LNG氣化站氣化方案的選型配置分析

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司 馬家軍

LNG氣化站通常被稱為LNG衛(wèi)星站，用以接收、儲(chǔ)存并氣化從上游采購來的LNG為當(dāng)?shù)毓狻NG氣化站具有建設(shè)周期短、迅速滿足市場需求的優(yōu)勢，我國東南沿海眾多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、能源緊缺的中小城市已建成 LNG氣化站，實(shí)現(xiàn)長期供氣或管輸天然氣到達(dá)前的過渡供氣。

1 LNG氣化站工藝流程

1.1 工藝流程

LNG氣化站工藝可分為卸車、儲(chǔ)存增壓、氣化加熱、蒸發(fā)氣 BOG處理、調(diào)壓計(jì)量、安全泄放等工藝。工藝流程如圖 1所示。LNG由槽車運(yùn)送至LNG氣化站內(nèi)，通過卸車柱由卸車增壓器加壓將液體注入LNG儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存。氣化時(shí)LNG通過儲(chǔ)罐增壓器升壓，自流進(jìn)入 LNG氣化器，成為氣態(tài)天然氣(當(dāng)天然氣溫度過低時(shí)需經(jīng)復(fù)熱器補(bǔ)熱)，最后經(jīng)調(diào)壓計(jì)量后由中壓管道接出，進(jìn)入下游中壓管網(wǎng)，供給用戶。卸車時(shí)和儲(chǔ)罐中產(chǎn)生的BOG經(jīng)BOG加熱器加熱，調(diào)壓計(jì)量后送至中壓管網(wǎng)或自用。低溫儲(chǔ)罐、設(shè)備、管道(安全閥)放散的氣體經(jīng)EAG加熱器，再由放散管放空。常溫天然氣直接通過放散管放空。

圖1 LNG氣化站工藝流程

LNG氣化站主要設(shè)備包括：LNG儲(chǔ)罐、LNG氣化器、復(fù)熱器、卸車/儲(chǔ)罐增壓器、BOG/EAG加熱器、調(diào)壓計(jì)量加臭撬等。

1.2 氣化加熱工藝

氣化加熱工藝主要通過 LNG氣化器及復(fù)熱器來實(shí)現(xiàn)。LNG氣化器是指以熱流媒體為傳熱介質(zhì)，與 LNG進(jìn)行間接熱交換，將天然氣由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的氣化加熱設(shè)備。復(fù)熱器又稱再熱器，以熱流媒體為傳熱介質(zhì)，與低溫氣態(tài)天然氣進(jìn)行間接熱交換，將低溫天然氣升溫至常溫天然氣的加熱設(shè)備。

儲(chǔ)罐內(nèi)的 LNG通過加壓后輸送至氣化器內(nèi)，氣化器利用環(huán)境(空氣)的熱量將－162℃的LNG轉(zhuǎn)換為天然氣，并升溫至低于環(huán)境溫度10 K左右，然后進(jìn)入調(diào)壓計(jì)量單元。常用氣化器有空溫環(huán)境式和加熱式兩種，為節(jié)省運(yùn)行成本，LNG氣化站普遍以空溫環(huán)境式氣化器為主，因此受環(huán)境溫度影響較大，尤其在冬季室外低溫條件下，氣化器出口天然氣溫度可能達(dá)不到外輸溫度要求(一般要求在 5℃以上)。此時(shí)，需在氣化器之后串聯(lián)復(fù)熱器進(jìn)行補(bǔ)熱，保證進(jìn)入調(diào)壓計(jì)量單元的天然氣溫度達(dá)到外輸溫度要求。為保證換熱效率及便于控制，LNG氣化站普遍采用水浴式氣化器作為復(fù)熱器，即水浴式復(fù)熱器。

當(dāng) LNG氣化站不采用空溫式氣化器而采用水浴式氣化器作為氣化加熱設(shè)備時(shí)，可將－162℃的LNG直接氣化并加熱至設(shè)定的外輸溫度，后進(jìn)入調(diào)壓計(jì)量單元，無需設(shè)置復(fù)熱器。

2 氣化加熱設(shè)備

選擇恰當(dāng)?shù)臍饣桨?、合理配置氣化加熱設(shè)備將直接關(guān)系到 LNG氣化站的投資成本及其安全運(yùn)行。LNG氣化器有空溫式氣化器和加熱式氣化器兩大類。

2.1 空溫式氣化器

空溫式氣化器，也稱為空溫環(huán)境式氣化器，是利用環(huán)境(空氣)的熱量將LNG轉(zhuǎn)換為天然氣?？諟厥綒饣饔烧舭l(fā)部和加熱部構(gòu)成，如圖2所示。蒸發(fā)部由端板管連接并排的導(dǎo)熱管構(gòu)成；加熱部由彎管接頭串成一體的導(dǎo)熱管組成。液態(tài)天然氣先在蒸發(fā)部內(nèi)完成相變，轉(zhuǎn)化為氣態(tài)天然氣，隨后在加熱部內(nèi)利用環(huán)境(空氣)溫度繼續(xù)加熱，升溫至低于環(huán)境溫度5～10 K。

圖2 空溫式氣化器

空溫式氣化器具有氣化量大、運(yùn)行成本低、啟動(dòng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，但是需大量的空氣作為熱媒，存在占地面積較大、投資成本較高、環(huán)境溫度較低時(shí)需輔助加熱等缺點(diǎn)。

2.2 加熱式氣化器

加熱式氣化器按加熱介質(zhì)的不同，分為水浴式和蒸汽式兩種。由于水浴式較蒸汽式加熱更為均勻，目前普遍采用水浴加熱式氣化器，即水浴式氣化器。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 水浴式氣化器

水浴式氣化器與熱源之間敷設(shè)熱媒管道。熱媒采用熱水，導(dǎo)熱管中的 LNG或低溫天然氣經(jīng)過與熱水進(jìn)行換熱，成為常溫天然氣，熱水可循環(huán)利用。

水浴式氣化器結(jié)構(gòu)緊湊，一次投資成本較低，但運(yùn)行成本較高。

3 氣化方案選型配置實(shí)例

3.1 規(guī)模及概況

以安徽某地某大型工業(yè)用戶應(yīng)急儲(chǔ)備站的一個(gè)LNG氣化站項(xiàng)目為例。該企業(yè)由于生產(chǎn)工藝特殊不能中斷供氣，因此平時(shí)通過管道氣源供氣，當(dāng)遇突發(fā)事故導(dǎo)致原氣源中斷供氣后，需迅速啟動(dòng)本站為其供氣，并需保證連續(xù)14 h供氣。按其用氣負(fù)荷計(jì)算，氣化站規(guī)模為40 000 m3/h。

3.2 氣化方案的選型配置

氣化方案的選型配置，應(yīng)綜合考慮工藝需要、工程投資、占地面積、安全運(yùn)行、節(jié)能環(huán)保等各方面因素，而設(shè)備選型應(yīng)根據(jù)氣化規(guī)模和氣化器的氣化能力來確定。主要有以下3種方案可供選用。

(1) 水浴式氣化器進(jìn)行 LNG強(qiáng)制氣化。考慮50%的安全備用系數(shù)，故選用3臺20 000 m3/h的水浴式氣化器(2用1備)。由于強(qiáng)制氣化所需熱負(fù)荷較大，經(jīng)計(jì)算約為7.4 MW，相對應(yīng)配置3臺4.2 MW燃?xì)鉄崴仩t(2用1備)。

(2) 空溫式氣化器常規(guī)方案(兩組切換工作)?？諟厥綒饣鞯臍饣芰Ω鶕?jù)小時(shí)高峰供氣能力選取。實(shí)際運(yùn)行中氣化器換熱面會(huì)結(jié)霜結(jié)冰而影響換熱效果，需要定期除霜。因此設(shè)計(jì)時(shí)需考慮采用兩組進(jìn)行切換，一組工作，一組除霜，切換周期為4～8 h。空溫式氣化器單臺標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格一般不大于5 000m3/h，按氣化能力40 000 m3/h，需選用16臺5 000 m3/h空溫式氣化器(8臺一組，相互切換)。

空溫式氣化器受環(huán)境溫度影響比較大，如果冬季環(huán)境溫度較低(參照歷史氣象資料，當(dāng)?shù)囟緲O端溫度為－13℃)，還需在空溫式氣化器后串聯(lián) 1臺40 000m3/h水浴式復(fù)熱器輔助加熱。經(jīng)綜合考慮氣化器切換除霜問題后計(jì)算，水浴復(fù)熱所需熱負(fù)荷約為0.5 MW，需對應(yīng)配置1臺0.7 MW燃?xì)鉄崴仩t。

(3) 空溫式氣化器非常規(guī)方案(不設(shè)切換)。因該站屬于應(yīng)急儲(chǔ)備站，無需常年運(yùn)行，故為節(jié)省投資和用地，考慮采用空溫式氣化器且不設(shè)切換功能。當(dāng)空溫式氣化器因連續(xù)運(yùn)行造成氣化效率下降時(shí)，可以啟動(dòng)水浴式復(fù)熱器來進(jìn)行后續(xù)的加熱工藝。由于鍋爐啟動(dòng)到循環(huán)水加熱到額定工況需要一定的時(shí)間，所以當(dāng)空溫式氣化器工作時(shí)可提前啟動(dòng)鍋爐進(jìn)行循環(huán)水加熱以達(dá)到額定工況。當(dāng)空溫式氣化器出口氣體溫度低于 0℃時(shí)，啟動(dòng)水浴式復(fù)熱器來進(jìn)行補(bǔ)熱，將天然氣溫度加熱到 5℃以上。因當(dāng)?shù)囟緲O端溫度為－13℃，按最不利情況進(jìn)行計(jì)算，連續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行14 h后，空溫式氣化器出口氣體溫度達(dá)到－53℃，加熱到 5℃以上所需熱負(fù)荷約為1.0 MW，故相應(yīng)配置1臺1.4 MW燃?xì)鉄崴仩t。

作為應(yīng)急儲(chǔ)備站核心設(shè)備，主氣化器考慮50%的安全備用系數(shù)，宜配置12臺5 000m3/h的空溫式氣化器(8用4備)和1臺40 000 m3/h水浴式復(fù)熱器。

3.3 方案比較

3種氣化方案選型配置以及比較見表1。

表1 氣化方案選型配置比較

由表1可見，方案1設(shè)備一次投資低、占地面積小，但能耗大、運(yùn)行成本高，且鍋爐啟動(dòng)到循環(huán)水加熱到額定工況需要一定的啟動(dòng)時(shí)間(約30 min，如加熱過程中同時(shí)進(jìn)行氣化換熱，此時(shí)間會(huì)相應(yīng)延長)。

方案2運(yùn)行成本最低、啟動(dòng)迅速快，但設(shè)備一次投資成本及占地面積最大。

方案3相對方案2，投資成本降幅約21%，占地面積減小；相對方案 1，水浴式復(fù)熱器所需熱負(fù)荷大幅減小，鍋爐設(shè)備投資及運(yùn)行成本降低，節(jié)能約83%，且啟動(dòng)迅速。

由于該 LNG站是作為工業(yè)用戶應(yīng)急備用氣源使用，使用頻次低(約1次/a)，故在啟動(dòng)時(shí)間能夠接受的條件下，方案1具有一定的優(yōu)勢。但根據(jù)該企業(yè)生產(chǎn)工藝實(shí)際情況，綜合考慮投資成本及功能要求，采用方案3，即12臺5 000 m3/h空溫式氣化器(8用4備)串聯(lián)1臺40 000 m3/h水浴式復(fù)熱器方案。

4 結(jié)語

不同功能定位的氣化站，可以選擇不同的氣化配置方案和氣化加熱設(shè)備，選擇時(shí)可通過多個(gè)方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分析，從優(yōu)擇取。常年運(yùn)行且氣化規(guī)模較大的 LNG氣化站，建議采取常規(guī)的空溫式氣化器串聯(lián)水浴式復(fù)熱器的方式(是否串聯(lián)復(fù)熱器根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境氣候條件決定)；臨時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行的 LNG應(yīng)急站，建議根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)比較后，確定氣化配置方案。