液化天然氣接收站項目液化天然氣氣化器選型

，

(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100028)

國內(nèi)早期建設(shè)的液化天然氣(LNG)項目主要由德國TGE、美國CBI、日本IHI等國外工程公司設(shè)計，在工藝設(shè)計、設(shè)備選型等方面未體現(xiàn)過多的創(chuàng)新性設(shè)計，主要保證了設(shè)計的合理性、完整性與安全性。隨著各LNG項目數(shù)年的實際生產(chǎn)運(yùn)行，包括LNG氣化器選型、設(shè)備國產(chǎn)化、工藝系統(tǒng)優(yōu)化等方面的經(jīng)驗不斷得到總結(jié)，國內(nèi)工程公司在新建項目設(shè)計中開始結(jié)合自身特點，考慮以往項目經(jīng)驗，使項目設(shè)計更科學(xué)、更經(jīng)濟(jì)。LNG接收站項目的工藝系統(tǒng)、海水系統(tǒng)已在大鵬LNG項目、福建LNG項目國外工程公司設(shè)計基礎(chǔ)上實現(xiàn)了改進(jìn)與優(yōu)化。文中以某LNG接收站項目為例，對項目中LNG氣化器選型進(jìn)行簡要分析。

1 LNG接收站項目情況

該項目是陸上常規(guī)LNG接收站建設(shè)項目，位于江蘇省的東北部，東瀕黃海，一期的建設(shè)規(guī)模為300萬t/a，作為江蘇地區(qū)主力氣源之一，滿足江蘇省及周邊省份的用氣需求。該項目所在區(qū)域地勢平坦，屬于侵蝕性粉沙淤泥質(zhì)平原海岸，海域沒有外界泥沙補(bǔ)給，水體含沙量主要取決于波浪、潮流等對岸坡的侵蝕和對海底沉積物的攪動。實測資料表明，大、中潮平均含沙量大于小潮平均含沙量，底層含沙量大于表層含沙量，夏季含沙量略大于冬季含沙量。因此，目標(biāo)海域的水質(zhì)影響著LNG氣化器的選型。

此外，在氣化器選型過程中還應(yīng)考慮現(xiàn)場條件及建場選擇、熱源的可靠性及可用性、市場需求波動、海水使用限制、設(shè)備能力、設(shè)備安全性與可靠性、資本和運(yùn)營成本等因素的影響[1]。

2 常用LNG氣化器類型

2.1 開架式氣化器

開架式氣化器(ORV)現(xiàn)場裝置見圖1。

圖1 開架式氣化器現(xiàn)場裝置

ORV以海水作為加熱介質(zhì)，海水從氣化器上部進(jìn)入，流經(jīng)鋁合金管的外表面，LNG流經(jīng)鋁合金管的內(nèi)部，從而被加熱和氣化[2]。為防止海水腐蝕，對鋁合金管進(jìn)行相應(yīng)的防腐涂層噴涂處理。由于LNG氣化需要大量海水，故對海水的水質(zhì)有一定要求。雖然開架式氣化器設(shè)備投資少于中間介質(zhì)式氣化器(IFV)，但后期需要根據(jù)損耗情況進(jìn)行3～5次的涂層維護(hù)。因此，對海水系統(tǒng)評估時應(yīng)充分考慮后期噴涂維護(hù)的次數(shù)和成本，一旦設(shè)計階段設(shè)備選型確定，后期設(shè)計變更非常困難，實現(xiàn)成本昂貴。ORV具有結(jié)構(gòu)簡單、操作和維護(hù)方便、操作技術(shù)成熟等特點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于日本、韓國和歐洲等國家和地區(qū)的LNG接收站項目[3]。

氣化器選型過程中，選用ORV主要考慮海水因素，包括：①海水中是否含有大量重金屬離子，造成鋅鋁合金涂層損壞，縮短其壽命。②海水中是否包含大量沙子和海水懸浮物，造成ORV換熱管防腐涂層的磨損，縮短噴涂周期。沙子和懸浮物的過度沉積也會造成水槽和管路堵塞。③海水排出溫度必須符合當(dāng)?shù)匾?guī)定，海水的溫度下降通常限制在5 ℃以內(nèi)。

導(dǎo)致ORV鋁合金涂層失效的可能原因有電化學(xué)腐蝕、海水沖蝕、重金屬引起的腐蝕以及涂層施工質(zhì)量差等[4]。

2.2 中間介質(zhì)式氣化器

中間介質(zhì)式氣化器現(xiàn)場裝置見圖2。

圖2 中間介質(zhì)式氣化器現(xiàn)場裝置

IFV是一種傳統(tǒng)的管殼式熱交換器，以丙烷作為中間加熱介質(zhì)，采用海水作為加熱源進(jìn)行氣化，氣化后的丙烷蒸氣加熱低溫LNG，使其在管程內(nèi)氣化為低溫天然氣，丙烷蒸氣同時被冷凝并在LNG氣化單元以氣液動平衡形式循環(huán)使用[5]。在天然氣加熱單元，被氣化的低溫天然氣再經(jīng)海水升溫后(不低于0 ℃)進(jìn)入天然氣總管。海水接觸部分采用鈦管，可抗海水腐蝕及固體懸浮物的腐蝕[6]。因此，IFV投資成本較高，只要海水對于ORV的影響不大，就不考慮選用IFV。

2.3 浸沒燃燒式氣化器

浸沒燃燒式氣化器(SCV)現(xiàn)場裝置見圖3。

圖3 浸沒燃燒式氣化器現(xiàn)場裝置

SCV將燃料氣和壓縮空氣在氣化器的燃燒室內(nèi)燃燒，燃燒后的氣體通過噴嘴進(jìn)入水中，氣體噴射促進(jìn)湍流形成，以較高的傳熱速率和熱效率將水加熱，LNG經(jīng)過浸沒在水中的不銹鋼盤管，由熱水加熱而氣化[7]。與前兩種氣化器相比，SCV一般約需消耗生產(chǎn)天然氣的1.5%作為燃料氣。因此，SCV不作為項目的主氣化器使用，主要作為備用設(shè)備滿足冬季供氣需求及調(diào)峰使用。

3 LNG氣化器選型

通過對各種類型氣化器的比選可以看出，在海水環(huán)境條件允許的情況下，主氣化器當(dāng)中，ORV投資和操作成本較IFV低廉，是最可靠和經(jīng)濟(jì)的選擇[8]。從國內(nèi)外ORV的使用現(xiàn)狀看，氣化器生產(chǎn)廠家對ORV所使用的海水水質(zhì)有以下要求：①海水作為熱源必須進(jìn)行殺菌處理。②海水pH值為7.5～8.5。③海水中重金屬離子Cu2+質(zhì)量濃度小于10 μg/L、Hg2+質(zhì)量濃度小于0.5 μg/L。④海水中固體懸浮物的質(zhì)量濃度小于80 mg/L，化學(xué)需氧量(COD)小于4 mg/L，溶解氧的質(zhì)量濃度大于4 mg/L，余氯質(zhì)量濃度小于0.5 mg/L，海水含沙量小于148 mg/L。

根據(jù)該項目目標(biāo)海域的海水水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，海水中Cu2+和Hg2+質(zhì)量濃度、COD、pH值、溶解氧質(zhì)量濃度、余氯質(zhì)量濃度都可以滿足ORV的使用要求，但豐水期平均懸沙量達(dá)到211.2 mg/L，超出海水含沙量小于148 mg/L的建議值。該項目的海水取水渠接近水層0.6h(h為水深)，所監(jiān)測0.6h水層懸沙的主要組分是粒徑大于62.5 μm的沙、粒徑在3.91～62.5 μm的粉沙和粒徑在0.02～3.91 μm的黏土[9]，結(jié)合各監(jiān)測點平均主要組分，沙、粉沙、黏土分別約占2%、73%、25%，其中粒徑小于25 μm的細(xì)粉沙、極細(xì)粉沙、黏土和部分中粉沙占到總懸沙量的90%左右，見表1。

表1 LNG項目2012-07水質(zhì)粒組分布監(jiān)測結(jié)果 %

目前的海水過濾技術(shù)對大流量海水的過濾精度可以達(dá)到25 μm。海水中沙、粒徑大于25 μm的部分粉沙、粒徑小于25 μm的大部分粉沙和黏土是無法過濾的。但采用過濾裝置后，豐水期懸沙量可降至約190 mg/L。

在我國已建的LNG接收站項目中，與此海水工況接近的項目普遍采用IFV作為主氣化器使用，如上海LNG、寧波LNG、舟山LNG等項目，僅如東LNG項目選用ORV作為主氣化器[10]。

4 全生命周期經(jīng)濟(jì)性分析

ORV換熱翅片管表面Al-Zn合金涂層厚度為200 μm，一般采用火焰噴涂技術(shù)進(jìn)行噴涂，主要作用是犧牲陽極保護(hù)、防止點蝕和涂層的磨損[11]。ORV設(shè)計壽命一般為25 a，在海水水質(zhì)符合廠家推薦的條件下，涂層使用壽命一般為10 a，平均年磨損量約20 μm。若只考慮海水中的沙對ORV涂層的磨損，根據(jù)沙對Al-Zn合金涂層的磨損特性曲線，初步確定ORV涂層磨損是一個均勻累計效應(yīng)[12]。因懸沙量190 mg/L為廠家建議數(shù)值148 mg/L的1.284倍，根據(jù)Al-Zn涂層磨損特性曲線，估算磨損量為建議值的1.9倍，即38 μm/a，因此本項目中單臺正常運(yùn)行的ORV涂層的壽命估算為5.26 a。

參照如東LNG項目的涂層實際運(yùn)行消耗情況，發(fā)現(xiàn)涂層理論計算厚度均小于實際檢測結(jié)果，計算值比較保守。同時，在新建項目配套天然氣管網(wǎng)設(shè)施未投用或下游用戶用氣量不足的情況下，會出現(xiàn)少外輸或沒有外輸?shù)墓r，ORV不具備長期滿負(fù)荷運(yùn)行的條件，也使設(shè)備涂層維護(hù)周期間接延長。單臺ORV涂層噴涂維護(hù)價格約100萬元，在設(shè)備長周期滿負(fù)荷運(yùn)行情況下，全生命周期內(nèi)共需補(bǔ)涂4次，總維護(hù)費(fèi)用400萬元。

IFV對海水水質(zhì)條件要求較低，與海水接觸部分采用了鈦合金材料。鈦合金材料具有良好的抗腐蝕性能，能在海水水質(zhì)較差的情況下使用，具有良好的低溫性能，使用溫度可達(dá)-269 ℃，其強(qiáng)度高，設(shè)計壓力可達(dá)35 MPa。在海水含沙量較大、重金屬離子超標(biāo)的情況下，主要選用IFV[13]。

通過對各種類型氣化器的比較，從安全性及維護(hù)成本考慮，對于以海水為熱源的氣化器，使用IFV最為可靠，但在與ORV具有相同氣化能力的情況下，IFV經(jīng)濟(jì)上不具備優(yōu)勢。

5 結(jié)語

隨著國內(nèi)主要LNG氣化器陸續(xù)實現(xiàn)國產(chǎn)化，氣化器制造技術(shù)和熱噴涂技術(shù)逐漸成熟，設(shè)備投資和維護(hù)成本進(jìn)一步降低[14]。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性兩方面對兩種主氣化器進(jìn)行分析，確定采用增加涂層噴涂次數(shù)的方法解決該LNG項目區(qū)域海水降低ORV涂層使用壽命的問題。從設(shè)備全生命周期投資角度考慮[15]，選用ORV在總投資上比選用IFV有明顯優(yōu)勢，且操作方便、維護(hù)簡單、啟動時間快，因此，本項目中采用ORV作為主氣化器。為滿足冬季工況下的氣態(tài)外輸以及緊急和調(diào)峰情況的外輸供氣，選用啟動速度快、投資少且占地少的SCV作為備用氣化器，增強(qiáng)整個系統(tǒng)的可靠性。文中在依據(jù)海水水質(zhì)選擇LNG氣化器的傳統(tǒng)設(shè)計理念基礎(chǔ)上，考慮設(shè)備全生命周期經(jīng)濟(jì)性，實現(xiàn)了項目的設(shè)計優(yōu)化，大幅降低了設(shè)備投資，現(xiàn)場實際運(yùn)行簡單、可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1] 梅鵬程，鄧春鋒，鄧欣.LNG氣化器的分類及選型設(shè)計[J].化學(xué)工程與裝備，2016(5)：65-70.

MEI P C，DENG C F，DENG X. Classification and selection of LNG vaporizer[J]. Chemical engineering & equipment，2016(5)：65-70.

[2] 張尚文.液化天然氣開架式氣化器工藝研究和設(shè)計[J].石油化工設(shè)備，2012，41(3)：25-29.

ZHANG S W. Process study and design of liquefied natural gas open rack vaporizer[J]. Petro-chemical equipment，2012，41(3)：25-29.

[3] 張韶.粵東LNG汽化器ORV的方案選擇及技術(shù)要素的分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011(24)：4-5.

ZHANG S. A technical analysis of heat exchangers in LNG plants and terminal[J]. New technologies and products of China，2011(24)：4-5.

[4] 曾偉，王良軍，吳永忠，等.開架式海水汽化器(ORV)涂層失效分析[J].全面腐蝕控制，2015，29(4)：36-38，13.

ZENG W，WANG L J，WU Y Z，et al. Coating failure analysis of open rack vaporizers[J].Total corrosion control，2015，29(4)：36-38，13.

[5] 馬文婷，陳彥澤，劉夢溪，等.國內(nèi)液化天然氣接收站海水氣化器的比較與選擇[J].石油化工設(shè)備，2014，43(4)：93-97.

MA W T，CHEN Y Z，LIU M X，et al. Comparison and selection of the domestic liquefied natural gas terminals’vaporizers[J].Petro-chemical equipment，2014，43(4)：93-97.

[6] 蔡憲和，秦鋒.中間介質(zhì)氣化器國產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國海上油氣，2013，25(4)：59-62，66.

CAI X H，QIN F. Research on key technologies for localization of intermediate fluid vaporizer[J]. China offshore oil and gas，2013，25(4)：59-62，66.

[7] 齊超，王博杰，易沖沖，等.浸沒燃燒式氣化器的運(yùn)行特性及優(yōu)化[J].化工學(xué)報，2015，66(S2)：198-205.

QI C，WANG B J，YI C C，et al. Operation characteristics and optimization of submerged combustion vaporizer[J]. CIESC journal，2015，66(S2)：198-205.

[8] 裘棟.LNG項目氣化器的選型[J].化工設(shè)計，2011，21(4)：19-22，6.

QIU D. The type selection of evaporator for LNG project[J].Chemical engineering design，2011，21(4)：19-22，6.

[9] 張富元，章偉艷，張霄宇，等.深海沉積物分類與命名的參數(shù)指標(biāo)和主成分分析[J].海洋學(xué)報(中文版)，2010，32(6)：118-129.

ZHANG F Y，ZHANG W Y，ZHANG X Y，et al. Indices of classification and nomenclature for deep-sea sediment and principal component analysis[J].Acta oceanologica sinica，2010，32(6)：118-129.

[10] 張成偉，馬鐵輪，蓋曉峰，等.LNG接收站開架式氣化器在高含沙海水工況下使用的探討[J].石油工程建設(shè)，2007(6)：8-10，83.

ZHANG C W，MA T L，GAI X F，et al. Discussion on application of open rack vaporizers in highly sandy sea water condition[J]. Petroleum engineering construction，2007(6)：8-10，83.

[11] 王向?qū)?，程紹杰，王金昌.開架式海水氣化器換熱管的防腐處理[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2015，32(1)：35-37.

WANG X N，CHENG S J，WANG J C. Corrosion protection for heat exchange tubes of sea water open-rack vaporizer[J]. Corrosion & protection in petrochemical industry，2015，32(1)：35-37.

[12] 劉憲軍.電弧噴涂Al，Zn涂層和Al-Zn偽合金涂層的磨損性能[J].材料保護(hù)，2001，34(3)：10-11.

LIU X J. Wear performance of arc sprayed Al，Zn and Al-Zn pseudo alloy coatings[J]. Materials protection，2001，34(3)：10-11.

[13] 呂俊，王蕾.浙江LNG接收站項目氣化器選型及系統(tǒng)優(yōu)化[J].天然氣工業(yè)，2008,28(2)：132-135，176-177.

Lü J，WANG L. Selection of vaporizer types and optimization of vaporizer system in LNG receiving terminal project of Zhejiang province[J]. Natural gas industry，2008，28(2)：132-135，176-177.

[14] 李龍煥.LNG接收站核心設(shè)備及關(guān)鍵材料國產(chǎn)化的進(jìn)展研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2017，7(4)：10-12，15.

LI L H. Research on the localization of core equipment and key materials in LNG receiving station[J]. Modern industrial economy and informationization，2017，7(4)：10-12，15.

[15] 尹清黨，楊大根.開架式氣化器完整性管理[J].設(shè)備管理與維修，2015(6)：14-16.

YIN Q D，YANG D G. Integrity management of open rack vaporizer[J]. Plant maintenance engineering，2015(6)：14-16.