(中海廣東天然氣有限責(zé)任公司，廣東 珠海 519000)

目前，國內(nèi)一般采用空溫式汽化器進(jìn)行低溫液體汽化[1-3]?？諟厥狡魇且环N翅片管汽化器，以大氣環(huán)境中自然對(duì)流的空氣作為熱源，通過導(dǎo)熱性能良好的星形鋁材翅片管與低溫液體進(jìn)行熱交換，使其汽化成一定溫度的氣體[4-7]。空溫式汽化器工作無需額外動(dòng)力和能源消耗，具有無污染、綠色環(huán)保、安全簡單、維護(hù)方便、運(yùn)行成本低及使用不受條件限制等優(yōu)點(diǎn)[8-10]。

天津某液化天然氣(LNG)項(xiàng)目需要采用高流量的-120 ℃低溫氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)對(duì)接收站卸料管道的預(yù)冷(卸料管道設(shè)計(jì)溫度-168 ℃)，還需防止液氮進(jìn)入到卸料管道中。而按空溫式汽化器常規(guī)用法，無法單獨(dú)使用汽化器提供低溫氮?dú)?，需重新設(shè)計(jì)低溫氮?dú)夤?yīng)方案。

1 空溫式汽化器常規(guī)用法

在空氣分離及LNG接收站等行業(yè)，通常采用空溫式汽化器提供常溫氮?dú)?，用于管道、設(shè)備等的氮?dú)庵脫Q吹掃[11-13]。因此，要求空溫式汽化器提供的氮?dú)鉁囟仍? ℃以上。北方地區(qū)冬季氣溫較低，白天氣溫一般低于0 ℃，夜間氣溫可能低至-13.5 ℃左右，使用空溫式汽化器會(huì)發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象，降低熱效率，嚴(yán)重時(shí)汽化器出口氣體溫度低于0 ℃，造成吹掃置換過程中管道等結(jié)霜、結(jié)冰。國內(nèi)各單位對(duì)此進(jìn)行了大量研究，并制定了多種措施保障通過空溫式汽化器提供的氮?dú)鉁囟雀哂? ℃。

2 低溫氮?dú)夤?yīng)方案設(shè)計(jì)思路

2.1 專用汽化器方案

采用空溫式汽化器加氣液混配器的低溫氮?dú)夤?yīng)設(shè)計(jì)方案，其流程見圖1。

圖1 空溫式汽化器加氣液混配器方案流程

該設(shè)計(jì)方案中，空溫式汽化器按照常規(guī)用法提供常溫氮?dú)猓匆旱ㄟ^空溫式汽化器完全汽化，汽化后的氮?dú)庠俸蛷囊旱獌?chǔ)罐CV-204、CV-204A來的液氮在專用混配器內(nèi)混合。為保障混配器的混合效果并防止低溫液氮進(jìn)入接收站卸料總管，將液氮分2路用高速噴嘴霧化后送入混配器中?；炫淦鞒隹谠O(shè)置壓力表和溫度表，用于判斷混配器內(nèi)的混合狀態(tài)。氣液混配器內(nèi)混合過程示意圖見圖2。

圖2 氣液混配器混合過程示圖

氣液混配器內(nèi)有多個(gè)噴嘴，混配器及噴嘴的材質(zhì)均為304SS，噴嘴直徑152.4 mm(6″)，混配器內(nèi)的氣體質(zhì)量流量可達(dá)2 553.8～12 770 kg/h，流速為7.16～35.8 m/s，雷諾數(shù)Re為1 361 977.7。根據(jù)混配器的結(jié)構(gòu)參數(shù)及整個(gè)系統(tǒng)的物理、化學(xué)參數(shù)對(duì)該方案進(jìn)行物料平衡及熱平衡計(jì)算，計(jì)算節(jié)點(diǎn)見圖3，計(jì)算結(jié)果見表1。圖3和表1中S1為空溫式汽化器入口，S2為空溫式汽化器出口，S3為混配器入口，S4為混配器出口。

圖3 空溫式汽化器加氣液混配器方案物料平衡及熱平衡計(jì)算節(jié)點(diǎn)

物流參數(shù)氣體出入口名稱S1S2S3S4溫度/℃-176.00020.000-176.813-119.985壓力/MPa0.600.590.600.59標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量/(m3·h-1)6 250.8956 250.8953 996.60410 217.499總質(zhì)量流量/(kg·h-1)7 812.5007 812.5004 957.54512 770.045摩爾質(zhì)量流速/(kg·mol·h-1)278.884278.884176.970455.854

由表1可知，空溫式汽化器加氣液混配器的方案能夠滿足提供-120 ℃氮?dú)獾囊??？諟厥狡靼凑粘Ｒ?guī)使用方法提供氮?dú)?，混配器也是化工行業(yè)中常見的設(shè)備。采用該方案提供低溫氮?dú)饧夹g(shù)上可行、操作上安全可靠，可作為天津某LNG項(xiàng)目低溫氮?dú)馓峁┑膫溥x方案。

2.2 汽化器直接供應(yīng)低溫氮?dú)夥桨?/h3>

常規(guī)空溫式汽化器管內(nèi)的低溫液體汽化需經(jīng)歷低溫液體區(qū)、氣液兩相區(qū)和氣相區(qū)3個(gè)相區(qū)。在常規(guī)用法中，為保證空溫式汽化器出口溫度在0 ℃以上，就需增加汽化器氣相區(qū)的換熱面積。常規(guī)空溫式汽化器的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及溫度隨翅片管管長變化曲線分別見圖4和圖5。

天津LNG項(xiàng)目需要的是低溫氮?dú)?，理論上分析，如果縮短氣相區(qū)的加熱過程，即液氮在氣液兩相區(qū)完成熱交換后，最大程度地縮減氣相區(qū)的換熱時(shí)間和換熱面積，就可以實(shí)現(xiàn)超低溫氮?dú)獾墓┙o。即反向考慮汽化器的功能，汽化器不提供常溫氣體，而提供低溫氣體；不是增大氣相區(qū)的換熱面積和換熱量，而是最大程度縮減氣相區(qū)的換熱面積和換熱量。

圖4 常規(guī)空溫式汽化器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨翅片管管長變化曲線

圖5 常規(guī)空溫式汽化器溫度隨翅片管管長變化分布曲線

在空溫式汽化器使用過程中，由于結(jié)霜、結(jié)冰的影響，汽化器的換熱能力及換熱效率存在下降趨勢，這點(diǎn)在設(shè)計(jì)中必須考慮。在天津LNG項(xiàng)目中，汽化器氣相區(qū)被縮短，汽化器效率降低時(shí)有可能造成低溫流體直接從氣液兩相區(qū)進(jìn)入到卸料總管，氣相區(qū)消失。為此作如下假設(shè)：①預(yù)冷時(shí)間為3 d，按照3 d后汽化器的換熱效率自然降低到最低點(diǎn)作為汽化器熱交換效率的基本值。②預(yù)冷的最大體積流量為10 000 m3/h，環(huán)境溫度按照10 ℃考慮。

在上述假設(shè)基礎(chǔ)上，按氮?dú)夥肿恿?8、設(shè)計(jì)壓力3 MPa、工作壓力2.5 MPa、進(jìn)口溫度-196 ℃、出口溫度-120 ℃、氣體體積流量qV=10 000 m3/h、氣體質(zhì)量流量qmc=12 507 kg/h、液體密度ρy=808 kg/m3、氣體密度ρq=1.250 7 kg/m3

進(jìn)行計(jì)算，得到了氮?dú)庠?.5 MPa下的質(zhì)量焓、溫度特性數(shù)據(jù)，分別為過冷液體質(zhì)量焓h1=82.4 kJ/kg、溫度t1=-196 ℃，飽和液體質(zhì)量焓h2=186.6 kJ/kg、溫度t2=-153 ℃，飽和氣體質(zhì)量焓h3=279.1 kJ/kg、溫度t3=-153 ℃，出口氣體質(zhì)量焓h4=341 kJ/k g、溫度t4=-120 ℃，空氣溫度則按冬季天津地區(qū)環(huán)境溫度最高達(dá)10 ℃的極端工況考慮，ts=10 ℃。

對(duì)各段單位時(shí)間熱量進(jìn)行計(jì)算，有過冷段熱量Q1=qmc(h2-h1)=1 303 229.4 kJ/h、汽化段熱量Q2=qmc(h3-h2)=1 156 897.5 kJ/h、加熱段熱量Q3=qmc(h4-h3)=774 183.3 kJ/h，則總熱量Q=Q1+Q2+Q3=3 234 310.2 kJ/h。

將t1、t2、t3、t4、t5分別換算成熱力學(xué)溫度T1、T2、T3、T4、T5，按式(1)～式(3)對(duì)過冷段溫差ΔT1、氣化段溫差ΔT2及加熱段溫差ΔT3進(jìn)行計(jì)算，得到ΔT1=183.7 K、ΔT2=163 K、ΔT3=145.9 K。

(1)

ΔT2=Ts-T2

(2)

(3)

將ΔT1、ΔT2、ΔT3及Q帶入式(4)計(jì)算得到對(duì)數(shù)平均溫差ΔTm=165.9 K。

(4)

通過熱交換器的計(jì)算參數(shù)獲取傳熱系數(shù)K，根據(jù)公式A=Q/(KΔTm)得到換熱面積A=1 773 m2。依據(jù)需要的換熱面積確定常規(guī)汽化器的規(guī)格，其體積流量為4 925 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))。根據(jù)圖6所示汽化器的特性曲線，汽化器連續(xù)工作72 h時(shí)汽化效率只能達(dá)到設(shè)計(jì)值的60%，液氮預(yù)冷的時(shí)間通常為24～48 h，按照72 h的極端工況考慮，則體積流量設(shè)計(jì)值為4 925/0.6=8 208 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，所以使用體積流量8 208 m3/h的常規(guī)汽化器。

圖6 一般汽化器連續(xù)工作時(shí)間-效率衰減曲線

在該方案下，直接利用常規(guī)汽化器就可實(shí)現(xiàn)氮?dú)忸A(yù)冷，可作為天津LNG項(xiàng)目液氮預(yù)冷備選方案。

2.3 預(yù)冷方案選擇

GDF/HLNG公司在浮式存儲(chǔ)氣化單元(FSRU)靠泊前對(duì)FSRU預(yù)冷風(fēng)險(xiǎn)存在一定的擔(dān)心，卸料管道預(yù)冷問題不解決將直接影響接收站的卸料調(diào)試工作。2013-11公司決定實(shí)施液氮預(yù)冷，距離LNG運(yùn)輸船給FSRU的卸料時(shí)間只有約3個(gè)月。而專用汽化器方案中的混配器屬于壓力容器，從設(shè)計(jì)、采購到測試至少需要4個(gè)月，因此選擇汽化器直接提供低溫氮?dú)庾鳛楣艿李A(yù)冷主方案。

3 汽化器直接提供低溫氮?dú)夥桨笇?shí)施

3.1 風(fēng)險(xiǎn)控制

從理論計(jì)算看，采用汽化器直接提供低溫氮?dú)夥桨竿耆邆淇尚行裕珜?shí)際操作過程中控制低溫氮?dú)庠跉庀鄥^(qū)的停留時(shí)間是該方案的難點(diǎn)，控制不當(dāng)將出現(xiàn)液氮直接進(jìn)入卸料總管的情況。為此，對(duì)采用汽化器直接提供低溫氮?dú)夥桨缚赡艽嬖诘娘L(fēng)險(xiǎn)采取了如下控制措施。

(1)在汽化器后增加經(jīng)改造的液氮罐，該液氮罐可作為低溫氮?dú)饩彌_罐，也可作為低溫氮?dú)獍l(fā)生罐，用以消除理論計(jì)算和實(shí)際操作存在的差異。

(2)低溫氮?dú)庥梢旱尢峁皇怯梢旱囍苯犹峁?，以保持氮源供?yīng)的連續(xù)性和壓力的穩(wěn)定性。

(3)汽化器組由多個(gè)不同汽化器組合，增加了實(shí)際操作過程中的彈性。

在綜合考慮了各種風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)后，對(duì)汽化器直接提供低溫氮?dú)夥桨高M(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后的工藝流程見圖7。

圖7 汽化器直接預(yù)冷氮?dú)夤に嚵鞒淌緢D

3.2 汽化器直接預(yù)冷效果

2014-01-09～01-11，在液氮預(yù)冷卸料總管過程中成功應(yīng)用空溫式汽化器的反向應(yīng)用方案，實(shí)現(xiàn)了卸料總管、LNG碼頭、FSRU碼頭的管道溫度達(dá)到-120 ℃的目標(biāo)。

選取卸料過程中4對(duì)遠(yuǎn)程溫度表(T-01104、T-01105、T-01106 、T-01125)，每對(duì)溫度表都設(shè)有2塊，分別監(jiān)測管道底部和管道頂部的溫度。卸料過程不同階段LNG碼頭側(cè)管道的預(yù)冷曲線見圖8～圖11。

圖8 卸料過程第1階段LNG碼頭側(cè)管道預(yù)冷曲線(2014-01-09T09∶00～2014-01-09T16∶00)

圖9 卸料過程第2階段LNG碼頭側(cè)管道預(yù)冷曲線(2014-01-09T16∶00～2014-01-10T10∶00)

圖10 卸料過程第3階段LNG碼頭側(cè)管道預(yù)冷曲線(2014-01-10T9∶00～2014-01-11T09∶00)

圖11 卸料過程第4階段LNG碼頭側(cè)管道預(yù)冷曲線(2014-01-11T08∶00～2014-01-11T18∶00)

從圖8～圖11所示的各條曲線可以看出，在整個(gè)管道預(yù)冷期間，LNG碼頭側(cè)管道上、下部溫差都控制在50 ℃之內(nèi)，管道的降溫速度控制在10 ℃/h之內(nèi)。

4 結(jié)語

對(duì)天津某LNG項(xiàng)目的液氮預(yù)冷方案進(jìn)行了綜合分析，采用空溫式汽化器直接提供低溫氮?dú)獾念A(yù)冷方案之后，卸料總管、LNG碼頭側(cè)管道、FSRU碼頭的管道溫度均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可以得出以下結(jié)論。

(1)根據(jù)液氮和低溫氮?dú)獾奈锢?、化學(xué)性質(zhì)，可以設(shè)計(jì)多種低溫氮?dú)馓峁┓桨福鐚Ｓ闷鞣桨?、空溫式汽化器反向設(shè)計(jì)方案等，這些方案均可向LNG項(xiàng)目提供低溫氮?dú)狻?/p>

(2)改變空溫式汽化器的常規(guī)用法設(shè)計(jì)低溫氮?dú)夥桨?，費(fèi)用比其他方案低，實(shí)施起來也更為方便，但存在汽化段控制難度大的問題。若汽化段設(shè)計(jì)不合理，將導(dǎo)致汽化溫度過高或過低。

(3)改變空溫式汽化器的常規(guī)用法設(shè)計(jì)低溫氮?dú)夥桨笗r(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮大氣溫度對(duì)空溫式汽化器汽化效率的影響。

(4)采用低溫天然氣預(yù)冷1次的費(fèi)用大為460萬元，而采用空溫式汽化器直接預(yù)冷1次的費(fèi)用僅100萬元(含液氮500 t費(fèi)用及相應(yīng)設(shè)施的安裝、拆卸費(fèi)用)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。