虹吸式換熱器在LNG冷能利用項(xiàng)目中的應(yīng)用

丁力 袁丹 張榮偉 梁東

摘 要：本文在LNG冷能利用制冰項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，以實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)及測(cè)試數(shù)據(jù)為依據(jù)，總結(jié)原有常規(guī)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(lǐng)域的應(yīng)用方案。該換熱器的應(yīng)用可增強(qiáng)LNG冷能利用技術(shù)的可行性，與一般換熱器相比，該設(shè)備具有耐高壓、抗變形、投資少、占地小、運(yùn)行費(fèi)用低，操作維護(hù)便捷等優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：虹吸式換熱器；LNG；冷能利用；天然氣

本文從技術(shù)可行性及安全性等方面，在示范項(xiàng)目技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上，總結(jié)調(diào)試及長期運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，提出一種虹吸式換熱器的應(yīng)用方案，該換熱器不僅可用于一般規(guī)模的LNG冷能利用項(xiàng)目，而且可實(shí)現(xiàn)核心設(shè)備全部國產(chǎn)化。

1 工況分析

根據(jù)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(wǎng)外輸壓力為0.362～0.366 MPa。站內(nèi)有8臺(tái)150 m3的立式LNG儲(chǔ)罐，1臺(tái)1750 m3的LNG子母儲(chǔ)罐，6個(gè)LNG槽車卸車位以及24臺(tái)4000 m3/h的空溫式氣化器。

LNG直接氣化時(shí)，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(kuò)大，濃度逐漸增加。在氣化量高峰時(shí)，冷霧已經(jīng)彌漫整個(gè)氣化站，大量冷污染產(chǎn)生對(duì)站內(nèi)運(yùn)行及周邊帶來諸多影響。

安全隱患：生產(chǎn)區(qū)冷霧彌漫不利于運(yùn)行人員巡查及操作，易造成人員滑跌摔傷，同時(shí)處于長期的低溫潮濕環(huán)境中，不利于運(yùn)行人員的身體健康。

環(huán)境影響：大量冷霧向周圍環(huán)境擴(kuò)散，對(duì)LNG站周邊交通及行人安全造成不利影響。

設(shè)備損傷：低溫潮濕環(huán)境造成站內(nèi)管道、閥門、設(shè)備設(shè)施腐蝕加劇，同時(shí)也會(huì)影響儀表自控設(shè)備的不正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 方案介紹

2.1 原冷能利用系統(tǒng)

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

在4000Nm3/h的氣化低峰時(shí)，系統(tǒng)可將各冷媒溫度調(diào)高，使制冰時(shí)間在12個(gè)小時(shí)左右，確保制冰的質(zhì)量；在20000Nm3/h的氣化高峰時(shí)，系統(tǒng)可將各冷媒溫度調(diào)低，使制冰時(shí)間在6個(gè)小時(shí)左右，確保廠區(qū)除冷霧效果。

綜上所述，冷能規(guī)模定為4000～20000Nm3/h，制冰量為100噸/天，遠(yuǎn)期日產(chǎn)冰160噸，既符合項(xiàng)目去除冷霧的目的，又滿足當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)需求，避免了由于設(shè)備建設(shè)規(guī)模過大，而造成的投資浪費(fèi)、無法短期回收的不良后果。

此冷能利用系統(tǒng)啟用后，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，場(chǎng)站內(nèi)霧場(chǎng)濃度明顯降低，能見度高于原有工況，不影響場(chǎng)站附近區(qū)域的人員安全及公路運(yùn)輸。該制冰項(xiàng)目利用LNG冷能制1噸冰耗電約為4～5 kWh，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電壓縮制冰70 kWh/噸耗電量，節(jié)電效益顯著。項(xiàng)目現(xiàn)已經(jīng)運(yùn)行三年，通過項(xiàng)目調(diào)試及長時(shí)間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(tǒng)在工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝、運(yùn)行維護(hù)等方面仍有較大的優(yōu)化改進(jìn)空間。

2.2 問題分析

在設(shè)備選型方面，該系統(tǒng)的冷媒泵為低溫泵，且冷媒在泵內(nèi)遇熱后容易在泵腔體內(nèi)氣化，產(chǎn)生的氣蝕效應(yīng)不僅對(duì)設(shè)備造成沖擊，而且影響冷媒輸送流量，給設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行帶來不穩(wěn)定因素。因此，該LNG冷能利用系統(tǒng)冷媒低溫泵采用了進(jìn)口設(shè)備，在一定程度上可減輕以上情況。

在系統(tǒng)運(yùn)行生產(chǎn)方面，該LNG冷能制冰系統(tǒng)的耗電量，基本來源于自控系統(tǒng)，冷媒循環(huán)泵，及冰塊運(yùn)輸設(shè)備，這三個(gè)方面。因此，如果取消部分冷媒循環(huán)泵，將有效的降低生產(chǎn)運(yùn)營成本。

在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝方面，該系統(tǒng)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(xiàn)場(chǎng)采用平行放置，設(shè)備占地較大，橇內(nèi)管道復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)駁接工作較多，且給日常維護(hù)管理帶來不便。

3 新?lián)Q熱器介紹

針對(duì)上述LNG冷能制冰工藝采用進(jìn)口低溫泵，二級(jí)分離式換熱器占地較大，維護(hù)工作量較多等現(xiàn)狀，本文將原有核心設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化，即采用虹吸式換熱器，該工藝不僅可取消部分冷媒循環(huán)泵，從根本上解決了冷媒泵內(nèi)氣蝕的可能性，而且現(xiàn)場(chǎng)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(zhì)的換熱器（IFV，intermediate fluid vaporizer，簡稱IFV），一般采用混合相變介質(zhì)，其介質(zhì)冰點(diǎn)較低，不易產(chǎn)生冰堵，符合與LNG的換熱條件。同時(shí)該換熱器結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力冷媒循環(huán)，即自動(dòng)完成自蒸發(fā)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(shè)備具有投資小、占地少、運(yùn)行費(fèi)用低和管理方便等相對(duì)優(yōu)勢(shì)，是LNG冷能利用的新型設(shè)備。

4 流程設(shè)計(jì)

使用虹吸式換熱器制冰工藝描述如下：

LNG氣化系統(tǒng)：-162℃的LNG與冷媒換熱，溫度升高至約-20℃，經(jīng)復(fù)熱器升溫后進(jìn)入下游用戶。

冷媒循環(huán)系統(tǒng)：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(jìn)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(jìn)入換熱器上部，重復(fù)與LNG換熱，完成自然循環(huán)。

鹽水系統(tǒng)：-5℃左右的鹽水，接受來自冷媒的冷量后，溫度降低至約-15℃，進(jìn)入制冰機(jī)供冷，鹽水溫度升高至-5℃，返回?fù)Q熱器進(jìn)入下一次循環(huán)。

為實(shí)現(xiàn)以上冷媒無動(dòng)力循環(huán)，必須做好冷凝與蒸發(fā)的壓差，及冷媒流量的計(jì)算，以防止出現(xiàn)流動(dòng)受阻，局部凍堵等問題。

5 結(jié)論

虹吸式換熱器已經(jīng)在大量的工程實(shí)踐中應(yīng)用，結(jié)合LNG冷能利用項(xiàng)目實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)及測(cè)試數(shù)據(jù)，通過上述的流程設(shè)計(jì)與計(jì)算，該套方案在技術(shù)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(tǒng)，預(yù)計(jì)可降低10%設(shè)備投資，同時(shí)降低約20%項(xiàng)目運(yùn)行的燃動(dòng)成本。

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