海水開架式氣化器的運(yùn)行與維護(hù)

郭勇男

中石油江蘇液化天然氣有限公司 江蘇 南通 226000

近年來，液化天然氣（LNG）作為一種綠色清潔能源，發(fā)展迅猛，我國先后建立了大量的沿海LNG接收站，其中海水開架式氣化器（ORV）是LNG接收站中負(fù)責(zé)氣化外輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備。ORV是一種以海水為熱媒氣化LNG的熱交換器，世界上首臺(tái)ORV安裝在英國的坎維島，在此之后，日本東京燃?xì)庠诤妥∮丫芄I(yè)株式會(huì)社的合作幫助下，開發(fā)出了性能更高的ORV。

目前，用于接收站的氣化器除ORV，還有浸沒燃燒式氣化器（SCV）、中間介質(zhì)氣化器（IFV）及環(huán)境空氣氣化器（AAF）[1]。而在這其中，使用最廣泛的便是ORV。其相比于SCV，ORV的換熱介質(zhì)海水更易獲取且節(jié)約能量，但是海水會(huì)隨著大氣溫度的變化而變化，所以在海水溫度較低時(shí)，ORV的換熱效率會(huì)大幅下降；相比于IFV，IFV的約束條件更多，流程更為復(fù)雜，投資和操作費(fèi)用更高；相比于AAF，AAF雖然不需要換熱介質(zhì)，但其氣化能力相對(duì)較弱且對(duì)大氣環(huán)境有更高的要求[2]。綜上原因，目前國內(nèi)LNG接收站大多數(shù)都選用了ORV進(jìn)行氣化。

1 ORV 的結(jié)構(gòu)和工作原理

ORV主要由海水供應(yīng)總管、海水分配支管、海水水槽、換熱管束板、LNG入口匯管、LNG分配管線、天然氣（NG）出口匯管、NG分配管線等組成。其核心結(jié)構(gòu)為管束板，是由一組內(nèi)部具有星形斷面，外部有翅片的鋁合金管組成，管內(nèi)有螺旋桿，以增加LNG流體的傳熱[3]。管內(nèi)為LNG，管外為噴淋的海水。為防止海水的腐蝕，外層噴涂防腐涂層。海水從海水總管進(jìn)入海水水槽，水槽海水入口處設(shè)有除泡器，可以將海水中的泡沫消除，在水槽內(nèi)部設(shè)有數(shù)塊擋水板，目的是為了防止海水噴濺[4]。海水從水槽中溢流出，沿著翅片表面自上而下流動(dòng)，之后流入海水溝排入大海。LNG經(jīng)過高壓泵加壓后，進(jìn)入LNG集管后經(jīng)每根管束自下向上流動(dòng)，流動(dòng)過程中與翅片外的海水進(jìn)行換熱，完成由LNG氣化為NG的過程后進(jìn)入NG出口管線，從而外輸至管網(wǎng)。

ORV一般采用鋁合金支架固定安裝，氣化器的基本單元是傳熱管，由若干傳熱管組成板狀排列，兩端與集氣管或集液管焊接形成一個(gè)管板，再由若干個(gè)管板組成氣化器。LNG從下部總管進(jìn)入，在管束板內(nèi)由下向上垂直流動(dòng)，海水將熱量傳遞給LNG，使其加熱并氣化；氣化器頂部有海水噴淋裝置，海水從管束板外自上而下噴淋，從上部進(jìn)入后經(jīng)分布器分配，成薄膜狀均勻沿管束下降，使管內(nèi)LNG受熱氣化[5]。

2 ORV 的運(yùn)行控制

ORV運(yùn)行時(shí)工藝流程如圖1所示。由高壓泵加壓后的LNG自LNG入口經(jīng)由入口切斷閥XV01進(jìn)入氣化器，由FCV01對(duì)其進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，與海水換熱氣化后，經(jīng)出口切斷閥XV02輸出至管網(wǎng)。FCV01在自動(dòng)模式下，開度受入口流量及NG出口溫度串級(jí)控制，當(dāng)NG出口溫度高于設(shè)定值時(shí)，F(xiàn)CV01開度由入口流量進(jìn)行控制，當(dāng)NG出口溫度過低，低于設(shè)定值時(shí)，F(xiàn)CV01開度由出口溫度進(jìn)行控制。LNG進(jìn)入氣化器后，與海水進(jìn)行換熱，海水由HCV02進(jìn)行控制，當(dāng)海水流量過低時(shí)，系統(tǒng)會(huì)聯(lián)鎖自動(dòng)關(guān)閉XV01，從而保護(hù)翅片避免凍傷。為了防止在特殊工況下對(duì)設(shè)備、人員、環(huán)境造成損害，ORV設(shè)有集散控制系統(tǒng)（DCS）連鎖和安全儀表系統(tǒng)（SIS）連鎖。其中DCS連鎖包括：（1）啟動(dòng)ORV前，F(xiàn)CV01未關(guān)閉禁止打開XV01；（2）ORV入口XV01打開情況下禁止關(guān)閉出口XV02。

圖1 ORV流程圖

3 ORV 的加壓預(yù)冷和啟動(dòng)

備用ORV啟動(dòng)前，需先投入海水，后對(duì)ORV及前后管線進(jìn)行加壓預(yù)冷，達(dá)成啟動(dòng)條件后方可啟動(dòng)。首先對(duì)ORV海水分配蝶閥、海水水槽塞子進(jìn)行檢查，確認(rèn)無誤可向ORV引入海水，海水投用后應(yīng)對(duì)海水分布情況進(jìn)行檢查，確認(rèn)海水供應(yīng)正常，海水分布均勻，海水水槽無異物，無堵塞，翅片無異物，水流流動(dòng)無異常。而后檢查現(xiàn)場儀表供電和閥門儀表風(fēng)均供應(yīng)正常，確認(rèn)現(xiàn)場管線及閥門無泄漏，檢查無誤，可對(duì)ORV進(jìn)行加壓預(yù)冷操作。操作步驟如下：（1）打開LNG入口XV01及NG出口XV02；（2）小開度打開MV02及MV05，將LNG引入氣化器系統(tǒng)，進(jìn)行ORV的加壓，當(dāng)系統(tǒng)壓力與外輸壓力一致時(shí)，表示沖壓完成；（3）調(diào)節(jié)MV02及MV05的開度，對(duì)ORV進(jìn)行冷卻，冷卻速率需控制在2～3℃/min，冷卻至-100℃時(shí)，需開啟MV01小開度對(duì)該閥門進(jìn)行冷卻，當(dāng)入口溫度降至-130℃，冷卻完成；（4）全開MV01，關(guān)閉MV02及MV05；（5）通過FCV01控制增加LNG流量，增加負(fù)荷速率需控制在每分鐘不超過ORV額定負(fù)荷的10%，此時(shí)ORV啟動(dòng)完成。

4 ORV 的停車

對(duì)ORV進(jìn)行停車時(shí)，操作步驟如下：（1）在手動(dòng)模式下緩慢關(guān)閉FCV01，同時(shí)需注意其他在運(yùn)ORV及上游流量及壓力是否穩(wěn)定；（2）關(guān)閉LNG入口XV01和MV01，在完全關(guān)閉XV01后，海水需繼續(xù)供應(yīng)15 min，使殘留在系統(tǒng)內(nèi)的LNG得到充分氣化，避免凍傷翅片，觀察ORV管束是否結(jié)冰；（3）15 min后，關(guān)閉海水入口HCV02，停止海水供應(yīng)；（4）ORV停車完成，處于備用狀態(tài)。

5 ORV 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

5.1 夏季運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

ORV在運(yùn)行過程中，因海水中存在大量的異物質(zhì)及海洋生物，在與LNG進(jìn)行換熱的過程中，可能會(huì)吸附附著在翅片上及水槽中，以江蘇LNG為例，歷年統(tǒng)計(jì)的異物質(zhì)以藤壺等甲殼類為主，殼體懸掛于星型翅片縫隙，影響水流分布[6]。吸附過多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致海水分布不均，無法對(duì)LNG進(jìn)行完全換熱，會(huì)導(dǎo)致翅片異常結(jié)冰，甚至可能凍壞翅片，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，所以當(dāng)發(fā)現(xiàn)在運(yùn)ORV出現(xiàn)水流異常時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止該ORV并對(duì)其異物質(zhì)進(jìn)行清理，防止翅片損傷，運(yùn)行ORV若無異物質(zhì)吸附，也需定期停止維護(hù)，對(duì)涂層進(jìn)行檢查修復(fù)。

夏季ORV運(yùn)行時(shí)，水槽中常常長出綠苔。綠苔多出現(xiàn)在陽光充足而且比較潮濕的地方，如果環(huán)境、溫度、濕度適宜，便會(huì)大量生長。而在切斷水源，干燥的環(huán)境下，青苔是難以生長的。因此，對(duì)于備用的ORV，可將水槽中的塞子拔出，將水槽中的水排掉，能夠有效避免水槽中的綠苔生長繁殖。

5.2 冬季運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

冬季ORV在運(yùn)行過程中，會(huì)因?yàn)橥饨鐪囟?、海水溫度及LNG冷能而導(dǎo)致翅片結(jié)冰，翅片的結(jié)冰也會(huì)影響ORV的氣化能力。以江蘇LNG為例，通過近年來ORV冬季運(yùn)行參數(shù)及海水溫度的關(guān)系，結(jié)果見圖2。

圖2 相同結(jié)冰高度下ORV負(fù)荷與海水溫度關(guān)系

圖2分析了控制平均結(jié)冰高度在0.5～1.0m時(shí)，ORV負(fù)荷和海水溫度之間的關(guān)系，根據(jù)圖中曲線可知，當(dāng)海水平均溫度達(dá)到極限溫度（即2.5℃）時(shí)，ORV負(fù)荷不宜過高，否則會(huì)導(dǎo)致結(jié)冰過高，不利于換熱且對(duì)ORV翅片有一定的損傷，當(dāng)負(fù)荷超過120t/h時(shí)，結(jié)冰已經(jīng)達(dá)到1m，嚴(yán)重影響ORV的氣化能力；若控制ORV結(jié)冰高度在1m以下的前提下，使ORV滿負(fù)荷運(yùn)行，則海水溫度需大于5℃。所以在冬季，ORV因海水溫度無法長時(shí)間維持滿負(fù)荷運(yùn)行，為保證接收站外輸及管網(wǎng)LNG供應(yīng)，常需與SCV進(jìn)行聯(lián)運(yùn)。

6 ORV 日常巡檢與定期維護(hù)

ORV在投用過程中，為保證其平穩(wěn)運(yùn)行，需操作員每日對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場巡檢及運(yùn)行參數(shù)檢查，且ORV不宜長時(shí)間連續(xù)投用，也需定期停機(jī)對(duì)其進(jìn)行檢查及維護(hù)。

6.1 ORV 的日常巡檢

操作員以每4h一次的頻率對(duì)ORV進(jìn)行現(xiàn)場巡檢，在冬季及低溫環(huán)境下，巡檢頻次變更為1h一次，現(xiàn)場巡檢內(nèi)容如下：（1）檢查管束有無異物質(zhì)，水流分布是否均勻，有無腐蝕，有無結(jié)冰，若存在結(jié)冰，需觀察結(jié)冰高度多高，是否均勻，若存在異常，需根據(jù)海水溫度及實(shí)際結(jié)冰情況適當(dāng)降低ORV負(fù)荷，防止凍壞翅片；（2）檢查水槽中是否存在異物質(zhì)，檢查擋水板是否牢固，海水是否能通過水槽正常溢流而無堵塞；（3）檢查海水排水溝排水正常，無堵塞，無異物；（4）需對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢查，檢查參數(shù)包含LNG流量、海水流量、LNG入口壓力、LNG出口壓力、海水入口壓力、NG出口溫度、海水入口溫度、海水出口溫度[7]。當(dāng)以上參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，首先應(yīng)判斷是否是儀表遠(yuǎn)傳顯示錯(cuò)誤，需與現(xiàn)場操作員配合驗(yàn)證，若確實(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，則需對(duì)設(shè)備進(jìn)行降低負(fù)荷或者停車處理；（5）檢查各法蘭連接處、閥門有無泄漏現(xiàn)場；（6）檢查管線是否存在變形，管托位置是否有位移，管線是否存在異常振動(dòng)。

6.2 ORV 的定期檢查及維護(hù)

定期檢查項(xiàng)目如下，如有需要，需進(jìn)行維修操作：（1）目視檢查管束板。ORV的管束板一般使用熱噴涂的鋅鋁合金涂層。使用清水對(duì)管束板進(jìn)行沖洗，檢查管束板表面的腐蝕情況。當(dāng)局部的金屬噴涂厚度低于70μm時(shí)，需要在下一年重新進(jìn)行金屬噴涂；（2）檢查管束板變形情況。正常的運(yùn)行工況下，最大的失真應(yīng)低于0.4cm。因?yàn)楹Ｋ亩氯麜?huì)引起管束板的曲率，所以定期檢查海水的堵塞情況可以有效防止管束板曲率的產(chǎn)生。當(dāng)曲率狀況嚴(yán)重的時(shí)候，需要進(jìn)行敲擊修正曲率；（3）檢查水槽堵塞情況。檢查水槽中是否存在泥沙、綠苔及海洋生物，如有需及時(shí)清理，若吸附嚴(yán)重，需檢查水槽腐蝕情況，若腐蝕嚴(yán)重，則需要重新噴涂涂層；（4）檢查制氯系統(tǒng)的加藥濃度，若海水中的微生物不足以被制氯系統(tǒng)的加藥殺死時(shí)，需要增大用藥的濃度，從而避免影響ORV的傳熱效率，導(dǎo)致翅片異常結(jié)冰及變形；（5）目視檢查頂部框架及海水分布情況。

7 結(jié)束語

目前，國內(nèi)LNG接收站大多數(shù)選用了ORV進(jìn)行LNG的氣化。ORV與海水換熱進(jìn)行氣化，節(jié)約能源且利于環(huán)保。ORV的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行操作及換熱原理比較簡單，但生產(chǎn)建造成本較高，且對(duì)冬季海水溫度有一定的要求。由高壓泵加壓的LNG在管束板內(nèi)自下而上流動(dòng)，由海水泵來的海水在管束板外自上而下流動(dòng)，LNG與海水換熱氣化為NG，輸出至NG總管。ORV由ORV出口溫度、海水流量及LNG入口流量共同控制其平穩(wěn)運(yùn)行。NG出口溫度過低、海水流量過低均會(huì)對(duì)ORV進(jìn)行保護(hù)，導(dǎo)致ORV聯(lián)鎖停車。ORV的平穩(wěn)運(yùn)行需要日常巡檢及定期檢查，通過對(duì)管束、翅片、水槽腐蝕情況及海水分布的檢查，對(duì)運(yùn)行參數(shù)的持續(xù)監(jiān)控，對(duì)發(fā)現(xiàn)問題的及時(shí)維修，都可以使ORV運(yùn)行更加穩(wěn)定。