尹全森 劉淼兒 李恩道 邰曉亮 張樹勛

(中海石油氣電集團有限責(zé)任公司 北京 100028)

丙烷預(yù)冷系統(tǒng)對FLNG晃動條件的適應(yīng)性實驗研究*

尹全森 劉淼兒 李恩道 邰曉亮 張樹勛

(中海石油氣電集團有限責(zé)任公司 北京 100028)

尹全森,劉淼兒,李恩道，等.丙烷預(yù)冷系統(tǒng)對FLNG晃動條件的適應(yīng)性實驗研究[J].中國海上油氣，2017,29(4)：164-168.

YIN Quansen,LIU Miaoer,LI Endao,et al.Experimental study on the applicability of propane pre-cooling systems to FLNG shaking conditions[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(4):164-168.

通過建立一套帶有液位擾動系統(tǒng)的丙烷預(yù)冷液化天然氣實驗裝置，研究丙烷預(yù)冷系統(tǒng)對浮式液化天然氣裝置(FLNG)晃動條件的適用性。實驗中通過對丙烷分離器不同液位進行液位擾動來模擬晃動條件，分析丙烷預(yù)冷系統(tǒng)換熱器在晃動條件下的溫度特性。結(jié)果表明：丙烷分離器液位較低時，液位擾動對換熱器的溫度影響較大；隨著液位的升高，液位擾動對換熱器的溫度影響不斷減?。划?dāng)液位達(dá)到一定高度后，液位擾動對換熱器溫度影響很小。丙烷預(yù)冷系統(tǒng)適用于FLNG,但在FLNG上使用須提高丙烷分離器的液位高度或分離器的位置，以降低晃動時液位波動對換熱器的影響，因此，在設(shè)計時須加強安全設(shè)計和危險評估。

FLNG；晃蕩條件；丙烷預(yù)冷系統(tǒng)；適應(yīng)性；實驗裝置；液位擾動；換熱器；溫度

浮式液化天然氣(FLNG)技術(shù)是解決深海天然氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，但海上建設(shè)FLNG裝置面臨較大技術(shù)挑戰(zhàn)[1-3]，我國在FLNG技術(shù)研發(fā)和設(shè)計方面已開展較多研究但仍未進入產(chǎn)品實質(zhì)建設(shè)階段[4-7]。FLNG技術(shù)方案中涉及的丙烷預(yù)冷天然氣液化技術(shù)具有制冷效率高、能耗較低，處理規(guī)模較大的特點[8-11]，但是由于丙烷預(yù)冷系統(tǒng)存儲的丙烷量較多，且工藝中需要進行多次氣液分離，而氣液分離受晃動影響較大[12]，氣液分離器液位發(fā)生波動易引起丙烷預(yù)冷系統(tǒng)中的氣液分配不均，進而導(dǎo)致?lián)Q熱惡化。對于采用板翅換熱器的丙烷預(yù)冷系統(tǒng)，丙烷進入換熱器采用熱虹吸的方式，液位產(chǎn)生的壓差和板翅換熱器內(nèi)的丙烷蒸發(fā)界面直接決定了丙烷進入換熱器的流速；當(dāng)丙烷液位較低或丙烷節(jié)流分離器的位置較低時，液位產(chǎn)生的壓差較小，此時板翅換熱器內(nèi)的丙烷蒸發(fā)界面不穩(wěn)定，在晃動情況下?lián)Q熱器的上部處于頻繁地升溫和降溫過程，引起換熱器熱應(yīng)力疲勞，導(dǎo)致其使用壽命降低。為了研究丙烷預(yù)冷系統(tǒng)受晃動影響的程度是否適合用于FLNG，本文建立了一套丙烷預(yù)冷的雙氮氣膨脹液化裝置，并通過液位擾動來模擬晃動條件[13]，分析了不同液位擾動對丙烷預(yù)冷系統(tǒng)換熱器溫度的影響，以期對FLNG技術(shù)的研發(fā)提供參考。

1 實驗流程及裝置

丙烷制冷系統(tǒng)的液位擾動實驗流程如圖1所示。丙烷氣體經(jīng)過2級壓縮和冷卻后變成高壓液體丙烷，液體丙烷經(jīng)過緩沖罐V-04后分為2股：1股經(jīng)過節(jié)流閥后進入1級丙烷分離器V-01；另1股進入丙烷擾動儲存罐V-03中，實驗過程中將V-03中的液體快速添加到V-01中，對V-01的液位產(chǎn)生擾動。V-01的液體又分為2股：1股進入換熱器E-03中，為換熱器的上部提供冷量；另1股經(jīng)過節(jié)流閥進入V-02中，V-02的氣相返回壓縮機的2級入口，實驗過程中通過改變V-01至V-02的閥門開度可同時改變V-01和V-02的液位。V-02的液體進入換熱器E-03中，為換熱器下部提供冷量，V-02的氣相返回壓縮機的1級入口。換熱器E-03的熱源為天然氣，實驗過程中保持天然氣的壓力、溫度和流量不變，對丙烷液位分離器V-01和V-02進行液位擾動，監(jiān)測換熱器各截面的溫度和天然氣出換熱器E-03的溫度變化，分析擾動對丙烷預(yù)冷系統(tǒng)的影響。

圖1 丙烷預(yù)冷系統(tǒng)液位擾動實驗流程圖Fig .1 Level perturbed process diagram of propane pre-cooling experimental apparatus

具體實驗裝置如圖2所示，圖中右側(cè)為丙烷壓縮系統(tǒng)(包括丙烷壓縮機和空氣冷卻器)；左側(cè)為冷箱，丙烷分離器V-01、V-02、V-03和換熱器E-03都在冷箱內(nèi)部，V-03布置在最上部，冷箱采用珠光砂隔熱。

圖2 丙烷預(yù)冷系統(tǒng)液位擾動實驗裝置Fig .2 Level perturbed experimental apparatus of propane pre-cooling

2 實驗過程及結(jié)果分析

2.1 低液位下丙烷液位擾動實驗

丙烷分離器的高度為1 500 mm，正常運行時液位控制在600 mm左右。丙烷液位低，液位形成的壓力小，丙烷進入換熱流量小。開展低液位下丙烷液位擾動實驗，測試低液位運行工況下丙烷預(yù)冷系統(tǒng)受液位擾動的影響。在液位擾動過程中，丙烷分離器V-01初始液位是400 mm，通過V-03向V-01中快速添加丙烷，引起V-01液位波動，如圖3所示，V-01中液位波動增加，液位達(dá)到高點時V-03中液體已全進入V-01中，此時關(guān)閉V-04進入V-01的閥門，V-01中的液位逐漸降低。

圖3 初始液位為400 mm時V-01液位擾動 對換熱器溫度的影響Fig .3 Effect of V-01 level perturbed on exchanger temperature when initial level is 400 mm

實驗過程中，換熱器上部至下部截面的監(jiān)測溫度見圖3中的T1至T5曲線。液位擾動前，T1和T2的溫度基本相同，接近天然氣進入換熱器前的溫度，板翅換熱器的上半部基本沒有換熱。液位擾動開始后，由于換熱器本身質(zhì)量較大，換熱器的溫度變化相對于液位變化有一定延遲。受液位擾動的影響，T1、T2和T3溫度降至3 ℃左右，此時換熱器的上半部充滿丙烷，上半部換熱器基本冷卻到丙烷的蒸發(fā)溫度。隨著丙烷液位V-01下降，溫度T1開始出現(xiàn)波動，主要是丙烷液位下降后進入換熱器內(nèi)的丙烷流量波動，換熱器中上部冷卻而造成溫度T1和T2出現(xiàn)波動。隨著丙烷液位繼續(xù)下降，T1、T2和T3溫度升高，并接近天然氣進入冷箱的溫度，此時換熱器上半部的換熱量較小，換熱器的溫度梯度達(dá)到初始擾動的狀態(tài)。實驗過程中溫度T5始終處于較穩(wěn)定狀態(tài)，這主要是由于換熱器的換熱面積較大，在換熱器上部換熱量較小的情況下，換熱器下部也能將天然氣溫度冷卻到設(shè)計溫度。但是，對于大型FLNG裝置來說，換熱面積不可能做到無限大，因此，當(dāng)丙烷液位出現(xiàn)波動時，不僅影響換熱器上部的溫度，也會對冷卻溫度有一定影響，進而影響整個液化工藝的平穩(wěn)運行。 從丙烷液位擾動中換熱器的溫度變化與丙烷的液位關(guān)系可以看到，當(dāng)丙烷初始液位較低時，液位擾動增加后換熱器的熱端溫度波動較大，對換熱器的整體換熱影響較大，如果FLNG中的丙烷系統(tǒng)在這種工況下運行，換熱器頻繁處于升溫降溫過程，熱應(yīng)力引起應(yīng)力疲勞將降低換熱器的可靠性，縮短換熱器的使用壽命。因此，在FLNG上采用丙烷預(yù)冷系統(tǒng)時應(yīng)設(shè)法提高丙烷分離器的液位。

2.2 高液位下丙烷液位擾動實驗

丙烷液位高，液位形成的壓力大，丙烷進入換熱流量大。開展高液位下丙烷液位擾動實驗，測試高液位運行工況對丙烷預(yù)冷系統(tǒng)液位擾動的影響。調(diào)整丙烷分離器V-01的初始液位，監(jiān)測丙烷初始液位提高后擾動對換熱器溫度的影響。V-01的初始液位設(shè)置為1 100 mm，待換熱器運行平穩(wěn)后通過V-03向V-01中快速添加丙烷，引起液位波動，如圖4所示，液位先波動增加，然后波動降低。

從圖4可以看出，擾動開始前，換熱器中T1、T2和T3的溫度相差很小，接近V-01壓力下的丙烷蒸發(fā)溫度，T4和T5的溫度也相差很小，接近V-02壓力下的丙烷蒸發(fā)溫度。擾動開始后，換熱器的溫度變化較小，液位波動增加或降低也不能使T1和T2的溫度下降。這主要是由于丙烷液位較高時，液位產(chǎn)生的壓差較大，丙烷進入換熱器的流量大，使得丙烷換熱器的冷量過剩，換熱器處于過冷狀態(tài)，此時液位波動雖然對進入換熱器的丙烷流量產(chǎn)生影響，但對換熱器溫度產(chǎn)生的影響較小?？梢?，丙烷液位較高時液位波動對丙烷預(yù)冷系統(tǒng)的影響較小。

圖4 初始液位為1 100 mm時V-01液位擾動 對換熱器溫度的影響Fig .4 Effect of V-01 level perturbed on exchanger temperature when initial level is 1 100 mm

2.3 氣液分離器液位同時擾動實驗

實驗過程中，通過調(diào)整V-01至V-02的調(diào)節(jié)閥開度來改變V-01和V-02的液位，監(jiān)測V-01和V-02的液位同時變化時換熱器的溫度變化。增大調(diào)節(jié)閥的開度后，V-01的液位降低，V-02的液位升高，如圖5所示。

圖5 V-01和V-02同時進行液位擾動對換熱器溫度的影響Fig .5 Effect of exchanger temperature when the propane levels of V-01 and V-02 are perturbed at the same time

在丙烷液位擾動前，換熱器中的溫度分布是：T1在30 ℃左右，T2和T3接近V-01壓力下丙烷的蒸發(fā)溫度，T4和T5接近V-02壓力下丙烷的蒸發(fā)溫度。隨著丙烷液位的擾動開始，T1溫度出現(xiàn)一定的波動，溫度先下降后升高，T2和T3基本保持不變；隨著V-01的液位繼續(xù)波動下降，T2緩慢升高；T4在每次擾動時均有短時間的升溫，隨后再降低，在V-02液位波動增加的過程中T4的溫度緩慢下降，逐漸接近T5。這主要是由于每次擾動時，V-02的液位出現(xiàn)峰值，在液位下降過程中短時間內(nèi)進入換熱器下半部的丙烷流量下降，導(dǎo)致?lián)Q熱器出現(xiàn)短時間的復(fù)溫，總體隨著V-02的液位增加，丙烷換熱器的下半部溫度接近V-02壓力下的丙烷蒸發(fā)溫度?？梢姡榉蛛x器中丙烷總量不變即V-01和V-02內(nèi)的丙烷總量不變時，丙烷的液位波動對換熱器的換熱溫度影響較小。

3 結(jié)論

1) 丙烷預(yù)冷系統(tǒng)應(yīng)用于FLNG裝置時，晃動條件對丙烷氣液分離有一定的影響。

2) 丙烷分離器的液位較低時，丙烷換熱器受晃動影響較大；在液位較高時，受晃動影響較小。

3) 提高丙烷分離器的布置位置或丙烷分離器液位可以增強丙烷預(yù)冷系統(tǒng)在FLNG上的適應(yīng)性，但這需要增加FLNG裝置上的丙烷存儲量，因此在設(shè)計時必須加強安全設(shè)計和危險評估。

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(編輯：呂歡歡)

Experimental study on the applicability of propane pre-cooling systems to FLNG shaking conditions

YIN Quansen LIU Miaoer LI Endao TAI Xiaoliang ZHANG Shuxun

(CNOOCGasandPowerGroup,Beijing100028,China)

A set of experimental apparatus for propane pre-cooling process analysis was constructed, which was equipped with a liquid level disturbing mechanism, to simulate the FLNG shaking conditions.In the experiment the liquid levels in the propane separator were disturbed to simulate float shaking conditions, in order to analyze the heat exchanger’s temperature characteristics under the shaking conditions.Experiments results showed that the liquid level disturbance would greatly impact the heat exchanger temperature when the level was very low.But the higher the level, the less the impact.When the level reached certain height, there would be little effect.Propane pre-cooling systems are applicable on FLNG, but the liquid level or the position of separator used in FLNG has to be raised in order to reduce the impact on the heat exchanger during shaking.So the safety issue and risk assessment should be seriously considered in the design process.

FLNG; shaking condition; propane pre-cooling system; applicability; experimental apparatus; level disturbance; heat exchanger; temperature

尹全森，男，工程師，2010年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué),獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事天然氣液化及凈化技術(shù)研發(fā)和工程化推廣的工作。地址：北京市朝陽區(qū)太陽宮南街6號院C座(郵編：100028)。E-mail：yinqs@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)04-0164-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.022

TE646

A

2016-05-31 改回日期：2017-03-27

*“十二五”國家科技重大專項“大型FLNG/FLPG、FDPSO關(guān)鍵技術(shù)(編號：2011ZX05026-006)”部分研究成果。