空氣冷卻器噴霧前后對液化天然氣裝置產(chǎn)能的影響分析

楊龍

康泰斯（上海）化學(xué)工程有限公司 （上海 201203）

隨著液化天然氣（LNG）技術(shù)的發(fā)展和推廣，國內(nèi)有較多的在建和已投產(chǎn)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(yīng)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(jīng)過級間冷卻器和出口冷凝器降溫，實(shí)現(xiàn)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(lián)管殼式冷卻器等多種形式，冷卻介質(zhì)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(lián)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)值，增加了板翅式換熱器的換熱負(fù)荷和冷劑壓縮機(jī)的功耗，影響了裝置的產(chǎn)能。本研究結(jié)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(chǎn)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(chǎn)能的影響

空氣冷卻器是采用空氣作為換熱介質(zhì)的換熱設(shè)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(shè)計(jì)溫度的選取，不僅會(huì)影響換熱效果，也會(huì)影響設(shè)備的初次投資費(fèi)用。在空氣冷卻器設(shè)計(jì)中，將工藝介質(zhì)出口溫度與空氣設(shè)計(jì)溫度的溫度差作為確定空氣冷卻器換熱面積的重要依據(jù)。當(dāng)溫度差較小時(shí)，空氣冷卻器的換熱面積將增大?？紤]到空氣冷卻器的換熱面積和初次設(shè)備投資費(fèi)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(dāng)出現(xiàn)環(huán)境溫度高于空氣設(shè)計(jì)溫度時(shí)，工藝介質(zhì)出口側(cè)溫度與空氣設(shè)計(jì)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(zhì)進(jìn)口側(cè)溫度和流量保持不變，那么工藝介質(zhì)出口側(cè)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(cè)的混合制冷劑溫度將會(huì)升高，這就直接影響到冷劑壓縮機(jī)和板翅式換熱器。冷劑壓縮機(jī)采用離心式壓縮機(jī)，其功率與進(jìn)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(huì)增加冷劑壓縮機(jī)的功耗，當(dāng)冷劑壓縮機(jī)的功耗達(dá)到額定功耗時(shí)，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(dǎo)致裝置產(chǎn)能的下降。天然氣的液化是通過板翅式換熱器（簡稱“冷箱”）實(shí)現(xiàn)的，在冷箱其他通道進(jìn)氣條件不變的情況下，混合制冷劑溫度升高會(huì)額外增加冷箱的換熱負(fù)荷。當(dāng)冷箱的換熱負(fù)荷達(dá)到額定換熱負(fù)荷時(shí)，為達(dá)到將天然氣液化的目的，就不得不降低天然氣的進(jìn)氣量，從而使裝置產(chǎn)能降低。

通過以上分析可知，環(huán)境溫度變化將會(huì)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(jìn)而影響冷劑壓縮機(jī)和冷箱，最后直接影響裝置產(chǎn)能。

2 空氣冷卻器噴霧前對裝置產(chǎn)能的影響

以河北省某座日處理量1 000 000 m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，下同）的液化天然氣項(xiàng)目為例。該項(xiàng)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(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)當(dāng)?shù)靥峁┑臍庀筚Y料，空氣冷卻器的空氣設(shè)計(jì)溫度為28 ℃。近3 年來，當(dāng)?shù)孛吭碌钠骄鶞囟冉y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)溫度。

2.1 原料氣組分及進(jìn)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(jìn)氣條件

裝置界區(qū)處的原料氣進(jìn)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(chǎn)能的影響

近3 年來，該裝置實(shí)際平均產(chǎn)能（以設(shè)計(jì)產(chǎn)能的百分比表示）見表3。

表3 環(huán)境月平均溫度與裝置產(chǎn)能

從表3 數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度高于空氣冷卻器的空氣設(shè)計(jì)溫度時(shí)，裝置產(chǎn)能低于設(shè)計(jì)產(chǎn)能，且隨環(huán)境溫度的升高而降低。所以，要提升裝置產(chǎn)能，就必須改善空氣冷卻器的換熱效果。因此，在不改動(dòng)裝置原設(shè)備布置的前提下，采用了對空氣冷卻器進(jìn)行噴霧的方法。

3 空氣冷卻器噴霧后對裝置產(chǎn)能的影響

當(dāng)環(huán)境溫度高于空氣冷卻器的空氣設(shè)計(jì)溫度時(shí)，為提升或保持裝置的產(chǎn)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(jìn)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(jìn)風(fēng)口：一方面，部分水霧蒸發(fā)使空氣冷卻器的進(jìn)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(qiáng)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(shí)際運(yùn)行中，霧化水滴與空氣的接觸量、接觸時(shí)間都不可能無限長，所以降溫后的空氣不可能達(dá)到飽和狀態(tài)。在工程設(shè)計(jì)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(fù)雜的物理過程，涉及到動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的傳遞及輸運(yùn)等復(fù)雜過程，目前尚無法給出定量的數(shù)學(xué)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(jì)算

由于噴霧過程復(fù)雜，且同時(shí)具有空氣增濕降溫和水膜汽化降溫兩個(gè)特點(diǎn)。整個(gè)降溫過程中這兩方面所占的比例，目前尚無數(shù)學(xué)模型或關(guān)系式進(jìn)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(gè)極端情況進(jìn)行討論?；谝陨霞俣?，對噴霧量進(jìn)行計(jì)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(zhì)為304 L，呈三角形布置在空氣冷卻器的進(jìn)風(fēng)口。

3.1.1 空氣增濕降溫過程噴霧量的計(jì)算

假定霧化水滴與空氣冷卻器進(jìn)口空氣充分接觸并進(jìn)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(shí)空氣溫度降低，濕空氣的焓值不變，即是一個(gè)等焓加濕過程。在該過程中，可認(rèn)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(jù)空氣含濕量的變化計(jì)算出噴霧量[4]。

根據(jù)上述計(jì)算原理，依據(jù)公式（1）分別計(jì)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(jīng)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(jìn)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(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)噴霧后的空氣最終相對濕度為90%時(shí)，噴霧后的空氣干球溫度與空氣冷卻器的空氣設(shè)計(jì)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(jì)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(dāng)空氣飽和時(shí)，汽化降溫的過程即停止。噴入的霧滴完全汽化，根據(jù)噴霧前后空氣的溫度變化計(jì)算出噴霧量。

根據(jù)上述計(jì)算原理，依據(jù)公式（2）和（3）分別計(jì)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(jīng)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(zhì)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(dāng)噴霧后的空氣最終相對濕度為90%時(shí)，噴霧后的空氣干球溫度與空氣冷卻器的空氣設(shè)計(jì)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(jī)理不同。同一工況下，對噴霧量采取了不同的計(jì)算方法：對于空氣增濕降溫，根據(jù)空氣含濕量的變化計(jì)算噴霧量；對于霧滴汽化潛熱降溫，根據(jù)噴霧前后空氣的溫度變化計(jì)算噴霧量。由于在實(shí)際運(yùn)行過程中，這兩種情況同時(shí)存在，很難用數(shù)學(xué)模型或關(guān)系式對降溫過程進(jìn)行準(zhǔn)確的定量，上述計(jì)算結(jié)果作為實(shí)際運(yùn)行的一種參考和借鑒。

3.2 空氣冷卻器噴霧后對裝置產(chǎn)能的影響

根據(jù)原料氣的組分和進(jìn)氣條件，計(jì)算了對級間冷卻器和出口冷凝器噴霧后的裝置產(chǎn)能，并與噴霧前的產(chǎn)能進(jìn)行了比較，見表6。

表6 空氣冷卻器噴霧前后裝置產(chǎn)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(shè)計(jì)溫度，裝置產(chǎn)能大部分較低，最低只有65%；噴霧后，計(jì)算出的裝置產(chǎn)能絕大多數(shù)在90%以上。噴霧前的全年平均產(chǎn)能為93.4%，噴霧后的全年平均產(chǎn)能為101.3%，滿足裝置設(shè)計(jì)的100%產(chǎn)能目標(biāo)。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(chǎn)能，降低產(chǎn)品的單位能耗。

4 結(jié)語

采用空氣冷卻器進(jìn)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(jié)合PRICO 液化工藝，根據(jù)液化天然氣裝置實(shí)際的運(yùn)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(chǎn)能的影響，并提出了對空氣冷卻器進(jìn)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(chǎn)能的變化，驗(yàn)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(dǎo)參考意義。需要注意的是：在具體的實(shí)施過程中，噴霧的水量不會(huì)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(jì)算過程基于一些假定條件，與實(shí)際情況有些差距。