不同工況下開(kāi)架式氣化器最小海水流量計(jì)算

施海青，陳波，陳帥，黨延輝，敬興龍

(1. 新疆華隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；2. 中石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000；3. 中石油大連液化天然氣有限公司，遼寧 大連 116600)

不同工況下開(kāi)架式氣化器最小海水流量計(jì)算

施海青1，陳波2，陳帥3，黨延輝1，敬興龍1

(1. 新疆華隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；2. 中石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000；3. 中石油大連液化天然氣有限公司，遼寧 大連 116600)

由于液化天然氣(LNG)流量、壓力、溫度、組分和海水溫度的不同，開(kāi)架式氣化器(ORV)所需的海水流量也不一樣，普遍產(chǎn)生能耗過(guò)?，F(xiàn)象。為了確定所需最小海水流量： 以O(shè)RV性能曲線為基礎(chǔ)，確定其機(jī)械限定LNG流量，并通過(guò)1stOpt軟件采用多元非線性擬合找到特定條件時(shí)，不同LNG流量、壓力和海水溫度下所需最小海水流量的函數(shù)式；由BWRS方程計(jì)算特定條件及實(shí)際參數(shù)下ORV入口LNG、出口天然氣(NG)的焓值，再由能量守恒原則得到實(shí)際所需最小海水流量；通過(guò)計(jì)算機(jī)編程設(shè)計(jì)出計(jì)算軟件。為了驗(yàn)證計(jì)算精度，通過(guò)性能曲線數(shù)據(jù)、Apsen_Plus軟件及能量守恒式計(jì)算出實(shí)際工況對(duì)應(yīng)的理論最小海水流量；將理論海水流量與軟件計(jì)算值對(duì)比求出相對(duì)誤差。結(jié)果證明： 最大相對(duì)誤差小于3%，能較好地計(jì)算所需最小海水流量，為ORV優(yōu)化、節(jié)能運(yùn)行，海水泵選型、變頻提供了一定的理論參考。

開(kāi)架式氣化器 LNG接收站 海水流量 非線性擬合 BWRS方程 相對(duì)誤差

目前，中國(guó)液化天然氣(LNG)接收站主要采用浸沒(méi)燃燒式氣化器(SCV)、開(kāi)架式氣化器(ORV)和液體介質(zhì)氣化器(IFV)作為L(zhǎng)NG氣化裝置[1-4]。SCV雖然運(yùn)行成本高，但初期投資較低且運(yùn)行不受環(huán)境溫度影響；ORV和IFV以海水作為氣化媒介，運(yùn)行主要受到海水溫度及含沙量影響[5]，當(dāng)海水溫度低于設(shè)計(jì)值時(shí)將無(wú)法使用，但運(yùn)行成本較低而廣受接收站青睞。IFV通常在沙的質(zhì)量濃度大于80mg/L的接收站使用，如上海LNG接收站；而海水水質(zhì)較好的LNG接收站通常選擇ORV作為主要?dú)饣b置，如大連LNG接收站。

ORV工藝流程如圖1所示，海水由海水泵加壓后送入海水管線，再由海水槽底部充滿海水槽，海水經(jīng)溢流導(dǎo)向板從LNG換熱管束頂端緊貼管束流至底端，在此過(guò)程中與管束內(nèi)LNG換熱，將LNG氣化為天然氣(NG)，換熱之后的海水匯集至海水溝經(jīng)排海管線流入大海[6]。根據(jù)ORV設(shè)備技術(shù)資料顯示： 正常情況下ORV入口海水溫度不得低于5.5℃，同時(shí)在實(shí)際運(yùn)行中，LNG接收站天然氣外輸管網(wǎng)壓力一般較高，所以O(shè)RV入口LNG壓力也較高，通常在4.5～10.0MPa。而影響ORV所需海水流量的因素主要包括： LNG流量、壓力、溫度、組分和海水溫度，若海水流量過(guò)低，不僅無(wú)法氣化管束內(nèi)的LNG，同時(shí)也可能對(duì)ORV造成結(jié)構(gòu)性損壞；反之若海水流量過(guò)高，則使得能耗過(guò)剩，增加LNG的氣化成本。因此，研究不同工況ORV所需海水流量對(duì)其安全、可靠和節(jié)能運(yùn)行具有重要意義。為了滿足ORV正常運(yùn)行要求，下面將對(duì)海水溫度在4.5～30.0℃、LNG壓力為4.00～10.36MPa范圍內(nèi)所需的海水流量展開(kāi)分析。

圖1 ORV工藝流程示意

1 ORV機(jī)械限定LNG流量計(jì)算

ORV機(jī)械限定LNG流量是指其他工況條件全部滿足的情況下，在一定LNG壓力時(shí)，ORV設(shè)備結(jié)構(gòu)、傳熱及材質(zhì)所能承受的最大LNG流量[7]。不同LNG壓力下，ORV所允許的最大LNG流量也有所差異，如圖2所示。從圖2可以看出，LNG壓力在4.00～6.00MPa時(shí)，機(jī)械限定LNG流量與LNG壓力幾乎呈線性關(guān)系；當(dāng)壓力范圍在6.00～10.36MPa時(shí)，機(jī)械限定LNG流量保持恒定值250t/h。

圖2 ORV機(jī)械限定LNG流量曲線示意

由圖2得出LNG壓力與ORV機(jī)械限定LNG流量間的分段函數(shù)關(guān)系式：

(1)

式中：qm_LNG_mec——ORV機(jī)械限定LNG流量，t/h；pLNG——LNG壓力，MPa。

2 特定條件ORV海水流量計(jì)算

ORV性能曲線中給出了海水入口溫度不小于2.5℃時(shí)，LNG組分為富氣且溫度在-155℃下，最小海水流量隨LNG流量、壓力和海水入口溫度的變化關(guān)系。為了方便使用，首先從Performance Curve曲線圖中取出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)；然后根據(jù)取出的數(shù)據(jù)，利用Matlab作出對(duì)應(yīng)的曲線關(guān)系，如圖3所示。

圖3給出了6種不同LNG壓力，海水溫度分別為4.5，5.5，10.0，20.0，30.0℃時(shí)，LNG流量與海水流量的關(guān)系曲線[8]。從圖3中可以看出，海水流量隨LNG流量呈線性變化關(guān)系；海水溫度在10.0℃時(shí)，曲線斜率最小，且溫度偏離10.0℃越大，斜率也越大。

圖3 不同壓力下ORV性能曲線示意

2.1分段及擬合模型建立

分段是為了提高計(jì)算的精度，但分段過(guò)多又會(huì)增加計(jì)算的難度。經(jīng)過(guò)綜合分析和考慮[9-10]，在滿足精度且分段最少的前提下，對(duì)圖3中列出的各種情況采用如下分段方式處理，見(jiàn)表1所列。LNG壓力在4.00～10.36MPa中分為5段，海水溫度在4.5～30.0℃間分為3段。

表1 根據(jù)壓力溫度擬合分段情況

根據(jù)圖3和表1：

1) 在LNG壓力和海水溫度一定的情況下，海水流量與LNG流量可表示為：

qm_sw_spe=Aqmqm_LNG+Bqm

(2)

式中：qm_sw_spe——特殊條件下的海水流量，t/h；qm_LNG——LNG流量，t/h；Aqm，Bqm——關(guān)系系數(shù)。

2) 由于對(duì)壓力采取了5段處理，則在各分段內(nèi)當(dāng)LNG流量、溫度一定時(shí)，可將海水流量與LNG壓力當(dāng)作線性關(guān)系處理，如式(3)：

qm_sw_spe=AppLNG+Bp

(3)

式中：Ap，Bp——關(guān)系系數(shù)。

3) 對(duì)于海水溫度采用了3段處理，在第1段、第2段將海水流量與海水溫度當(dāng)作線性關(guān)系，而第3段則看作二次曲線關(guān)系處理[11]，如式(4)：

(4)

式中：tsw——海水溫度，℃；AT，BT，CT——關(guān)系系數(shù)。

通過(guò)以上分析，可以建立海水流量隨LNG流量、壓力和海水溫度變化的三元交互分段擬合模型。對(duì)于海水溫度第1段、第2段與LNG壓力分段的擬合模型可表示為式(5)，而海水溫度第3段則按式(6)擬合模型執(zhí)行[12-15]。

qm_sw_spe=k1qm_LNGpLNGtsw+k2qm_LNGpLNG+
k3qm_LNGtsw+k4pLNGtsw+k5qm_LNG+
k6pLNG+k7tsw+k8

(5)

(6)

式中：ki——擬合模型系數(shù)，i=1, 2, 3, …, 12。

2.2模型系數(shù)求解

要求得各分段范圍內(nèi)的模型系數(shù)，首先通過(guò)ORV性能曲線獲得一系列工況點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后采用1stOpt軟件選擇適合的優(yōu)化算法進(jìn)行三元擬合。由于2.1節(jié)中分段較多(15段)，且擬合過(guò)程也基本類似，因而以LNG壓力： 4.00～5.00MPa，海水溫度： 4.5～5.5℃的第11段進(jìn)行詳細(xì)的分析，而其他分段的模型系數(shù)求解則只給出最后結(jié)果。

2.2.1第11段內(nèi)模型系數(shù)事例

第11段內(nèi)的LNG壓力范圍為4.00～5.00MPa，海水溫度為4.5～5.5℃，從圖3中獲取擬合所需數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所列。

表2 第11段內(nèi)模型擬合所需數(shù)據(jù)

由表2數(shù)據(jù)，通過(guò)1stOpt軟件，采用“準(zhǔn)牛頓法+通用全局優(yōu)化法”求得式(5)中的模型系數(shù)ki。同時(shí)擬合相關(guān)系數(shù)為0.9999998，說(shuō)明擬合式能較好地涵蓋實(shí)取數(shù)據(jù)，具有一定的普遍性。綜上所述，擬合式可以較為準(zhǔn)確地求解第11段內(nèi)其他數(shù)據(jù)點(diǎn)的海水流量。

2.2.2其他分段號(hào)內(nèi)模型系數(shù)求解

剩下的14種分段內(nèi)，則沿用與2.2.1條相同的方式來(lái)求解其模型系數(shù)。從計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了各分段號(hào)對(duì)應(yīng)擬合式的相關(guān)系數(shù)均大于0.999999，說(shuō)明擬合式能較好地涵蓋實(shí)取數(shù)據(jù)；同時(shí)所有擬合式的擬合關(guān)系曲面也都連續(xù)、平滑變化，無(wú)任何突變點(diǎn)。因此，各分段號(hào)對(duì)應(yīng)擬合式都可以較為準(zhǔn)確地求解其范圍內(nèi)其他數(shù)據(jù)點(diǎn)的海水流量。

3 BWRS方程求解NG及LNG焓值

BWRS方程作為求解NG及LNG[16-17]物性最好的狀態(tài)方程之一，在求解NG和LNG焓值方面已經(jīng)非常成熟，相關(guān)的文章也層出不窮。所以在此無(wú)需詳細(xì)說(shuō)明，而是給出相應(yīng)的求解步驟。具體步驟如下：

1) 根據(jù)純組分的臨界參數(shù)確定其BWRS方程的11個(gè)參數(shù)。

2) 根據(jù)各組分摩爾分?jǐn)?shù)、天然氣混合法則及各組分二元交互系數(shù)確定天然氣BWRS方程中的11個(gè)參數(shù)。

3) 根據(jù)NG及LNG密度初值，由正割法求解其密度。

4) 天然氣各純組分理想氣體焓值求解。

5) 根據(jù)理想氣體混合規(guī)則，確定天然氣理想氣體焓值。

6) 等溫焓差法求解NG及LNG焓值。

4 能量守恒求解ORV實(shí)際海水流量

根據(jù)以上分析可知，影響ORV所需海水流量的因素主要包括： LNG流量、壓力、海水溫度及LNG溫度和組分。性能曲線反應(yīng)了特定條件下海水流量與其他幾個(gè)因素間的關(guān)系。所以在求解實(shí)際海水流量時(shí)，可按以下步驟完成：

1) 計(jì)算特定條件ORV所需最小海水流量。

2) 求解特定條件下NG與LNG質(zhì)量比焓，并確定其質(zhì)量比焓差。

3) 求解實(shí)際工況NG與LNG質(zhì)量比焓，同時(shí)確定其質(zhì)量比焓差。

4) 由于LNG組分及溫度對(duì)ORV氣化效率影響很小，因而在此將兩種情況的氣化效率(η)看作相等；同時(shí)，該計(jì)算方法是以海水入、出口溫差相同及單位質(zhì)量的海水提供能量相同為前提，通過(guò)改變海水流量來(lái)改變海水所提供的總能量。因此，根據(jù)能量守恒定理可得方程組：

(7)

式中： ΔHspe——特定條件下NG與LNG質(zhì)量比焓差，kJ/kg；cp_sw——海水定壓比熱熔，kJ/(kg·℃)；ΔH——實(shí)際參數(shù)下NG與LNG質(zhì)量比焓差，kJ/kg；Δt——海水入、出口溫差，℃；qm_sw——實(shí)際海水流量，t/h。

化簡(jiǎn)式(7)求得實(shí)際ORV所需海水流量：

(8)

5 軟件設(shè)計(jì)及使用說(shuō)明

由以上研究、分析，在Forcecontrol V7.0平臺(tái)上利用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)設(shè)計(jì)出ORV海水流量計(jì)算軟件?？紤]到ORV實(shí)際運(yùn)行LNG負(fù)載流量會(huì)受到海水流量下限及上限影響，同時(shí)LNG最大流量也是運(yùn)行中非常關(guān)注的，所以在軟件中也計(jì)算了實(shí)際情況下海水上、下限所對(duì)應(yīng)的最大LNG流量；而實(shí)際運(yùn)行中，由于ORV入、出口壓差非常小，出口NG溫度(tNG)也與海水溫度相差很小，所以在軟件中將出口NG壓力pNG看作與pLNG相同，tNG等于tsw。

使用過(guò)程中： 首先點(diǎn)擊“設(shè)置”按鈕，彈出“ORV_參數(shù)設(shè)置”對(duì)話框；在對(duì)話框中選擇“特定計(jì)算”或“實(shí)際計(jì)算”標(biāo)簽，對(duì)話框?qū)@示對(duì)應(yīng)計(jì)算所需輸入的參數(shù)。對(duì)于個(gè)別的計(jì)算參數(shù)也可在“人機(jī)界面”工藝流程簡(jiǎn)圖中直接輸入。在完成參數(shù)輸入后，點(diǎn)擊“運(yùn)算”按鈕，則“工藝流程簡(jiǎn)圖窗”會(huì)顯示相應(yīng)的流程狀態(tài)；同時(shí)“計(jì)算結(jié)果顯示窗”會(huì)給出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

6 軟件計(jì)算結(jié)果誤差分析

1) 誤差分析[18-19]。選擇表3所列LNG組分時(shí)，首先應(yīng)計(jì)算出理論海水流量，然后利用軟件再計(jì)算出海水流量，并進(jìn)行對(duì)比分析，求出其相對(duì)誤差。

表3 實(shí)際LNG組分

2) 理論海水流量計(jì)算。

a) 由Apsen_Plus軟件計(jì)算出5種工況在特定條件與實(shí)際參數(shù)的NG與LNG焓差。

b) 在性能曲線中取出5種工況對(duì)應(yīng)的海水流量。

c) 根據(jù)焓差、性能曲線海水流量和式(8)得到理論海水流量。

3) 軟件計(jì)算海水流量，則只需在軟件中輸入5種工況的參數(shù)，直接用軟件計(jì)算便能得到，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4所列。

表4 軟件計(jì)算的誤差分析數(shù)據(jù)

通過(guò)以上分析可以看出，軟件最大相對(duì)誤差小于3%，具有較高的計(jì)算精度，能較好地滿足LNG接收站實(shí)際運(yùn)行需求。

7 結(jié)束語(yǔ)

不同工況下ORV所需海水流量是其運(yùn)行中的最重要參數(shù)之一。由ORV性能曲線通過(guò)分段擬合找到特定條件下的海水流量；由BWRS方程計(jì)算出所需焓差；根據(jù)能量守恒求得實(shí)際所需的海水流量；采用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的計(jì)算軟件。通過(guò)誤差分析，計(jì)算相對(duì)誤差小于3%，具有較高的計(jì)算精度。

例如，當(dāng)ORV低LNG負(fù)載運(yùn)行時(shí)，所需海水流量便低于額定海水流量，這時(shí)可計(jì)算出所需最小海水流量，并通過(guò)低負(fù)荷海水泵或海水泵變頻技術(shù)為ORV提供小流量海水，以降低氣化成本，達(dá)到節(jié)能目的；同時(shí)，當(dāng)LNG接收站外輸量只需1臺(tái)海水泵提供海水就能滿足氣化要求，但此時(shí)外輸量又大于單臺(tái)ORV的最大LNG負(fù)載時(shí)，則可計(jì)算出最小海水流量，并采用臺(tái)海水泵為2臺(tái)ORV提供海水來(lái)達(dá)到節(jié)能目的。因此，ORV最小海水流量計(jì)算是其節(jié)能、優(yōu)化運(yùn)行，海水泵選型或變頻的前提。

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MinimumSeawaterFlowCalculationofOpenRackVaporizerinDifferentWorkingConditions

Shi Haiqing1, Chen Bo2, Chen Shuai3, Dang Yanhui1, Jing Xinglong1

(1. Xinjiang Hualong Oilfield Technology Company Limited, Karamay, 834000, China; 2. PetroChina Xinjiang Oilfield Branch Company, Karamay, 834000, China; 3. PetroChina Dalian Liquefied Natural Gas Company Limited, Dalian, 116600, Cina)

Seawater flow requirement of open rack vaporizer (ORV) is different because of the difference among liquefied natural gas (LNG) flow, pressure, temperature, component and seawater temperature actually. Excess energy is consumed in current operation model generally.To determine required minimum seawater flow, mechanical limited LNG flow is determined based on ORV performance curves and through 1stOpt software, using multi variate nonlinear fitting finds the function that different LNG flow, pressure and seawater temperature correspond to the minimum seawater flow under specific conditions. BWRS function is adopted to calculate the enthalpy of ORV inlet LNG and outlet natural gas(NG) in specific conditions and actual parameters. And then, actual required minimum seawater flow can be obtained by the principle of conservation of energy. Using computer programming, calculation software is designed. To verify the calculating accuracy of calculation software, theoretical minimum seawater flow corresponding to actual process is worked out by the data of performance curves, Apsen_Plus software and conservation of energy formula. Relative error is obtained through comparing theoretical minimum seawater flow and software calculated value. The results prove that the maximum relative error is less than 3%. The required minimum seawater flow can be better calculated with the software. A theoretical reference for ORV optimization, energy-saving operation seawater pump selection and frequency conversion are provided.

open rack vaporizer; LNG terminal; seawater flow; nonlinear fitting; Benedict-Webb-Rubin equation; relative error

TH138

B

1007-7324(2017)05-0050-06

稿件收到日期： 2017-05-26，修改稿收到日期2017-07-22。

施海青(1971—)，男，獲學(xué)士學(xué)位，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)工商管理專業(yè)，現(xiàn)就職于新疆華隆油田科技股份有限公司，主要從事油田自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化及系統(tǒng)工程和液化天然氣等相關(guān)領(lǐng)域工程技術(shù)研究工作，任自動(dòng)化事業(yè)部經(jīng)理，工程師。