上海LNG接收站冷能利用中間介質氣化器研究

劉 軍 章潤遠

上海燃氣工程設計研究有限公司

0 引言

上海LNG接收站現有的設備配置已不能滿足上海市天然氣市場的變化，只有提高供氣彈性，才能確保上海市天然氣的供應和調峰。《上海能源發展規劃》提出在“十二五”期間建設上海LNG項目一期擴建工程等工作。

根據國家有關節能減排政策，在上海LNG儲罐擴建項目中設置一套低溫朗肯循環的冷能利用發電裝置。

項目采用的低溫朗肯循環是利用丙烷作為中間循環介質進行發電。液相丙烷經過丙烷循環泵進入中間介質氣化器（以下簡稱IFV）和海水換熱，氣化后進入透平發電機組的透平端，釋放丙烷蒸汽中的焓，丙烷自身減壓降溫成常壓飽和丙烷蒸汽，焓被轉化為電能后向外輸送。經過透平的丙烷進入IFV的LNG氣化部分，將LNG氣化為氣態天然氣，同時丙烷液化，再次進入丙烷循環泵，進入下一次循環。

本研究重點在冷能發電用IFV設計理念、制造思路等部分，通過設備工藝模擬計算，得出IFV實際運行情況的參數，對冷能發電項目的實施提供技術支撐。

1 LNG氣化器

LNG氣化器是將液態天然氣（-162℃）通過熱媒加熱氣化為氣態天然氣的換熱裝置。

LNG氣化器根據運行情況分為基本負荷型和應急調峰型。基本負荷型使用頻率高、氣化量大，在選型階段主要考慮設備的運行成本。應急調峰型是為滿足城市燃氣調峰要求，其特點具有使用頻率低，啟動要求高。根據LNG氣化器的熱媒不同，可將LNG氣化器分為加熱（強制）氣化器、環境氣化器和工藝氣化器三類。常見的LNG氣化熱媒有空氣、河水或海水、天然氣燃燒熱、電加熱、工廠廢熱等。

我國大型的LNG接收站基本上建在沿海，LNG氣化器根據當地氣候及海水條件、接收站的功能定位、熱源種類等條件選取。目前氣化器型式主要有開架式氣化器、浸沒燃燒式氣化器和中間介質氣化器。

1.1 開架式氣化器（ORV）

開架式氣化器是一種水加熱型氣化器，以海水為熱源，在0～100%的負荷范圍內運行，同時根據需求的變化控制調整氣化量。其特點是投資較大、運行費用較低、操作和維護容易，適用于基本負荷型的LNG接收站。

1.2 浸沒燃燒式氣化器（SCV）

浸沒燃燒式氣化器屬于強制加熱型氣化器，它以燃料燃燒產生的煙氣為熱源，直接加熱水，加熱后的水通過激烈攪動，與管內LNG進行熱交換，大幅提高了傳熱效率。浸沒燃燒式氣化器的熱效率在98%左右，可快速啟動，并能對負荷的突然變化作出反應，適用于應急或調峰用氣工況。其特點是整體投資和安裝費用低、占地面積小、操作靈活；但其操作費用很高。

1.3 中間介質氣化器（IFV）

中間介質式氣化器主要有管殼式氣化器（STV）和中間流體式氣化器（IFV），其相同點均利用中間介質作為熱媒。中間介質可以是丙烷或醇（甲醇或乙二醇）水溶液，加熱介質可為海水、熱水、空氣等，可改善結冰帶來的影響。

上海LNG接收站由于熱源為海水，同時考慮此處為長江入海口，海水中泥沙的含量非常高，結合LNG接收站三種常見的液化天然氣的氣化器特點，上海LNG接收站使用IFV做為主要氣化器。

2 中間介質氣化器

2.1 中間介質氣化器的原理

LNG中間介質氣化器（Intermediate Fluid Vaporizer,IFV）是一種具有廣泛應用潛力的氣化LNG設備，因其結構特點使IFV較空氣式氣化器更高效，較開架式氣化器適應性更強。但是IFV的設計制造面臨許多技術難題：一是其制造材料必須能耐低溫、承高壓、耐腐蝕、耐磨損；二是換熱器的結構不僅要保證安全高效的運行，且需方便維護檢修；三是對換熱器的換熱效率有較大影響的中間介質的選取；四是換熱器內流動換熱基礎理論是換熱器設計的基本依據，是優化換熱器設計的基礎。

圖1給出了IFV的結構原理圖，IFV主要有丙烷蒸發器（簡稱E1氣化器）、LNG氣化器（簡稱E2氣化器）和NG加熱器（簡稱E3氣化器）三個部分組成。熱源高溫海水首先進入E3氣化器，溫度為TW1，在E3氣化器換熱管內流動放熱，出口溫度為TW2，然后再進入E1氣化器，在E1氣化器的換熱管內流動進一步放出熱量，最后排出IFV，溫度降為TW3。低溫LNG首先進入E2氣化器，溫度為TLNG1，在E2氣化器換熱管內流動吸熱并氣化成氣態天然氣，同時出口溫度升高至TNG2，然后進入E1氣化器沖刷海水管束吸熱，溫度進一步升高至設計溫度TNG3；丙烷在E1氣化器中吸熱氣化，在E2氣化器中放熱液化，如此反復循環傳遞熱量，其飽和溫度恒定不變。

圖1 常規IFV氣化傳熱工藝圖

2.2 冷能發電用中間介質氣化器簡述

在冷能發電裝置中，IFV分成兩個部分，其中E2氣化器獨立成為一個單體設備，由LNG和氣態丙烷進行換熱，LNG氣化形成NG，中間介質則完全液化；E1氣化器和E3氣化器組成一個單體設備，E1氣化器利用海水的溫度蒸發液態丙烷，E3氣化器則加熱從E2氣化器氣化排出的氣態天然氣，使其溫度達到設計要求的參數后進入后續工藝系統，見圖2。

圖2 冷能發電IFV氣化傳熱工藝圖

3 冷能發電用中間介質氣化器研究

3.1 IFV計算工況

上海LNG接收站冷能發電裝置用IFV，LNG氣化量為205．2t/h，作為熱源的海水溫度按最不利的7．6℃進行設計，并確保海水進出口溫差不大于5℃。目前按表1中4個工況進行設備工藝計算。

3.2 IFV機械設計條件

為滿足設備正常運轉，設備需要采用耐低溫的不銹鋼。同時冷能發電用IFV是利用E2和E1&E3兩部分之間的丙烷進行冷循環，E1&E3管束內的海水凍結將是最惡劣的操作工況，將直接減少設備的換熱效率，同時對管束造成致命破壞。出于安全性考慮，管束應該要滿足3次凍漲疲勞試驗才能保證設備安全運行。管束凍漲示意見圖3，不同部分應選擇表2中所列材料。

圖3 IFV管束凍漲示意圖

表3為根據冷能發電用IFV使用的介質條件（海水，LNG及丙烷），所列出的設計條件。

3.3 IFV工藝計算結果

按照IFV設計條件，計算結果見表4：

表1 IFV計算工況一覽表

表2 IFV材料表

表3 IFV設計條件

表4 計算結果表

3.4 IFV工藝計算結果分析

1）海水部分

IFV設備需要的海水流量為7 755t/h，從IFV的E3氣化器進入，在IFV的E1氣化器出來，進出口溫差均小于5℃。

2）LNG部分

IFV的LNG氣化能力滿足上海LNG接收站205．2t/h的要求，進入E2的LNG溫度為-147℃，經過E2氣化器和E3氣化器后，氣態天然氣出口溫度大于1℃，經過IFV的LNG壓力降小于2Barg。

3）丙烷部分

IFV的中間介質丙烷所需要的循環量根據LNG組分的不同而發生變化，貧液為229t/h，富液為202t/h，丙烷在設備內的壓損小于0．2Barg，丙烷溫度基本穩定，在E2設備中被液化至-41℃，在E1中被海水加熱至-7℃～8℃。

根據表4中四個工況計算結果，可以發現在LNG流量不變的情況下，改變LNG的組分，壓力均會對海水進出口溫差和丙烷循環量、溫度及壓力產生不同的變化。如LNG在63Barg壓力下，由貧液組分變為富液組分，海水溫差減小0．3℃，丙烷循環量減少27t/h。這些參數的變化均在IFV的允許范圍內，滿足上海LNG接收站運行要求。

4 結論與建議

4.1 結論

1)冷能發電項目設計規模為LNG氣化量205．2t/h，裝置發電能力達到2 400萬kW。

2)冷能發電用IFV和常規IFV的區別主要在于E2部分的獨立以及丙烷循環系統從設備內循環變成設備外循環。

3)設備本體的材質要求非常高，大部分設備均需要使用不銹鋼，其中海水管束需使用鈦合金管，以降低由帶泥沙的海水磨損和腐蝕以及海水的凍漲破壞。

4)根據目前計算的工況對IFV設備的計算結果，滿足上海LNG接收站的要求。

4.2 建議

在工藝計算中鎖定了部分工藝條件，如海水入口溫度和LNG入口溫度等，應進一步收集上海LNG接收站實際運行參數，擴大IFV工藝研究范圍，確保冷能發電用IFV能在項目的實施中平穩運行。