丙烷預冷系統對FLNG晃動條件的適應性實驗研究*

尹全森 劉淼兒 李恩道 邰曉亮 張樹勛

(中海石油氣電集團有限責任公司 北京 100028)

丙烷預冷系統對FLNG晃動條件的適應性實驗研究*

尹全森 劉淼兒 李恩道 邰曉亮 張樹勛

(中海石油氣電集團有限責任公司 北京 100028)

尹全森,劉淼兒,李恩道，等.丙烷預冷系統對FLNG晃動條件的適應性實驗研究[J].中國海上油氣，2017,29(4)：164-168.

YIN Quansen,LIU Miaoer,LI Endao,et al.Experimental study on the applicability of propane pre-cooling systems to FLNG shaking conditions[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(4):164-168.

通過建立一套帶有液位擾動系統的丙烷預冷液化天然氣實驗裝置，研究丙烷預冷系統對浮式液化天然氣裝置(FLNG)晃動條件的適用性。實驗中通過對丙烷分離器不同液位進行液位擾動來模擬晃動條件，分析丙烷預冷系統換熱器在晃動條件下的溫度特性。結果表明：丙烷分離器液位較低時，液位擾動對換熱器的溫度影響較大；隨著液位的升高，液位擾動對換熱器的溫度影響不斷減小；當液位達到一定高度后，液位擾動對換熱器溫度影響很小。丙烷預冷系統適用于FLNG,但在FLNG上使用須提高丙烷分離器的液位高度或分離器的位置，以降低晃動時液位波動對換熱器的影響，因此，在設計時須加強安全設計和危險評估。

FLNG；晃蕩條件；丙烷預冷系統；適應性；實驗裝置；液位擾動；換熱器；溫度

浮式液化天然氣(FLNG)技術是解決深海天然氣開發的關鍵技術，但海上建設FLNG裝置面臨較大技術挑戰[1-3]，我國在FLNG技術研發和設計方面已開展較多研究但仍未進入產品實質建設階段[4-7]。FLNG技術方案中涉及的丙烷預冷天然氣液化技術具有制冷效率高、能耗較低，處理規模較大的特點[8-11]，但是由于丙烷預冷系統存儲的丙烷量較多，且工藝中需要進行多次氣液分離，而氣液分離受晃動影響較大[12]，氣液分離器液位發生波動易引起丙烷預冷系統中的氣液分配不均，進而導致換熱惡化。對于采用板翅換熱器的丙烷預冷系統，丙烷進入換熱器采用熱虹吸的方式，液位產生的壓差和板翅換熱器內的丙烷蒸發界面直接決定了丙烷進入換熱器的流速；當丙烷液位較低或丙烷節流分離器的位置較低時，液位產生的壓差較小，此時板翅換熱器內的丙烷蒸發界面不穩定，在晃動情況下換熱器的上部處于頻繁地升溫和降溫過程，引起換熱器熱應力疲勞，導致其使用壽命降低。為了研究丙烷預冷系統受晃動影響的程度是否適合用于FLNG，本文建立了一套丙烷預冷的雙氮氣膨脹液化裝置，并通過液位擾動來模擬晃動條件[13]，分析了不同液位擾動對丙烷預冷系統換熱器溫度的影響，以期對FLNG技術的研發提供參考。

1 實驗流程及裝置

丙烷制冷系統的液位擾動實驗流程如圖1所示。丙烷氣體經過2級壓縮和冷卻后變成高壓液體丙烷，液體丙烷經過緩沖罐V-04后分為2股：1股經過節流閥后進入1級丙烷分離器V-01；另1股進入丙烷擾動儲存罐V-03中，實驗過程中將V-03中的液體快速添加到V-01中，對V-01的液位產生擾動。V-01的液體又分為2股：1股進入換熱器E-03中，為換熱器的上部提供冷量；另1股經過節流閥進入V-02中，V-02的氣相返回壓縮機的2級入口，實驗過程中通過改變V-01至V-02的閥門開度可同時改變V-01和V-02的液位。V-02的液體進入換熱器E-03中，為換熱器下部提供冷量，V-02的氣相返回壓縮機的1級入口。換熱器E-03的熱源為天然氣，實驗過程中保持天然氣的壓力、溫度和流量不變，對丙烷液位分離器V-01和V-02進行液位擾動，監測換熱器各截面的溫度和天然氣出換熱器E-03的溫度變化，分析擾動對丙烷預冷系統的影響。

圖1 丙烷預冷系統液位擾動實驗流程圖Fig .1 Level perturbed process diagram of propane pre-cooling experimental apparatus

具體實驗裝置如圖2所示，圖中右側為丙烷壓縮系統(包括丙烷壓縮機和空氣冷卻器)；左側為冷箱，丙烷分離器V-01、V-02、V-03和換熱器E-03都在冷箱內部，V-03布置在最上部，冷箱采用珠光砂隔熱。

圖2 丙烷預冷系統液位擾動實驗裝置Fig .2 Level perturbed experimental apparatus of propane pre-cooling

2 實驗過程及結果分析

2.1 低液位下丙烷液位擾動實驗

丙烷分離器的高度為1 500 mm，正常運行時液位控制在600 mm左右。丙烷液位低，液位形成的壓力小，丙烷進入換熱流量小。開展低液位下丙烷液位擾動實驗，測試低液位運行工況下丙烷預冷系統受液位擾動的影響。在液位擾動過程中，丙烷分離器V-01初始液位是400 mm，通過V-03向V-01中快速添加丙烷，引起V-01液位波動，如圖3所示，V-01中液位波動增加，液位達到高點時V-03中液體已全進入V-01中，此時關閉V-04進入V-01的閥門，V-01中的液位逐漸降低。

圖3 初始液位為400 mm時V-01液位擾動 對換熱器溫度的影響Fig .3 Effect of V-01 level perturbed on exchanger temperature when initial level is 400 mm

實驗過程中，換熱器上部至下部截面的監測溫度見圖3中的T1至T5曲線。液位擾動前，T1和T2的溫度基本相同，接近天然氣進入換熱器前的溫度，板翅換熱器的上半部基本沒有換熱。液位擾動開始后，由于換熱器本身質量較大，換熱器的溫度變化相對于液位變化有一定延遲。受液位擾動的影響，T1、T2和T3溫度降至3 ℃左右，此時換熱器的上半部充滿丙烷，上半部換熱器基本冷卻到丙烷的蒸發溫度。隨著丙烷液位V-01下降，溫度T1開始出現波動，主要是丙烷液位下降后進入換熱器內的丙烷流量波動，換熱器中上部冷卻而造成溫度T1和T2出現波動。隨著丙烷液位繼續下降，T1、T2和T3溫度升高，并接近天然氣進入冷箱的溫度，此時換熱器上半部的換熱量較小，換熱器的溫度梯度達到初始擾動的狀態。實驗過程中溫度T5始終處于較穩定狀態，這主要是由于換熱器的換熱面積較大，在換熱器上部換熱量較小的情況下，換熱器下部也能將天然氣溫度冷卻到設計溫度。但是，對于大型FLNG裝置來說，換熱面積不可能做到無限大，因此，當丙烷液位出現波動時，不僅影響換熱器上部的溫度，也會對冷卻溫度有一定影響，進而影響整個液化工藝的平穩運行。 從丙烷液位擾動中換熱器的溫度變化與丙烷的液位關系可以看到，當丙烷初始液位較低時，液位擾動增加后換熱器的熱端溫度波動較大，對換熱器的整體換熱影響較大，如果FLNG中的丙烷系統在這種工況下運行，換熱器頻繁處于升溫降溫過程，熱應力引起應力疲勞將降低換熱器的可靠性，縮短換熱器的使用壽命。因此，在FLNG上采用丙烷預冷系統時應設法提高丙烷分離器的液位。

2.2 高液位下丙烷液位擾動實驗

丙烷液位高，液位形成的壓力大，丙烷進入換熱流量大。開展高液位下丙烷液位擾動實驗，測試高液位運行工況對丙烷預冷系統液位擾動的影響。調整丙烷分離器V-01的初始液位，監測丙烷初始液位提高后擾動對換熱器溫度的影響。V-01的初始液位設置為1 100 mm，待換熱器運行平穩后通過V-03向V-01中快速添加丙烷，引起液位波動，如圖4所示，液位先波動增加，然后波動降低。

從圖4可以看出，擾動開始前，換熱器中T1、T2和T3的溫度相差很小，接近V-01壓力下的丙烷蒸發溫度，T4和T5的溫度也相差很小，接近V-02壓力下的丙烷蒸發溫度。擾動開始后，換熱器的溫度變化較小，液位波動增加或降低也不能使T1和T2的溫度下降。這主要是由于丙烷液位較高時，液位產生的壓差較大，丙烷進入換熱器的流量大，使得丙烷換熱器的冷量過剩，換熱器處于過冷狀態，此時液位波動雖然對進入換熱器的丙烷流量產生影響，但對換熱器溫度產生的影響較小。可見，丙烷液位較高時液位波動對丙烷預冷系統的影響較小。

圖4 初始液位為1 100 mm時V-01液位擾動 對換熱器溫度的影響Fig .4 Effect of V-01 level perturbed on exchanger temperature when initial level is 1 100 mm

2.3 氣液分離器液位同時擾動實驗

實驗過程中，通過調整V-01至V-02的調節閥開度來改變V-01和V-02的液位，監測V-01和V-02的液位同時變化時換熱器的溫度變化。增大調節閥的開度后，V-01的液位降低，V-02的液位升高，如圖5所示。

圖5 V-01和V-02同時進行液位擾動對換熱器溫度的影響Fig .5 Effect of exchanger temperature when the propane levels of V-01 and V-02 are perturbed at the same time

在丙烷液位擾動前，換熱器中的溫度分布是：T1在30 ℃左右，T2和T3接近V-01壓力下丙烷的蒸發溫度，T4和T5接近V-02壓力下丙烷的蒸發溫度。隨著丙烷液位的擾動開始，T1溫度出現一定的波動，溫度先下降后升高，T2和T3基本保持不變；隨著V-01的液位繼續波動下降，T2緩慢升高；T4在每次擾動時均有短時間的升溫，隨后再降低，在V-02液位波動增加的過程中T4的溫度緩慢下降，逐漸接近T5。這主要是由于每次擾動時，V-02的液位出現峰值，在液位下降過程中短時間內進入換熱器下半部的丙烷流量下降，導致換熱器出現短時間的復溫，總體隨著V-02的液位增加，丙烷換熱器的下半部溫度接近V-02壓力下的丙烷蒸發溫度。可見，丙烷分離器中丙烷總量不變即V-01和V-02內的丙烷總量不變時，丙烷的液位波動對換熱器的換熱溫度影響較小。

3 結論

1) 丙烷預冷系統應用于FLNG裝置時，晃動條件對丙烷氣液分離有一定的影響。

2) 丙烷分離器的液位較低時，丙烷換熱器受晃動影響較大；在液位較高時，受晃動影響較小。

3) 提高丙烷分離器的布置位置或丙烷分離器液位可以增強丙烷預冷系統在FLNG上的適應性，但這需要增加FLNG裝置上的丙烷存儲量，因此在設計時必須加強安全設計和危險評估。

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(編輯：呂歡歡)

Experimental study on the applicability of propane pre-cooling systems to FLNG shaking conditions

YIN Quansen LIU Miaoer LI Endao TAI Xiaoliang ZHANG Shuxun

(CNOOCGasandPowerGroup,Beijing100028,China)

A set of experimental apparatus for propane pre-cooling process analysis was constructed, which was equipped with a liquid level disturbing mechanism, to simulate the FLNG shaking conditions.In the experiment the liquid levels in the propane separator were disturbed to simulate float shaking conditions, in order to analyze the heat exchanger’s temperature characteristics under the shaking conditions.Experiments results showed that the liquid level disturbance would greatly impact the heat exchanger temperature when the level was very low.But the higher the level, the less the impact.When the level reached certain height, there would be little effect.Propane pre-cooling systems are applicable on FLNG, but the liquid level or the position of separator used in FLNG has to be raised in order to reduce the impact on the heat exchanger during shaking.So the safety issue and risk assessment should be seriously considered in the design process.

FLNG; shaking condition; propane pre-cooling system; applicability; experimental apparatus; level disturbance; heat exchanger; temperature

尹全森，男，工程師，2010年畢業于哈爾濱工業大學,獲博士學位，現主要從事天然氣液化及凈化技術研發和工程化推廣的工作。地址：北京市朝陽區太陽宮南街6號院C座(郵編：100028)。E-mail：yinqs@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)04-0164-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.022

TE646

A

2016-05-31 改回日期：2017-03-27

*“十二五”國家科技重大專項“大型FLNG/FLPG、FDPSO關鍵技術(編號：2011ZX05026-006)”部分研究成果。