付子航 宋坤 單彤文

中海石油氣電集團有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心

空氣熱源式氣化技術(shù)在大型LNG接收終端的應(yīng)用

付子航 宋坤 單彤文

中海石油氣電集團有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心

近年來，空氣熱源式氣化設(shè)備和技術(shù)（Ambient air－based heating vaporization，AHV）因其具有環(huán)境友好、節(jié)約能源、可持續(xù)利用等優(yōu)勢而在其他國家的新建LNG項目中不斷得到實踐驗證和推行。為此，介紹了AHV的技術(shù)特點、分類及其在世界各地的最新應(yīng)用情況，并與常規(guī)氣化技術(shù)進行了對比，進而提出了該類技術(shù)的應(yīng)用條件，分析了該技術(shù)方案的優(yōu)缺點。結(jié)果認為：①LNG接收終端所處位置具體環(huán)境的氣象條件（年最低環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速、持續(xù)時間等）是選擇合適的AHV技術(shù)的關(guān)鍵因素；②設(shè)計空氣熱源氣化系統(tǒng)需要確定它的最低環(huán)境溫度以及備用熱源系統(tǒng)需要熱機備用的工況條件；③相對于浸沒燃燒式氣化器，AHV系統(tǒng)的優(yōu)勢明顯，且燃氣（電）價格比率越高，其優(yōu)勢越顯著；④在不適合采用海水開架式氣化技術(shù)的條件下，AHV可作為優(yōu)選方案；⑤在免費海水使用受限、天然氣燃燒制熱成本高昂的情況下，以空氣熱源作為氣化系統(tǒng)基荷熱源是最為便利和直接的選擇。為中國規(guī)劃和設(shè)計新建LNG接收終端提供了更為經(jīng)濟和環(huán)保的氣化技術(shù)選項。

液化天然氣 空氣熱源式氣化器 環(huán)境空氣氣化器 逆流式冷卻塔 管殼式氣化器 開架式氣化器 浸沒燃燒式氣化器 中間介質(zhì)氣化器

2011—2013年注定是中國LNG行業(yè)快速發(fā)展的“井噴期”。江蘇如東LNG、大連LNG已陸續(xù)投產(chǎn)，福建莆田L(fēng)NG擴建工程投產(chǎn)，唐山LNG、海南LNG紛紛開工建設(shè)，其他在建、擴建LNG項目及即將開工的LNG項目均已邁入實質(zhì)性進展階段；新型離岸LNG項目（offshore LNG ternial，如浮式LNG）的逐步實施，更是標(biāo)志著中國LNG產(chǎn)業(yè)邁入與世界LNG行業(yè)發(fā)展前沿同步的行業(yè)。

與此同時，中國諸多LNG項目的工程實踐無一例外地面臨著各種工程難題和技術(shù)挑戰(zhàn)，也不斷創(chuàng)造著新的行業(yè)記錄。其中與LNG接收終端所處地理位置關(guān)系密切、最具個性化的技術(shù)挑戰(zhàn)之一，即LNG氣化技術(shù)的選擇。在投資、設(shè)計年限內(nèi)操作運行費、維護費、工況與設(shè)備可靠性、技術(shù)可行性、減少排放、環(huán)境友好等關(guān)鍵因素的制約下，業(yè)內(nèi)主流的海水開架式氣化器（ORV）、浸沒燃燒式氣化器（SCV）、中間介質(zhì)氣化器（IFV）及其組合備用，已成為中國LNG陸上接收終端氣化技術(shù)的默認選擇范圍。而近年來，空氣熱源式氣化設(shè)備和技術(shù)（Ambient Air－based Heating Vaporization，AHV）在其他國家的新建LNG項目中不斷得到實踐驗證和推行，深入研究和比較空氣熱源式氣化方案有利于擴大技術(shù)選擇范圍。

1 空氣熱源式氣化技術(shù)的類型及其應(yīng)用

大型LNG接收終端的污染排放物主要來自于氣化工藝過程。常用的氣化技術(shù)包括ORV、SCV及IFV。由于運行操作費用低廉，ORV在歐洲、日本、韓國及中國的LNG接收終端項目中廣泛使用，而美國則限于地方政府立法中對海水排放物的嚴格要求及保護近海浮游生物的需要，基本以采用SCV為主［1］。近年來，隨著國際上新的一批LNG接收終端進入計劃、概念設(shè)計、基本設(shè)計、施工和運營等不同階段，在區(qū)域環(huán)境狀況、地方政府法規(guī)限制、更加強調(diào)操作成本和環(huán)境友好理念、項目具體特點等條件下，更富競爭力的LNG氣化技術(shù)被不斷提出，其中已經(jīng)為工程實踐所證實并引人注目的氣化技術(shù)之一就是空氣熱源式氣化技術(shù)。

顯然，相比于SCV或使用燃料的IFV，AHV類似于ORV，利用并回收免費的環(huán)境（空氣）中低階熱量來氣化LNG，意味著更少的燃料消耗、基本零排放、降低運行成本，同時也因需要機組全套備用、補充熱源備用及較大的占地面積而帶來較高的投資?？傮w上看，環(huán)境空氣溫度、濕度及風(fēng)況是影響AHV相關(guān)設(shè)備參數(shù)和系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素。

AHV可分間接接觸（Indirect Contact）氣化和直接接觸（Direct Contact）氣化兩類。前者借助于閉式管路的傳熱流體（HTF），利用空氣加熱HTF，HTF再經(jīng)過STV與LNG進行換熱氣化；后者則利用空氣通過氣化設(shè)備直接氣化LNG。間接接觸氣化技術(shù)在大型LNG接收終端得到商業(yè)應(yīng)用的包括空氣翅片式（Air－Fin）換熱氣化、空氣冷卻塔（Air Tower）氣化技術(shù)；直接接觸氣化技術(shù)得到應(yīng)用的包括環(huán)境空氣氣化（AAV）和強制通風(fēng)氣化（FAV）技術(shù)。通常認為，在環(huán)境溫度低于1.7℃時，空氣翅片式（Air－Fin）換熱基本無法再使用，氣化LNG要依靠備用加熱設(shè)施，而傳熱流體（HTF）的溫度則應(yīng)維持在超過0℃的范圍，以防止氣化器換熱管外層出現(xiàn)結(jié)冰，降低換熱效率［2］?？諝饫鋮s塔氣化技術(shù)（Air Tower）與空氣翅片式（Air－Fin）換熱技術(shù)的區(qū)別主要在于先通過空氣冷卻塔利用環(huán)境空氣加熱水，再通過熱交換后的水加熱傳熱流體（HTF），增加了一次換熱。而相較于間接接觸氣化技術(shù)，AAV或FAV的優(yōu)勢則在于可以連續(xù)地把空氣中的顯熱與LNG進行交換，有更高的熱效率，其可接受的環(huán)境空氣溫度為0℃直至零下冰點。下面逐一介紹國外已投入使用的大型LNG接收終端中采用的不同類型的AHV技術(shù)情況。

1.1 印度DAHEJ LNG接收終端空氣翅片式（Air－Fin／Fin－Fan）氣化技術(shù)

位于印度古吉拉特（Gujarat）的Dahej LNG接收終端于2004年4月投入商業(yè)運行。由于站址所在海域的海水懸浮顆粒物（1 000～3 500 mg／L）和銅離子含量（0.13 mg／L）遠高于ORV通?？山邮軜?biāo)準，ORV制造廠家也認為該條件下ORV需要每6個月進行一次2～3 d的涂層保養(yǎng)，設(shè)備可靠性大幅降低。因此，ORV難以使用；而SCV達到其氣化總量1.3%～1.6%的偏高燃料消耗和較高水平的廢水廢氣排放問題，也使得其難以作為主力氣化設(shè)備使用。

因此，Dahej LNG項目采取了環(huán)境空氣換熱的管殼式氣化器（STV）氣化技術(shù)。具體配置為112臺翅扇式或空氣翅片式（Fin－Fan或Air－Fin）空氣換熱器（16.4 MW／臺）加上7臺STV氣化器的閉式管路系統(tǒng)，STV采用36%的乙二醇水溶液作為殼內(nèi)傳熱流體（Heat Transfer Fluid，HTF）。系統(tǒng)氣化能力為1 550 m3LNG／h［3］。為了解決冬季環(huán)境溫度過低可能帶來的氣化效率大幅降低問題，系統(tǒng)采用兩臺傳統(tǒng)的SCV氣化器備用。由于Dahej LNG接收終端內(nèi)配置了3套均為7.6 MW的燃氣透平作為自備電站（2用1備），燃氣電站余熱鍋爐水通過閉式管路進入SCV，因此，即使作為冬季低溫工況下備用的SCV也基本不用點火使用，僅作為應(yīng)急設(shè)備。印度另一在建的Kochi LNG接收站也采用相同的氣化技術(shù)。Dahej LNG接收站氣化設(shè)施見圖1，其接收站氣化流程見圖2。

圖1 Dahej LNG接收站氣化設(shè)施鳥瞰圖

圖2 Dahej LNG接收站氣化流程示意圖

1.2 美國Freeport LNG接收終端逆流式空氣冷卻塔（Air Tower）氣化技術(shù)

位于美國得克薩斯州Quintana Island的Freeport LNG接收終端于2008年6月投入運行，該項目是空氣冷卻塔氣化技術(shù)首次在大型LNG接收終端的正式應(yīng)用。其設(shè)備配置包括1座12孔的冷卻塔，7臺SCV氣化器，并通過乙烯基乙二醇作為傳熱流體［4］。12孔冷卻塔的總體尺寸為218 m長、25 m高、20 m寬，熱負荷總計為930 MMBtu／h（1 MMBtu＝1.054× 106kJ）。該氣化系統(tǒng)以加熱爐（Fired Heaters）作為備用，加熱爐配有NOx脫除裝置，可使NOx含量僅達9 m L／m3。

通過空氣冷卻塔換熱的水經(jīng)過板式換熱器加熱傳熱流體（HTF），進而通過SCV氣化LNG；在冬季低溫天氣，則通過加熱爐作為備用，直接為傳熱流體（HTF）提供熱量。該套系統(tǒng)的氣化能力為2 950 m3LNG／h，最高可達到3 450 m3LNG／h?？諝饫鋮s塔系統(tǒng)獨立運行的最低環(huán)境溫度為18℃，年運行時間約8個月。本系統(tǒng)從投入運行至今，一直運行良好。Freeport LNG接收站氣化設(shè)施見圖3，其接收站氣化流程見圖4。

圖3 Freeport LNG接收站氣化設(shè)施鳥瞰圖

圖4 Freeport LNG接收站氣化流程示意圖

1.3 美國Sabine pass LNG接收終端空氣直接氣化（AAV）技術(shù)

Sabine pass LNG接收終端位于美國路易斯安那州Cameron Parish，于2008完成一期工程，2009年完成二期擴建，總規(guī)模為5座16×104m3的LNG儲罐。

值得一提的是，Sabine pass LNG還具備管道氣液化與出口功能，可裝船Q－max船型，是美國政府批準的3座可以出口LNG的3座LNG接收站之一（另外兩家分別是Freeport LNG和Sempra Cameron LNG），從2010年至今，通過現(xiàn)貨貿(mào)易已出口至西班牙、巴西、英國、韓國及印度。該項目是首個應(yīng)用環(huán)境空氣氣化器（AAV）作為主要氣化設(shè)施的大型LNG接收終端。氣化外輸能力為5 110 m3LNG／h（一期）＋2 750 m3LNG／h（二期）。

該項目采用的是自然通風(fēng)型AAV，后根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果在AAV頂部增加排氣風(fēng)扇，以解決大規(guī)模應(yīng)用后出現(xiàn)的“濃霧”問題，效果良好。每18臺AAV作為一組，總規(guī)模達到16組以上。采用8組SCV（總計24臺）作為冬季低溫天氣時的備用氣化器，并類似于印度Dahej LNG，通過閉式管路系統(tǒng)把接收站內(nèi)4臺燃氣自備電站（總計120 MW）的廢熱引入SCV，充分利用余熱氣化LNG，可以節(jié)省70%的SCV所需燃料水平。Sabine pass LNG接收站效果圖見圖5，其接收站氣化流程見圖6。

圖5 Sabine pass LNG接收站效果圖

圖6 Sabine pass LNG接收站氣化流程示意圖

1.4 美國Trunkline LNG Lake Charles接收終端的氣化（SAV）技術(shù)

美國路易斯安那州的Trunkline LNG Lake Charles接收終端建成于1981年7月，分別于2002年和2003年兩次啟動擴建，并于2006年7月完成，該接收終端包括3座9.5×104m3的單容罐和1座14× 104m3的LNG儲罐，14套SCV氣化器。在2010年3月，再次完成新增4套空氣熱源氣化裝置和天然氣液體（NGL）脫除改造，最大氣化外輸能力為4 130 m3LNG／h［5］。

Trunkline LNG Lake Charles接收終端是首個商業(yè)化應(yīng)用Mustang公司專利LNG Smart?空氣氣化方案（SAV）作為氣化技術(shù)的大型LNG接收終端。Mustang LNG Smart?氣化與印度Dahej LNG的氣化技術(shù)原理相同，但其專利技術(shù)核心采用了一種鉀酸鹽水溶液作為抗低溫的傳熱流體（HTF），進一步降低了空氣熱源氣化系統(tǒng)的可接受環(huán)境最低溫度（1.7～4.0℃），而且其翅扇式（Fin－Fan）空氣加熱器也是專利設(shè)計。Trunkline LNG接收站效果見圖7，接收站氣化流程見圖8。

圖7 Trunkline LNG接收站鳥瞰圖

圖8 Trunkline LNG接收站SAV氣化流程示意圖

2 AHV與其他氣化技術(shù)的對比分析

2004年印度Dahej LNG接收站投產(chǎn)，標(biāo)志著AHV技術(shù)首次在基荷型LNG氣化終端得到商業(yè)驗證，隨后多種新型的AHV技術(shù)被業(yè)界不斷提出，部分技術(shù)方案在上述LNG接收站應(yīng)用。通過上述各種類型的AHV技術(shù)及其與常規(guī)的ORV、SCV技術(shù)進行優(yōu)缺點分析后，可以進一步研判AHV的適用條件。比較結(jié)果參見表1。

從表1可以看出，AHV技術(shù)的主要優(yōu)勢在于環(huán)境友好和較低的運行費用，但占地面積翻倍，而且在冬季低溫條件下需要備用其他形式的熱源作為補充。從已經(jīng)投入運行的AHV實踐看，補充熱源更多的是利用燃氣電廠或電站余熱，盡可能地降低能耗。相對于ORV，AHV技術(shù)優(yōu)勢并不明顯，但在海水條件不適合ORV或所在地法規(guī)限制ORV使用時，AHV相比于SCV還是非常顯著的。

3 結(jié)論和建議

LNG接收終端所處位置具體環(huán)境的氣象條件是選擇合適的AHV技術(shù)的關(guān)鍵因素。這種環(huán)境氣象條件包括年最低環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速、持續(xù)時間等，這些關(guān)鍵參數(shù)對于空氣熱源氣化系統(tǒng)的設(shè)備能力選型、氣化系統(tǒng)可靠性和備用配置、運營操作成本等影響甚大。不同于常規(guī)的ORV、SCV氣化技術(shù)，選擇AHV技術(shù)還意味著需要結(jié)合具體項目環(huán)境、項目條件、總圖設(shè)備布置進行與空氣熱源氣化系統(tǒng)相關(guān)的較為復(fù)雜的計算機流體力學(xué)（CFD）模擬計算，包括風(fēng)扇葉輪、區(qū)域冷熱空氣密度和溫度流場、循環(huán)冷空氣排放等，把與氣化系統(tǒng)有關(guān)的環(huán)境因素充分進行優(yōu)化，以發(fā)揮AHV的最大效能。此外，設(shè)計空氣熱源氣化（AHV）系統(tǒng)需要確定空氣熱源系統(tǒng)的最低環(huán)境溫度以及備用熱源系統(tǒng)需要熱機備用的工況條件。

總體來說，AHV技術(shù)充分體現(xiàn)了環(huán)境友好、節(jié)約能源、可持續(xù)利用等現(xiàn)代能源工業(yè)發(fā)展理念。AHV系統(tǒng)相對于SCV的優(yōu)勢明顯，尤其在可以利用附近其他便利的熱源（如燃氣電站余熱）作為冬季低溫條件下的補充熱源時，而且燃氣（電）價格比率越高，優(yōu)勢越顯著；在不適合采用ORV技術(shù)的條件下，AHV可作為優(yōu)選方案。在免費海水使用受限、天然氣燃燒制熱成本高昂的情況下，以空氣熱源作為氣化系統(tǒng)基荷熱源是最為便利和直接的選擇，從2004年至今，不同類型的AHV系統(tǒng)在大型LNG接收站的成功應(yīng)用更是證實了其可行性與可靠性。事實上，ORV、SCV、IFV、空氣冷卻塔、空氣翅片式氣化器、STV、工業(yè)（電站）廢熱等，可以結(jié)合項目實際情況，因地制宜地優(yōu)選、優(yōu)化更理想的氣化系統(tǒng)基荷和備熱方案。

表1 空氣熱源氣化技術(shù)與ORV、SCV技術(shù)的比較表

在中國處于規(guī)劃、設(shè)計甚至在建階段的LNG接收終端中，部分已經(jīng)遇到站址所在區(qū)域海水水質(zhì)不適合ORV使用的問題。充分了解國際LNG接收終端的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)潮流，把AHV技術(shù)納入氣化方案的研究范圍，有利于技術(shù)解決方案的新突破，甚至有利于LNG接收終端規(guī)劃選址范圍的擴大。

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Application of ambient air－based heating vaporizers in large LNG receiving terminals

Fu Zihang，Song Kun，Shan Tongwen
（Research ＆Development Center of CNOOC Gas ＆Power Group，Beijing 100027，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 8，pp.100－104，8／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

In recent years，extensive LNG projects in many countries have validated the effectiveness of the equipment and technology of ambient air－based heating vaporization（AHV），other benefits of which have been also found as being environmental－friendly，energy－saving，and in sustainable use.Therefore，this paper first introduces how AHV has been applied in various LNG terminals in India and the USA respectively.Then，compared with other regular gas vaporizing technologies such as open－rack vaporizer（ORV），submerged combustion vaporizer（SCV），etc.，the advantages and disadvantages of AHV are thoroughly analyzed as well as its application conditions.The following conclusions are presented herein.（1）The clincher of AHV is the satisfactory meteorological condition such as annual minimum temperature，humidity，wind speed and direction，length of time，etc.（2）Before the AHV system is adopted，the minimum ambient temperature and the working condition for the standby heat source will be primarily determined.（3）Compared with the SCV，the AHV is superior especially when the fuel gas－electricity ratio is getting much higher.（4）The AHV will be the best choice when the ORV is restricted to use.（5）Under the condition without free sea water but with a high cost in gas heating，ambient air is most convenient and direct option for the AHV system.This study will be beneficial to offering a more economical and environmental－friendly re－gasification technology for the planning and devising of LNG receiving terminals in China.

LNG，ambient air－h(huán)eated vaporizer ambient air vaporizer（AAV），LNG receiving terminal，reverse cooling tower shelltube vaporizer（STV），open－rack vaporizer（ORV），submerged combustion vaporizer（SCV），intermediate fluid vaporizer（IFV），heat transfer fluid（HTF）

付子航等.空氣熱源式氣化技術(shù)在大型LNG接收終端的應(yīng)用.天然氣工業(yè)，2012，32（8）：100－104.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.022

付子航，1979年生，高級工程師，碩士；主要從事LNG項目建設(shè)和技術(shù)研發(fā)工作。地址：（100027）北京市朝陽區(qū)東三環(huán)北路甲2號京信大廈2846室。電話：（010）84522951。E－mail：fuzh＠cnooc.com.cn

（修改回稿日期 2012－06－04 編輯 何 明）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.022

Fu Zihang，senior engineer，born in 1979 is mainly engaged in LNG projects construction and the related technical research.

Add：Room 2846，Jingxin Building，No.Jia 2，East 3rd Circle Rd.，Chaoyang District，Beijing 100027，P.R.China

E－mail：fuzh＠cnooc.com.cn