海水開(kāi)架式氣化器運(yùn)行工況研究

許燕 馬敏吉 朱明 紀(jì)明磊

1.無(wú)錫厚德石化工程設(shè)計(jì)有限公司 2.中國(guó)石油管道局工程有限公司 3.中國(guó)寰球工程有限公司

LNG接收站主要功能是接卸、儲(chǔ)存、低壓輸送、蒸發(fā)氣(BOG)回收處理、加壓氣化、外輸及槽車外運(yùn)等，生產(chǎn)過(guò)程全部為物理過(guò)程。氣化器是實(shí)現(xiàn)LNG接收站外輸功能的重要設(shè)備。目前LNG接收站中通常采用的氣化器型式有開(kāi)架式氣化器(open rack vaporizer, ORV)、浸沒(méi)燃燒式氣化器(submerged combustion vaporizer, SCV)、中間介質(zhì)氣化器(intermediate fluid vaporizer, IFV)[1-5]，其中ORV是以海水作為熱源，海水自氣化器頂部的溢流裝置依靠重力自上而下均覆在氣化器管束的外表面上，液化天然氣沿管束內(nèi)自下而上被海水加熱氣化的設(shè)備。

在實(shí)際工程項(xiàng)目中，ORV的操作性能隨著LNG流量、海水溫度、海水流量、天然氣管網(wǎng)壓力等因素的變化而變化。因此，在設(shè)計(jì)階段有必要對(duì)LNG接收站ORV的實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行研究，并從工藝角度預(yù)測(cè)ORV在不同操作工況下工藝參數(shù)的變化趨勢(shì)，進(jìn)一步優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，并為操作人員提供指導(dǎo)。本文以處理能力為200 t/h的ORV為例，借助動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算軟件，研究分析各種工藝參數(shù)隨海水溫度、LNG流量、操作壓力的變化趨勢(shì)，并尋求一定的變化規(guī)律，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員和操作人員的應(yīng)用實(shí)踐。

動(dòng)態(tài)模擬模塊可用于模擬分析并指導(dǎo)原油生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)行，其中郭洲[6]利用HYSYS軟件對(duì)油氣田處理工藝系統(tǒng)的開(kāi)停工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究分析，以期通過(guò)開(kāi)停工方案的研究，能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)起到有效的指導(dǎo)作用；陳文峰[7]模擬出了三相分離器壓力安全閥在火災(zāi)工況下的泄放過(guò)程，得出了火災(zāi)工況下設(shè)備的最大泄放量及對(duì)應(yīng)的物性參數(shù)，為復(fù)雜混合物壓力容器安全閥的計(jì)算及選型提供了有益的參考；馮傳令[8]利用動(dòng)態(tài)HYSYS對(duì)原油容器的火災(zāi)工況的泄放過(guò)程進(jìn)行了模擬，模擬出火災(zāi)工況下最大的泄放量，解決了安全閥的計(jì)算及選型困難，有效地保證了系統(tǒng)的安全；高曉新[9]利用動(dòng)態(tài)模擬軟件對(duì)丙烷、異丁烷分離進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，考察了進(jìn)料組成變化對(duì)精餾塔塔內(nèi)溫度、再沸器、塔頂組成以及塔釜組成的影響，模擬結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。因此，動(dòng)態(tài)模擬可反映實(shí)際生產(chǎn)中流量、溫度、壓力、產(chǎn)品組成等隨時(shí)間及相關(guān)干擾因素的響應(yīng)變化過(guò)程，指導(dǎo)石油化工生產(chǎn)裝置的正常操作和穩(wěn)定運(yùn)行，已被國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和工程公司大量應(yīng)用[9-15]。

1 開(kāi)架式氣化器運(yùn)行工況分析

來(lái)自再冷凝器的LNG經(jīng)高壓輸送泵增壓后進(jìn)入氣化器入口總匯管，經(jīng)單臺(tái)ORV入口的流量控制閥(VLV-100)降壓后進(jìn)入ORV，同熱源介質(zhì)海水進(jìn)行換熱，LNG吸收海水熱量后變?yōu)樘烊粴膺M(jìn)入天然氣外輸管網(wǎng)，降溫后的海水經(jīng)海水渠排入大海。

本文采用HYSYS穩(wěn)態(tài)模擬軟件建立ORV物流平衡的計(jì)算模型，并基于此模型建立ORV運(yùn)行的動(dòng)態(tài)計(jì)算模型，如圖1所示。應(yīng)用該動(dòng)態(tài)模型分別對(duì)ORV運(yùn)行過(guò)程中LNG流量、天然氣管網(wǎng)壓力、海水溫度3種擾動(dòng)因素下的運(yùn)行工況進(jìn)行研究。動(dòng)態(tài)模型主要設(shè)置的PID控制器有進(jìn)料流量控制器、海水流量控制器、傳遞函數(shù)，其中進(jìn)料流量控制器為反饋控制，海水流量控制器為遠(yuǎn)程手動(dòng)控制，如圖1所示。

本示例項(xiàng)目ORV的進(jìn)出口參數(shù)及LNG組成見(jiàn)表1和表2所示。

表1 LNG組分Table 1 LNG composition組成摩爾分?jǐn)?shù)組成摩爾分?jǐn)?shù)甲烷0.877 4異丁烷0.005 3乙烷0.078 1正戊烷0.000 3丙烷0.028 3異戊烷0.000 8正丁烷0.006 2氮?dú)?.003 6

1.1 LNG負(fù)荷擾動(dòng)下動(dòng)態(tài)模擬

國(guó)內(nèi)大部分LNG接收站均承擔(dān)調(diào)峰功能，尤其在夏季環(huán)境溫度較高季節(jié)，ORV負(fù)荷隨著天然氣外輸管網(wǎng)壓力和海水入口溫度變化而頻繁的波動(dòng)。一旦ORV運(yùn)行后，海水流量通常會(huì)維持設(shè)計(jì)流量運(yùn)行，不受LNG流量變化的影響。以海水流量、海水溫度和天然氣管網(wǎng)壓力不變時(shí)ORV負(fù)荷在35%～110%波動(dòng)為例，研究天然氣出口溫度、海水出口溫度、海水進(jìn)出口溫差、ORV換熱量、換熱器平均溫差等主要操作參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)趨勢(shì)。

表2 ORV工藝操作參數(shù)Table 2 Process operation parameter of ORV工藝參數(shù)LNG流量/(t·h-1)LNG來(lái)料溫度/℃NG溫度/℃海水流量/(m3·h-1)天然氣管網(wǎng)壓力(表壓)/kPa海水來(lái)料溫度/℃換熱器總傳熱系數(shù)/(MJ·(℃·h)-1)數(shù)值200-155≥16000～90007000～91005.5～303643

從圖2、圖3可以看出，在海水流量7500 m3/h、海水進(jìn)口溫度20 ℃、天然氣管網(wǎng)壓力(表壓)9380 kPa時(shí)，LNG流量在90 min內(nèi)從70 t/h逐步增大到220 t/h的過(guò)程中，ORV冷側(cè)和熱側(cè)流體傳熱負(fù)荷明顯增大。在ORV傳熱面積固定情況下，ORV的對(duì)數(shù)平均溫差明顯增大，從21.8 ℃逐步增大至50 ℃。相應(yīng)的海水出口溫度從18.8 ℃逐步降低至15.1 ℃，ORV出口天然氣溫度從19.4 ℃逐步降低至11.5 ℃，海水進(jìn)出口溫差從1.1 ℃逐步增大至4.8 ℃，該數(shù)值已接近規(guī)范規(guī)定的要求(5 ℃)[16]。因此，在上述海水流量和溫度條件下雖然天然氣出口溫度遠(yuǎn)高于最低允許溫度1 ℃，但ORV不應(yīng)再增大負(fù)荷，否則容易使海水溫降過(guò)大，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成危害。隨著LNG負(fù)荷增加，ORV換熱量和換熱器平均溫差逐步增大，天然氣出口溫度和海水出口溫度降低，海水進(jìn)出口溫差增大。

1.2 天然氣管網(wǎng)壓力擾動(dòng)下動(dòng)態(tài)模擬

通常LNG接收站外輸管網(wǎng)容積較大，管網(wǎng)壓力波動(dòng)速率相對(duì)較小。本文以海水流量、海水溫度和LNG流量不變時(shí)天然氣管網(wǎng)壓力(表壓)在7000～9100 kPa范圍波動(dòng)為例，研究天然氣出口溫度、海水出口溫度、海水進(jìn)出口溫差、ORV換熱量、換熱器平均溫差等主要操作參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)趨勢(shì)。

從圖4、圖5可以看出，在海水流量7500 m3/h、海水進(jìn)口溫度20 ℃、LNG流量200 t/h時(shí)，天然氣管網(wǎng)壓力在1200 min內(nèi)緩慢地由7000 kPa逐步提高至9100 kPa過(guò)程中，ORV冷側(cè)和熱側(cè)流體傳熱負(fù)荷明顯降低，從1.45×108kJ/h逐步降低至1.40×108kJ/h。在ORV傳熱面積固定情況下，ORV的對(duì)數(shù)平均溫差從48.2 ℃逐步降至46.4 ℃。相應(yīng)的海水出口溫度從15.3 ℃逐步增至15.5 ℃，ORV出口天然氣溫度從12.4 ℃逐步增至13.3 ℃，海水進(jìn)出口溫差從4.66 ℃逐步降至4.48 ℃。因此，隨著天然氣管網(wǎng)壓力的升高，ORV換熱量和換熱器平均溫差逐步降低，天然氣出口溫度和海水出口溫度逐步升高，海水進(jìn)出口溫差逐步降低。

1.3 海水溫度擾動(dòng)下動(dòng)態(tài)模擬

ORV的熱源為海水，海水溫度隨著季節(jié)變化而變化，LNG接收站無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)海水溫度的控制。本文以LNG流量、天然氣管網(wǎng)壓力和海水進(jìn)出口溫差(4.5 ℃)不變時(shí)海水進(jìn)口溫度在7～28 ℃范圍波動(dòng)為例，研究天然氣出口溫度、海水出口溫度、海水流量、ORV換熱量、換熱器平均溫差等主要操作參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)趨勢(shì)。

從圖6～圖8可以看出，在LNG流量、天然氣管網(wǎng)壓力和海水進(jìn)出口溫差不變時(shí)，海水進(jìn)口溫度由7 ℃逐步提高至28 ℃過(guò)程中，ORV冷側(cè)和熱側(cè)流體傳熱負(fù)荷明顯升高，從1.31×108kJ/h逐步升高至1.46×108kJ/h，在ORV傳熱面積固定情況下，ORV的對(duì)數(shù)平均溫差從43.47 ℃逐步增大至50.8 ℃。為了維持海水進(jìn)出口溫差為4.5 ℃，海水流量從6700 m3/h增大至8080 m3/h，海水出口溫度從2.5 ℃逐步增大至23.5 ℃，ORV出口天然氣溫度從0.45 ℃逐步增大至21.2 ℃。因此，隨著海水進(jìn)口溫度的升高，ORV換熱量和換熱器平均溫差增大，天然氣出口溫度和海水出口溫度逐步升高，海水需求量反而增大，因此，在ORV工藝設(shè)計(jì)階段，ORV所需海水用量應(yīng)按照海水的高溫工況進(jìn)行選型。

2 結(jié)論

(1) 本文采用動(dòng)態(tài)模擬軟件建立ORV運(yùn)行的動(dòng)態(tài)模型，研究ORV的相關(guān)工藝參數(shù)隨LNG負(fù)荷、天然氣管網(wǎng)操作壓力、海水溫度等因素的變化趨勢(shì)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員對(duì)ORV的設(shè)計(jì)選型和操作人員的運(yùn)行實(shí)踐。

(2) 當(dāng)僅有LNG負(fù)荷逐步增加時(shí)，ORV換熱量和換熱器平均溫差逐步增大，天然氣出口溫度和海水出口溫度降低，海水進(jìn)出口溫差增大，因此，ORV運(yùn)行時(shí)操作人員應(yīng)密切關(guān)注海水進(jìn)出口溫差，維持其在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

(3) 當(dāng)只有天然氣管網(wǎng)壓力升高時(shí)，ORV換熱量和換熱器平均溫差逐步降低，天然氣出口溫度和海水出口溫度逐步升高，海水進(jìn)出口溫差逐步降低。

(4) 隨著海水進(jìn)口溫度的升高，ORV換熱量和換熱器平均溫差增大，天然氣出口溫度和海水出口溫度逐步升高，海水需求量反而增大，因此，進(jìn)行ORV工藝設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員應(yīng)密切關(guān)注海水用量的設(shè)計(jì)取值基準(zhǔn)，應(yīng)按海水的高溫工況進(jìn)行選型。

(5) 在ORV實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，上述影響因素并不是獨(dú)立存在的，而是互相依托、互相影響的。分析上述多種復(fù)雜因素對(duì)ORV運(yùn)行性能的影響可借助動(dòng)態(tài)模擬工具，能夠準(zhǔn)確地分析工藝參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。