORV最大操作負載測試數據 t

注：測試時海水流量須達到設計點9 180t/h以上。

當海水溫度在2.00～2.50℃變化，海水流量達到設計點9 180t/h以上時，根據不同操作壓力，實際最高負載可依據表4進行調整；而當海水流量沒有達到9 180t/h時，實際最高操作負載可按實際最高操作負載=最高負載×實際海水流量/9180進行調整，實際海水流量要求不低于海水流量低低值5 510t/h。

4 優化方案及實施效果分析

通過上述分析可知：ORV具有在低海水溫度2.00～5.50℃運行的可能性。對影響ORV運行的兩個主要因素隨時間的變化趨勢進行分析，提出優化運行方案如下：

首先當海水溫度低于5.50℃時，即在2.00～5.50℃變化時，根據海水溫度變化可利用式(1)、(2)調節操作負荷，最大限度地使用ORV進行氣化外輸；其次可依據外輸量和海水溫度變化情況，使用多臺ORV替代一臺或多臺SCV后進行氣化外輸。

舉例說明，某接收站2013年1月17日計劃日外輸1 100.00萬Nm3，折合每小時外輸321t，海水溫度為2.15℃，根據優化后的結果，ORV可實現額定的35%負荷工作，即3臺ORV可承擔約212t/h的氣化任務，其余109t/h外輸量可由一臺SCV承擔，依照此優化方案，與單純使用SCV進行氣化相比，每天可節省約28.69萬元，節能降耗效果相當明顯。

表5為ORV優化前、后氣化運行天數對比，統計時間為2012年6月1日至2013年6月1日。從表5中可以看出：優化后，純使用SCV氣化運行天數由原129天縮短為15天，純使用ORV氣化運行天數由原236天增加至286天，而優化后兩種氣化器混合使用天數為64天。因此，ORV的優化實質是增加其運行時間，從而降低生產成本，這樣可在海水溫度允許的情況下，最大限度地使用ORV氣化LNG，達到節能降耗的目的。

表5 ORV運行優化前、后氣化運行天數對比

注：氣化器統計天數為2012年6月1日至2013年6月1日，期間接收站連續運行。

5 結束語

ORV是LNG接收站主流氣化器類型，研究其運行條件對節能降耗意義重大。筆者探索了ORV在海水溫度低于設計點5.50℃下低溫運行的可能性和能達到的最大操作負荷，并提出了具體的運行優化方案。實踐證明優化后ORV的節能降耗效果明顯，可為其他接收站冬季低溫條件下ORV的使用提供參考和借鑒。