虹吸式換熱器在LNG冷能利用項目中的應用

丁力 袁丹 張榮偉 梁東

摘 要：本文在LNG冷能利用制冰項目的基礎上，以實際調試經驗及測試數據為依據，總結原有常規管殼式換熱器的使用特性，提出了一種虹吸式換熱器在該領域的應用方案。該換熱器的應用可增強LNG冷能利用技術的可行性，與一般換熱器相比，該設備具有耐高壓、抗變形、投資少、占地小、運行費用低，操作維護便捷等優勢。

關鍵詞：虹吸式換熱器；LNG；冷能利用；天然氣

本文從技術可行性及安全性等方面，在示范項目技術成熟的基礎上，總結調試及長期運行的經驗，提出一種虹吸式換熱器的應用方案，該換熱器不僅可用于一般規模的LNG冷能利用項目，而且可實現核心設備全部國產化。

1 工況分析

根據某LNG氣化站工況背景，該站占地約4.4×104 m2，是周邊用戶的主供氣站，供氣能力為6.4×104 m3/h。一般氣化量為2500～36000 m3/h，氣化壓力為0.48～0.50MPa，管網外輸壓力為0.362～0.366 MPa。站內有8臺150 m3的立式LNG儲罐，1臺1750 m3的LNG子母儲罐，6個LNG槽車卸車位以及24臺4000 m3/h的空溫式氣化器。

LNG直接氣化時，由于LNG 的溫度極低，使空氣中的水分以及其它組分液化，形成冷霧。隨著 LNG氣化量的增加，冷霧范圍逐漸擴大，濃度逐漸增加。在氣化量高峰時，冷霧已經彌漫整個氣化站，大量冷污染產生對站內運行及周邊帶來諸多影響。

安全隱患：生產區冷霧彌漫不利于運行人員巡查及操作，易造成人員滑跌摔傷，同時處于長期的低溫潮濕環境中，不利于運行人員的身體健康。

環境影響：大量冷霧向周圍環境擴散，對LNG站周邊交通及行人安全造成不利影響。

設備損傷：低溫潮濕環境造成站內管道、閥門、設備設施腐蝕加劇，同時也會影響儀表自控設備的不正常運轉。

2 方案介紹

2.1 原冷能利用系統

此項目以除霧為目的，因此其用于制冰的氣化量范圍的設定必須以此為根本；從系統可操作性、安全性，投資規模，氣化站運行狀況及發展規劃等方面考慮（幾年內將通入管道氣），該冷能利用項目的規模初步定為4000～20000Nm3/h。

在4000Nm3/h的氣化低峰時，系統可將各冷媒溫度調高，使制冰時間在12個小時左右，確保制冰的質量；在20000Nm3/h的氣化高峰時，系統可將各冷媒溫度調低，使制冰時間在6個小時左右，確保廠區除冷霧效果。

綜上所述，冷能規模定為4000～20000Nm3/h，制冰量為100噸/天，遠期日產冰160噸，既符合項目去除冷霧的目的，又滿足當地市場需求，避免了由于設備建設規模過大，而造成的投資浪費、無法短期回收的不良后果。

此冷能利用系統啟用后，各項指標達到設計標準，場站內霧場濃度明顯降低，能見度高于原有工況，不影響場站附近區域的人員安全及公路運輸。該制冰項目利用LNG冷能制1噸冰耗電約為4～5 kWh，遠遠低于傳統電壓縮制冰70 kWh/噸耗電量，節電效益顯著。項目現已經運行三年，通過項目調試及長時間的數據統計，可較好的證明LNG冷能用于制冰工藝的可行性及安全性。

但是，該系統在工藝設計、設備安裝、運行維護等方面仍有較大的優化改進空間。

2.2 問題分析

在設備選型方面，該系統的冷媒泵為低溫泵，且冷媒在泵內遇熱后容易在泵腔體內氣化，產生的氣蝕效應不僅對設備造成沖擊，而且影響冷媒輸送流量，給設備及系統運行帶來不穩定因素。因此，該LNG冷能利用系統冷媒低溫泵采用了進口設備，在一定程度上可減輕以上情況。

在系統運行生產方面，該LNG冷能制冰系統的耗電量，基本來源于自控系統，冷媒循環泵，及冰塊運輸設備，這三個方面。因此，如果取消部分冷媒循環泵，將有效的降低生產運營成本。

在設備現場安裝方面，該系統由兩套換熱橇組成，第一套為LNG與相變冷媒換熱，第二套為相變冷媒與制冰冷媒換熱。該換熱器在現場采用平行放置，設備占地較大，橇內管道復雜，現場駁接工作較多，且給日常維護管理帶來不便。

3 新換熱器介紹

針對上述LNG冷能制冰工藝采用進口低溫泵，二級分離式換熱器占地較大，維護工作量較多等現狀，本文將原有核心設備進行了優化，即采用虹吸式換熱器，該工藝不僅可取消部分冷媒循環泵，從根本上解決了冷媒泵內氣蝕的可能性，而且現場可垂直疊加安裝換熱器部件。

該虹吸式換熱器（見圖3）是一種帶有中間傳熱介質的換熱器（IFV，intermediate fluid vaporizer，簡稱IFV），一般采用混合相變介質，其介質冰點較低，不易產生冰堵，符合與LNG的換熱條件。同時該換熱器結構可實現無動力冷媒循環，即自動完成自蒸發及冷凝的冷媒輸送；換熱器主體材料兼顧抗腐蝕性和耐低溫性能；設備具有投資小、占地少、運行費用低和管理方便等相對優勢，是LNG冷能利用的新型設備。

4 流程設計

使用虹吸式換熱器制冰工藝描述如下：

LNG氣化系統：-162℃的LNG與冷媒換熱，溫度升高至約-20℃，經復熱器升溫后進入下游用戶。

冷媒循環系統：約-10℃的冷媒與LNG換熱后，溫度降低至約-80℃液化。在自身重力條件下，進入到換熱器下部，冷媒在下部換熱器將鹽水溫度降低，自身溫度升高氣化，進入換熱器上部，重復與LNG換熱，完成自然循環。

鹽水系統：-5℃左右的鹽水，接受來自冷媒的冷量后，溫度降低至約-15℃，進入制冰機供冷，鹽水溫度升高至-5℃，返回換熱器進入下一次循環。

為實現以上冷媒無動力循環，必須做好冷凝與蒸發的壓差，及冷媒流量的計算，以防止出現流動受阻，局部凍堵等問題。

5 結論

虹吸式換熱器已經在大量的工程實踐中應用，結合LNG冷能利用項目實際調試經驗及測試數據，通過上述的流程設計與計算，該套方案在技術及安全方面可行性極高。一旦虹吸式換熱器用于LNG冷能利用系統，預計可降低10%設備投資，同時降低約20%項目運行的燃動成本。

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