空氣冷卻器噴霧前后對液化天然氣裝置產能的影響分析
2021-02-26 07:16:14楊龍
楊龍
康泰斯（上海）化學工程有限公司 （上海 201203）
隨著液化天然氣（LNG）技術的發(fā)展和推廣，國內有較多的在建和已投產的液化天然氣工廠，采用的液化工藝也各不相同。Black&Veatch 公司開發(fā)的PRICO 液化工藝，采用單級混合制冷劑節(jié)流循環(huán)，被廣泛應用在中小型天然氣液化工廠中[1]。PRICO液化工藝的流程如圖1 所示。在PRICO 液化工藝中，混合制冷劑需要經過級間冷卻器和出口冷凝器降溫，實現氣液兩相的分離。其中，級間冷卻器和出口冷凝器可采用空氣冷卻器、管殼式冷卻器、空氣冷卻器串聯管殼式冷卻器等多種形式，冷卻介質分別為空氣和循環(huán)水。采用管殼式冷卻器、空氣冷卻器串聯管殼式冷卻器的冷卻方式，受環(huán)境溫度的影響相對較小。采用空氣冷卻器的冷卻方式，則受環(huán)境溫度變化的影響較大，尤其是在夏季。因環(huán)境溫度高于空氣冷卻器的空氣設計溫度，降低了空氣冷卻器的降溫效果，造成混合制冷劑的溫度高于設計值，增加了板翅式換熱器的換熱負荷和冷劑壓縮機的功耗，影響了裝置的產能。本研究結合PRICO 液化工藝，討論了級間冷卻器和出口冷凝器噴霧前后對裝置產能的影響。
圖1 PRICO 液化工藝流程
1 環(huán)境溫度變化對裝置產能的影響
空氣冷卻器是采用空氣作為換熱介質的換熱設備。由于全年環(huán)境溫度的變化比較大，因此空氣冷卻器的降溫效果受到很大影響?？諝饫鋮s器空氣設計溫度的選取，不僅會影響換熱效果，也會影響設備的初次投資費用。在空氣冷卻器設計中，將工藝介質出口溫度與空氣設計溫度的溫度差作為確定空氣冷卻器換熱面積的重要依據。當溫度差較小時，空氣冷卻器的換熱面積將增大。考慮到空氣冷卻器的換熱面積和初次設備投資費用，該溫度差為6～8 ℃較合理。
已建成的液化天然氣工廠中，空氣冷卻器的選型和安裝都已完成。當出現環(huán)境溫度高于空氣設計溫度時，工藝介質出口側溫度與空氣設計溫度的差值減小，在空氣冷卻器換熱面積確定的情況下，其換熱量下降。若工藝介質進口側溫度和流量保持不變，那么工藝介質出口側溫度將升高。在PRICO 液化工藝中，級間冷卻器和出口冷凝器出口側的混合制冷劑溫度將會升高，這就直接影響到冷劑壓縮機和板翅式換熱器。冷劑壓縮機采用離心式壓縮機，其功率與進氣溫度基本成正比[2]。在混合制冷劑壓縮增壓過程中，混合制冷劑溫度升高會增加冷劑壓縮機的功耗，當冷劑壓縮機的功耗達到額定功耗時，就不得不降低混合制冷劑的流量。由于天然氣液化的冷量全部來自混合制冷劑，所以混合制冷劑流量的降低直接導致裝置產能的下降。天然氣的液化是通過板翅式換熱器（簡稱“冷箱”）實現的，在冷箱其他通道進氣條件不變的情況下，混合制冷劑溫度升高會額外增加冷箱的換熱負荷。當冷箱的換熱負荷達到額定換熱負荷時，為達到將天然氣液化的目的，就不得不降低天然氣的進氣量，從而使裝置產能降低。
通過以上分析可知，環(huán)境溫度變化將會影響級間冷卻器和出口冷凝器的換熱效果，引起混合制冷劑溫度升高，進而影響冷劑壓縮機和冷箱，最后直接影響裝置產能。
2 空氣冷卻器噴霧前對裝置產能的影響
以河北省某座日處理量1 000 000 m3（標準狀態(tài)下，下同）的液化天然氣項目為例。該項目采用PRICO 液化工藝，級間冷卻器和出口冷凝器均采用空氣冷卻器。該項目在設計時，根據當地提供的氣象資料，空氣冷卻器的空氣設計溫度為28 ℃。近3 年來，當地每月的平均溫度統(tǒng)計數據見表1。不論是每一年還是3 年的月平均溫度，4 月—9 月的環(huán)境溫度均高于空氣冷卻器的空氣設計溫度。
2.1 原料氣組分及進氣條件
2.1.1 原料氣組分
原料氣組分見表2。
表1 2017 年—2019 年每月的平均溫度
表2 原料氣組分
2.1.2 原料氣進氣條件
裝置界區(qū)處的原料氣進氣壓力為5.7 MPa，原料氣至液化區(qū)的壓力為5.32 MPa，原料氣至液化區(qū)的溫度為35 ℃。
2.2 空氣冷卻器噴霧前對裝置產能的影響
近3 年來，該裝置實際平均產能（以設計產能的百分比表示）見表3。
表3 環(huán)境月平均溫度與裝置產能
從表3 數據可以看出，當環(huán)境溫度高于空氣冷卻器的空氣設計溫度時，裝置產能低于設計產能，且隨環(huán)境溫度的升高而降低。所以，要提升裝置產能，就必須改善空氣冷卻器的換熱效果。因此，在不改動裝置原設備布置的前提下，采用了對空氣冷卻器進行噴霧的方法。
3 空氣冷卻器噴霧后對裝置產能的影響
當環(huán)境溫度高于空氣冷卻器的空氣設計溫度時，為提升或保持裝置的產能，必須改善空氣冷卻器的換熱效果。在此，采用對級間冷卻器和出口冷凝器進行噴霧降溫的方法。通過噴嘴將霧化的脫鹽水噴在空氣冷卻器的進風口：一方面，部分水霧蒸發(fā)使空氣冷卻器的進口空氣增濕降溫，提高了傳熱溫差；另一方面，霧化水滴在空氣冷卻器的翅片表面形成一層薄水膜，水膜的汽化潛熱也強化了空氣冷卻器的換熱能力。上述兩方面都可改善空氣冷卻器的換熱效果。在實際運行中，霧化水滴與空氣的接觸量、接觸時間都不可能無限長，所以降溫后的空氣不可能達到飽和狀態(tài)。在工程設計中，一般選取的最大許可相對濕度為90%[3]。在噴霧過程中，霧化水滴的蒸發(fā)是非常復雜的物理過程，涉及到動量、熱量和質量的傳遞及輸運等復雜過程，目前尚無法給出定量的數學描述[4]。
表4 級間冷卻器和出口冷凝器4 月—9 月的噴霧量
3.1 噴霧量的計算
由于噴霧過程復雜，且同時具有空氣增濕降溫和水膜汽化降溫兩個特點。整個降溫過程中這兩方面所占的比例，目前尚無數學模型或關系式進行定量。為簡化問題，對噴霧降溫過程作理想化處理，分別以空氣增濕降溫和水膜汽化降溫兩個極端情況進行討論。基于以上假定，對噴霧量進行計算分析。噴霧水為脫鹽水，溫度為20 ℃，供水壓力為0.6 MPa。噴嘴的尺寸為3.2 mm，噴霧角為120°，材質為304 L，呈三角形布置在空氣冷卻器的進風口。
3.1.1 空氣增濕降溫過程噴霧量的計算
假定霧化水滴與空氣冷卻器進口空氣充分接觸并進行充分的熱濕交換。噴入的霧化水滴完全蒸發(fā)又回到空氣中，空氣相對濕度和含濕量增加，同時空氣溫度降低，濕空氣的焓值不變，即是一個等焓加濕過程。在該過程中，可認為空氣的濕球溫度不變，干球溫度隨含濕量的增加而降低，可以根據空氣含濕量的變化計算出噴霧量[4]。
根據上述計算原理，依據公式（1）分別計算級間冷卻器和出口冷凝器在4 月—9 月的噴霧量，見表4。經噴霧后的空氣最終相對濕度選取為90%。
式中：W為空氣冷卻器的干空氣量，kg/h；d2為空氣冷卻器的出口干空氣含濕量，g/kg；d1為空氣冷卻器的進口干空氣含濕量，g/kg；F為噴霧量，kg/h。
級間冷卻器的空氣量為3 538 634 kg/h，出口冷凝器的空氣量為2 054 257 kg/h。通過表4 的計算結果可以看出，當噴霧后的空氣最終相對濕度為90%時，噴霧后的空氣干球溫度與空氣冷卻器的空氣設計溫度仍有差距，這主要受噴霧前空氣干球溫度和相對濕度的影響。噴霧前相對濕度越大，噴霧前后空氣的含濕量變化越小，噴水量也就越小。
3.1.2 水膜汽化降溫過程噴霧量的計算
假定噴霧水滴在空氣冷卻器翅片管上形成均勻的薄水膜，并直接噴霧在翅片管表面，水膜汽化后吸收空氣中的熱量，當空氣飽和時，汽化降溫的過程即停止。噴入的霧滴完全汽化，根據噴霧前后空氣的溫度變化計算出噴霧量。
根據上述計算原理，依據公式（2）和（3）分別計算級間冷卻器和出口冷凝器在4 月—9 月的噴霧量，見表5。經噴霧后的空氣最終相對濕度選取為90%。
式中：Cp為空氣比熱容，取1.01 kJ/（kg·K）；M1為空氣冷卻器的空氣質量流量，kg/s；M2為噴霧量，kg/h；T0為噴霧前濕球溫度，K；T1為噴霧前空氣溫度，K；T2為噴霧后空氣溫度，K；ΔHs為水的汽化潛熱，2 256.25 kJ/kg。
表5 級間冷卻器和出口冷凝器4 月—9 月的噴霧量
級間冷卻器的空氣量為3 538 634 kg/h，出口冷凝器的空氣量為2 054 257 kg/h。通過表5 可看出，當噴霧后的空氣最終相對濕度為90%時，噴霧后的空氣干球溫度與空氣冷卻器的空氣設計溫度仍有差距，這主要受噴霧前空氣干球溫度和相對濕度的影響。噴霧前后干球溫度相差越小，噴霧水量也越小。
空氣增濕降溫和霧滴汽化潛熱降溫的機理不同。同一工況下，對噴霧量采取了不同的計算方法：對于空氣增濕降溫，根據空氣含濕量的變化計算噴霧量；對于霧滴汽化潛熱降溫，根據噴霧前后空氣的溫度變化計算噴霧量。由于在實際運行過程中，這兩種情況同時存在，很難用數學模型或關系式對降溫過程進行準確的定量，上述計算結果作為實際運行的一種參考和借鑒。
3.2 空氣冷卻器噴霧后對裝置產能的影響
根據原料氣的組分和進氣條件，計算了對級間冷卻器和出口冷凝器噴霧后的裝置產能，并與噴霧前的產能進行了比較，見表6。
表6 空氣冷卻器噴霧前后裝置產能的變化
通過表6 可以看出：噴霧前，4 月—9 月，環(huán)境溫度均高于空氣冷卻器的空氣設計溫度，裝置產能大部分較低，最低只有65%；噴霧后，計算出的裝置產能絕大多數在90%以上。噴霧前的全年平均產能為93.4%，噴霧后的全年平均產能為101.3%，滿足裝置設計的100%產能目標。由此可見，對空氣冷卻器采用噴霧增濕降溫的方法，可有效提升裝置的產能，降低產品的單位能耗。
4 結語
采用空氣冷卻器進行冷卻的液化天然氣裝置，降溫效果受環(huán)境溫度的影響較大，尤其是在夏季。本研究結合PRICO 液化工藝，根據液化天然氣裝置實際的運行情況，在其他條件不變的前提下，分析了環(huán)境溫度變化對裝置產能的影響，并提出了對空氣冷卻器進行噴霧增濕以改善其降溫效果的方法。通過對比噴霧前后裝置產能的變化，驗證了該方法的有效性和可靠性，對具有相同或類似情況的液化天然氣裝置，具有一定的指導參考意義。需要注意的是：在具體的實施過程中，噴霧的水量不會完全汽化，需要考慮這部分水的收集和再利用的問題；噴霧量的計算過程基于一些假定條件，與實際情況有些差距。
