上海LNG接收站冷能利用中間介質(zhì)氣化器研究

劉 軍 章潤(rùn)遠(yuǎn)

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司

0 引言

上海LNG接收站現(xiàn)有的設(shè)備配置已不能滿足上海市天然氣市場(chǎng)的變化，只有提高供氣彈性，才能確保上海市天然氣的供應(yīng)和調(diào)峰?！渡虾Ｄ茉窗l(fā)展規(guī)劃》提出在“十二五”期間建設(shè)上海LNG項(xiàng)目一期擴(kuò)建工程等工作。

根據(jù)國(guó)家有關(guān)節(jié)能減排政策，在上海LNG儲(chǔ)罐擴(kuò)建項(xiàng)目中設(shè)置一套低溫朗肯循環(huán)的冷能利用發(fā)電裝置。

項(xiàng)目采用的低溫朗肯循環(huán)是利用丙烷作為中間循環(huán)介質(zhì)進(jìn)行發(fā)電。液相丙烷經(jīng)過丙烷循環(huán)泵進(jìn)入中間介質(zhì)氣化器（以下簡(jiǎn)稱IFV）和海水換熱，氣化后進(jìn)入透平發(fā)電機(jī)組的透平端，釋放丙烷蒸汽中的焓，丙烷自身減壓降溫成常壓飽和丙烷蒸汽，焓被轉(zhuǎn)化為電能后向外輸送。經(jīng)過透平的丙烷進(jìn)入IFV的LNG氣化部分，將LNG氣化為氣態(tài)天然氣，同時(shí)丙烷液化，再次進(jìn)入丙烷循環(huán)泵，進(jìn)入下一次循環(huán)。

本研究重點(diǎn)在冷能發(fā)電用IFV設(shè)計(jì)理念、制造思路等部分，通過設(shè)備工藝模擬計(jì)算，得出IFV實(shí)際運(yùn)行情況的參數(shù)，對(duì)冷能發(fā)電項(xiàng)目的實(shí)施提供技術(shù)支撐。

1 LNG氣化器

LNG氣化器是將液態(tài)天然氣（-162℃）通過熱媒加熱氣化為氣態(tài)天然氣的換熱裝置。

LNG氣化器根據(jù)運(yùn)行情況分為基本負(fù)荷型和應(yīng)急調(diào)峰型。基本負(fù)荷型使用頻率高、氣化量大，在選型階段主要考慮設(shè)備的運(yùn)行成本。應(yīng)急調(diào)峰型是為滿足城市燃?xì)庹{(diào)峰要求，其特點(diǎn)具有使用頻率低，啟動(dòng)要求高。根據(jù)LNG氣化器的熱媒不同，可將LNG氣化器分為加熱（強(qiáng)制）氣化器、環(huán)境氣化器和工藝氣化器三類。常見的LNG氣化熱媒有空氣、河水或海水、天然氣燃燒熱、電加熱、工廠廢熱等。

我國(guó)大型的LNG接收站基本上建在沿海，LNG氣化器根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚣昂Ｋ畻l件、接收站的功能定位、熱源種類等條件選取。目前氣化器型式主要有開架式氣化器、浸沒燃燒式氣化器和中間介質(zhì)氣化器。

1.1 開架式氣化器（ORV）

開架式氣化器是一種水加熱型氣化器，以海水為熱源，在0～100%的負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)根據(jù)需求的變化控制調(diào)整氣化量。其特點(diǎn)是投資較大、運(yùn)行費(fèi)用較低、操作和維護(hù)容易，適用于基本負(fù)荷型的LNG接收站。

1.2 浸沒燃燒式氣化器（SCV）

浸沒燃燒式氣化器屬于強(qiáng)制加熱型氣化器，它以燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣為熱源，直接加熱水，加熱后的水通過激烈攪動(dòng)，與管內(nèi)LNG進(jìn)行熱交換，大幅提高了傳熱效率。浸沒燃燒式氣化器的熱效率在98%左右，可快速啟動(dòng)，并能對(duì)負(fù)荷的突然變化作出反應(yīng)，適用于應(yīng)急或調(diào)峰用氣工況。其特點(diǎn)是整體投資和安裝費(fèi)用低、占地面積小、操作靈活；但其操作費(fèi)用很高。

1.3 中間介質(zhì)氣化器（IFV）

中間介質(zhì)式氣化器主要有管殼式氣化器（STV）和中間流體式氣化器（IFV），其相同點(diǎn)均利用中間介質(zhì)作為熱媒。中間介質(zhì)可以是丙烷或醇（甲醇或乙二醇）水溶液，加熱介質(zhì)可為海水、熱水、空氣等，可改善結(jié)冰帶來(lái)的影響。

上海LNG接收站由于熱源為海水，同時(shí)考慮此處為長(zhǎng)江入海口，海水中泥沙的含量非常高，結(jié)合LNG接收站三種常見的液化天然氣的氣化器特點(diǎn)，上海LNG接收站使用IFV做為主要?dú)饣鳌?/p>

2 中間介質(zhì)氣化器

2.1 中間介質(zhì)氣化器的原理

LNG中間介質(zhì)氣化器（Intermediate Fluid Vaporizer,IFV）是一種具有廣泛應(yīng)用潛力的氣化LNG設(shè)備，因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使IFV較空氣式氣化器更高效，較開架式氣化器適應(yīng)性更強(qiáng)。但是IFV的設(shè)計(jì)制造面臨許多技術(shù)難題：一是其制造材料必須能耐低溫、承高壓、耐腐蝕、耐磨損；二是換熱器的結(jié)構(gòu)不僅要保證安全高效的運(yùn)行，且需方便維護(hù)檢修；三是對(duì)換熱器的換熱效率有較大影響的中間介質(zhì)的選??；四是換熱器內(nèi)流動(dòng)換熱基礎(chǔ)理論是換熱器設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，是優(yōu)化換熱器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

圖1給出了IFV的結(jié)構(gòu)原理圖，IFV主要有丙烷蒸發(fā)器（簡(jiǎn)稱E1氣化器）、LNG氣化器（簡(jiǎn)稱E2氣化器）和NG加熱器（簡(jiǎn)稱E3氣化器）三個(gè)部分組成。熱源高溫海水首先進(jìn)入E3氣化器，溫度為TW1，在E3氣化器換熱管內(nèi)流動(dòng)放熱，出口溫度為TW2，然后再進(jìn)入E1氣化器，在E1氣化器的換熱管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)一步放出熱量，最后排出IFV，溫度降為TW3。低溫LNG首先進(jìn)入E2氣化器，溫度為TLNG1，在E2氣化器換熱管內(nèi)流動(dòng)吸熱并氣化成氣態(tài)天然氣，同時(shí)出口溫度升高至TNG2，然后進(jìn)入E1氣化器沖刷海水管束吸熱，溫度進(jìn)一步升高至設(shè)計(jì)溫度TNG3；丙烷在E1氣化器中吸熱氣化，在E2氣化器中放熱液化，如此反復(fù)循環(huán)傳遞熱量，其飽和溫度恒定不變。

圖1 常規(guī)IFV氣化傳熱工藝圖

2.2 冷能發(fā)電用中間介質(zhì)氣化器簡(jiǎn)述

在冷能發(fā)電裝置中，IFV分成兩個(gè)部分，其中E2氣化器獨(dú)立成為一個(gè)單體設(shè)備，由LNG和氣態(tài)丙烷進(jìn)行換熱，LNG氣化形成NG，中間介質(zhì)則完全液化；E1氣化器和E3氣化器組成一個(gè)單體設(shè)備，E1氣化器利用海水的溫度蒸發(fā)液態(tài)丙烷，E3氣化器則加熱從E2氣化器氣化排出的氣態(tài)天然氣，使其溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的參數(shù)后進(jìn)入后續(xù)工藝系統(tǒng)，見圖2。

圖2 冷能發(fā)電IFV氣化傳熱工藝圖

3 冷能發(fā)電用中間介質(zhì)氣化器研究

3.1 IFV計(jì)算工況

上海LNG接收站冷能發(fā)電裝置用IFV，LNG氣化量為205．2t/h，作為熱源的海水溫度按最不利的7．6℃進(jìn)行設(shè)計(jì)，并確保海水進(jìn)出口溫差不大于5℃。目前按表1中4個(gè)工況進(jìn)行設(shè)備工藝計(jì)算。

3.2 IFV機(jī)械設(shè)計(jì)條件

為滿足設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備需要采用耐低溫的不銹鋼。同時(shí)冷能發(fā)電用IFV是利用E2和E1&E3兩部分之間的丙烷進(jìn)行冷循環(huán)，E1&E3管束內(nèi)的海水凍結(jié)將是最惡劣的操作工況，將直接減少設(shè)備的換熱效率，同時(shí)對(duì)管束造成致命破壞。出于安全性考慮，管束應(yīng)該要滿足3次凍漲疲勞試驗(yàn)才能保證設(shè)備安全運(yùn)行。管束凍漲示意見圖3，不同部分應(yīng)選擇表2中所列材料。

圖3 IFV管束凍漲示意圖

表3為根據(jù)冷能發(fā)電用IFV使用的介質(zhì)條件（海水，LNG及丙烷），所列出的設(shè)計(jì)條件。

3.3 IFV工藝計(jì)算結(jié)果

按照IFV設(shè)計(jì)條件，計(jì)算結(jié)果見表4：

表1 IFV計(jì)算工況一覽表

表2 IFV材料表

表3 IFV設(shè)計(jì)條件

表4 計(jì)算結(jié)果表

3.4 IFV工藝計(jì)算結(jié)果分析

1）海水部分

IFV設(shè)備需要的海水流量為7 755t/h，從IFV的E3氣化器進(jìn)入，在IFV的E1氣化器出來(lái)，進(jìn)出口溫差均小于5℃。

2）LNG部分

IFV的LNG氣化能力滿足上海LNG接收站205．2t/h的要求，進(jìn)入E2的LNG溫度為-147℃，經(jīng)過E2氣化器和E3氣化器后，氣態(tài)天然氣出口溫度大于1℃，經(jīng)過IFV的LNG壓力降小于2Barg。

3）丙烷部分

IFV的中間介質(zhì)丙烷所需要的循環(huán)量根據(jù)LNG組分的不同而發(fā)生變化，貧液為229t/h，富液為202t/h，丙烷在設(shè)備內(nèi)的壓損小于0．2Barg，丙烷溫度基本穩(wěn)定，在E2設(shè)備中被液化至-41℃，在E1中被海水加熱至-7℃～8℃。

根據(jù)表4中四個(gè)工況計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在LNG流量不變的情況下，改變LNG的組分，壓力均會(huì)對(duì)海水進(jìn)出口溫差和丙烷循環(huán)量、溫度及壓力產(chǎn)生不同的變化。如LNG在63Barg壓力下，由貧液組分變?yōu)楦灰航M分，海水溫差減小0．3℃，丙烷循環(huán)量減少27t/h。這些參數(shù)的變化均在IFV的允許范圍內(nèi)，滿足上海LNG接收站運(yùn)行要求。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1)冷能發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)模為L(zhǎng)NG氣化量205．2t/h，裝置發(fā)電能力達(dá)到2 400萬(wàn)kW。

2)冷能發(fā)電用IFV和常規(guī)IFV的區(qū)別主要在于E2部分的獨(dú)立以及丙烷循環(huán)系統(tǒng)從設(shè)備內(nèi)循環(huán)變成設(shè)備外循環(huán)。

3)設(shè)備本體的材質(zhì)要求非常高，大部分設(shè)備均需要使用不銹鋼，其中海水管束需使用鈦合金管，以降低由帶泥沙的海水磨損和腐蝕以及海水的凍漲破壞。

4)根據(jù)目前計(jì)算的工況對(duì)IFV設(shè)備的計(jì)算結(jié)果，滿足上海LNG接收站的要求。

4.2 建議

在工藝計(jì)算中鎖定了部分工藝條件，如海水入口溫度和LNG入口溫度等，應(yīng)進(jìn)一步收集上海LNG接收站實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，擴(kuò)大IFV工藝研究范圍，確保冷能發(fā)電用IFV能在項(xiàng)目的實(shí)施中平穩(wěn)運(yùn)行。