許燕 馬敏吉 朱明 紀(jì)明磊

1.無錫厚德石化工程設(shè)計有限公司 2.中國石油管道局工程有限公司 3.中國寰球工程有限公司

LNG接收站主要功能是接卸、儲存、低壓輸送、蒸發(fā)氣(BOG)回收處理、加壓氣化、外輸及槽車外運等，生產(chǎn)過程全部為物理過程。氣化器是實現(xiàn)LNG接收站外輸功能的重要設(shè)備。目前LNG接收站中通常采用的氣化器型式有開架式氣化器(open rack vaporizer, ORV)、浸沒燃燒式氣化器(submerged combustion vaporizer, SCV)、中間介質(zhì)氣化器(intermediate fluid vaporizer, IFV)[1-5]，其中ORV是以海水作為熱源，海水自氣化器頂部的溢流裝置依靠重力自上而下均覆在氣化器管束的外表面上，液化天然氣沿管束內(nèi)自下而上被海水加熱氣化的設(shè)備。

在實際工程項目中，ORV的操作性能隨著LNG流量、海水溫度、海水流量、天然氣管網(wǎng)壓力等因素的變化而變化。因此，在設(shè)計階段有必要對LNG接收站ORV的實際運行工況進(jìn)行研究，并從工藝角度預(yù)測ORV在不同操作工況下工藝參數(shù)的變化趨勢，進(jìn)一步優(yōu)化工藝設(shè)計，并為操作人員提供指導(dǎo)。本文以處理能力為200 t/h的ORV為例，借助動態(tài)模擬計算軟件，研究分析各種工藝參數(shù)隨海水溫度、LNG流量、操作壓力的變化趨勢，并尋求一定的變化規(guī)律，以指導(dǎo)設(shè)計人員和操作人員的應(yīng)用實踐。

動態(tài)模擬模塊可用于模擬分析并指導(dǎo)原油生產(chǎn)、儲運系統(tǒng)的運行，其中郭洲[6]利用HYSYS軟件對油氣田處理工藝系統(tǒng)的開停工過程進(jìn)行動態(tài)研究分析，以期通過開停工方案的研究，能對現(xiàn)場的實際生產(chǎn)起到有效的指導(dǎo)作用；陳文峰[7]模擬出了三相分離器壓力安全閥在火災(zāi)工況下的泄放過程，得出了火災(zāi)工況下設(shè)備的最大泄放量及對應(yīng)的物性參數(shù)，為復(fù)雜混合物壓力容器安全閥的計算及選型提供了有益的參考；馮傳令[8]利用動態(tài)HYSYS對原油容器的火災(zāi)工況的泄放過程進(jìn)行了模擬，模擬出火災(zāi)工況下最大的泄放量，解決了安全閥的計算及選型困難，有效地保證了系統(tǒng)的安全；高曉新[9]利用動態(tài)模擬軟件對丙烷、異丁烷分離進(jìn)行了動態(tài)模擬，考察了進(jìn)料組成變化對精餾塔塔內(nèi)溫度、再沸器、塔頂組成以及塔釜組成的影響，模擬結(jié)果對實際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。因此，動態(tài)模擬可反映實際生產(chǎn)中流量、溫度、壓力、產(chǎn)品組成等隨時間及相關(guān)干擾因素的響應(yīng)變化過程，指導(dǎo)石油化工生產(chǎn)裝置的正常操作和穩(wěn)定運行，已被國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和工程公司大量應(yīng)用[9-15]。

1 開架式氣化器運行工況分析

來自再冷凝器的LNG經(jīng)高壓輸送泵增壓后進(jìn)入氣化器入口總匯管，經(jīng)單臺ORV入口的流量控制閥(VLV-100)降壓后進(jìn)入ORV，同熱源介質(zhì)海水進(jìn)行換熱，LNG吸收海水熱量后變?yōu)樘烊粴膺M(jìn)入天然氣外輸管網(wǎng)，降溫后的海水經(jīng)海水渠排入大海。

本文采用HYSYS穩(wěn)態(tài)模擬軟件建立ORV物流平衡的計算模型，并基于此模型建立ORV運行的動態(tài)計算模型，如圖1所示。應(yīng)用該動態(tài)模型分別對ORV運行過程中LNG流量、天然氣管網(wǎng)壓力、海水溫度3種擾動因素下的運行工況進(jìn)行研究。動態(tài)模型主要設(shè)置的PID控制器有進(jìn)料流量控制器、海水流量控制器、傳遞函數(shù)，其中進(jìn)料流量控制器為反饋控制，海水流量控制器為遠(yuǎn)程手動控制，如圖1所示。

本示例項目ORV的進(jìn)出口參數(shù)及LNG組成見表1和表2所示。

表1 LNG組分Table 1 LNG composition組成摩爾分?jǐn)?shù)組成摩爾分?jǐn)?shù)甲烷0.877 4異丁烷0.005 3乙烷0.078 1正戊烷0.000 3丙烷0.028 3異戊烷0.000 8正丁烷0.006 2氮氣0.003 6

1.1 LNG負(fù)荷擾動下動態(tài)模擬

國內(nèi)大部分LNG接收站均承擔(dān)調(diào)峰功能，尤其在夏季環(huán)境溫度較高季節(jié)，ORV負(fù)荷隨著天然氣外輸管網(wǎng)壓力和海水入口溫度變化而頻繁的波動。一旦ORV運行后，海水流量通常會維持設(shè)計流量運行，不受LNG流量變化的影響。以海水流量、海水溫度和天然氣管網(wǎng)壓力不變時ORV負(fù)荷在35%～110%波動為例，研究天然氣出口溫度、海水出口溫度、海水進(jìn)出口溫差、ORV換熱量、換熱器平均溫差等主要操作參數(shù)的動態(tài)響應(yīng)趨勢。

表2 ORV工藝操作參數(shù)Table 2 Process operation parameter of ORV工藝參數(shù)LNG流量/(t·h-1)LNG來料溫度/℃NG溫度/℃海水流量/(m3·h-1)天然氣管網(wǎng)壓力(表壓)/kPa海水來料溫度/℃換熱器總傳熱系數(shù)/(MJ·(℃·h)-1)數(shù)值200-155≥16000～90007000～91005.5～303643

從圖2、圖3可以看出，在海水流量7500 m3/h、海水進(jìn)口溫度20 ℃、天然氣管網(wǎng)壓力(表壓)9380 kPa時，LNG流量在90 min內(nèi)從70 t/h逐步增大到220 t/h的過程中，ORV冷側(cè)和熱側(cè)流體傳熱負(fù)荷明顯增大。在ORV傳熱面積固定情況下，ORV的對數(shù)平均溫差明顯增大，從21.8 ℃逐步增大至50 ℃。相應(yīng)的海水出口溫度從18.8 ℃逐步降低至15.1 ℃，ORV出口天然氣溫度從19.4 ℃逐步降低至11.5 ℃，海水進(jìn)出口溫差從1.1 ℃逐步增大至4.8 ℃，該數(shù)值已接近規(guī)范規(guī)定的要求(5 ℃)[16]。因此，在上述海水流量和溫度條件下雖然天然氣出口溫度遠(yuǎn)高于最低允許溫度1 ℃，但ORV不應(yīng)再增大負(fù)荷，否則容易使海水溫降過大，對海洋生態(tài)環(huán)境造成危害。隨著LNG負(fù)荷增加，ORV換熱量和換熱器平均溫差逐步增大，天然氣出口溫度和海水出口溫度降低，海水進(jìn)出口溫差增大。

1.2 天然氣管網(wǎng)壓力擾動下動態(tài)模擬

通常LNG接收站外輸管網(wǎng)容積較大，管網(wǎng)壓力波動速率相對較小。本文以海水流量、海水溫度和LNG流量不變時天然氣管網(wǎng)壓力(表壓)在7000～9100 kPa范圍波動為例，研究天然氣出口溫度、海水出口溫度、海水進(jìn)出口溫差、ORV換熱量、換熱器平均溫差等主要操作參數(shù)的動態(tài)響應(yīng)趨勢。

從圖4、圖5可以看出，在海水流量7500 m3/h、海水進(jìn)口溫度20 ℃、LNG流量200 t/h時，天然氣管網(wǎng)壓力在1200 min內(nèi)緩慢地由7000 kPa逐步提高至9100 kPa過程中，ORV冷側(cè)和熱側(cè)流體傳熱負(fù)荷明顯降低，從1.45×108kJ/h逐步降低至1.40×108kJ/h。在ORV傳熱面積固定情況下，ORV的對數(shù)平均溫差從48.2 ℃逐步降至46.4 ℃。相應(yīng)的海水出口溫度從15.3 ℃逐步增至15.5 ℃，ORV出口天然氣溫度從12.4 ℃逐步增至13.3 ℃，海水進(jìn)出口溫差從4.66 ℃逐步降至4.48 ℃。因此，隨著天然氣管網(wǎng)壓力的升高，ORV換熱量和換熱器平均溫差逐步降低，天然氣出口溫度和海水出口溫度逐步升高，海水進(jìn)出口溫差逐步降低。

1.3 海水溫度擾動下動態(tài)模擬

ORV的熱源為海水，海水溫度隨著季節(jié)變化而變化，LNG接收站無法實現(xiàn)對海水溫度的控制。本文以LNG流量、天然氣管網(wǎng)壓力和海水進(jìn)出口溫差(4.5 ℃)不變時海水進(jìn)口溫度在7～28 ℃范圍波動為例，研究天然氣出口溫度、海水出口溫度、海水流量、ORV換熱量、換熱器平均溫差等主要操作參數(shù)的動態(tài)響應(yīng)趨勢。

從圖6～圖8可以看出，在LNG流量、天然氣管網(wǎng)壓力和海水進(jìn)出口溫差不變時，海水進(jìn)口溫度由7 ℃逐步提高至28 ℃過程中，ORV冷側(cè)和熱側(cè)流體傳熱負(fù)荷明顯升高，從1.31×108kJ/h逐步升高至1.46×108kJ/h，在ORV傳熱面積固定情況下，ORV的對數(shù)平均溫差從43.47 ℃逐步增大至50.8 ℃。為了維持海水進(jìn)出口溫差為4.5 ℃，海水流量從6700 m3/h增大至8080 m3/h，海水出口溫度從2.5 ℃逐步增大至23.5 ℃，ORV出口天然氣溫度從0.45 ℃逐步增大至21.2 ℃。因此，隨著海水進(jìn)口溫度的升高，ORV換熱量和換熱器平均溫差增大，天然氣出口溫度和海水出口溫度逐步升高，海水需求量反而增大，因此，在ORV工藝設(shè)計階段，ORV所需海水用量應(yīng)按照海水的高溫工況進(jìn)行選型。

2 結(jié)論

(1) 本文采用動態(tài)模擬軟件建立ORV運行的動態(tài)模型，研究ORV的相關(guān)工藝參數(shù)隨LNG負(fù)荷、天然氣管網(wǎng)操作壓力、海水溫度等因素的變化趨勢，指導(dǎo)設(shè)計人員對ORV的設(shè)計選型和操作人員的運行實踐。

(2) 當(dāng)僅有LNG負(fù)荷逐步增加時，ORV換熱量和換熱器平均溫差逐步增大，天然氣出口溫度和海水出口溫度降低，海水進(jìn)出口溫差增大，因此，ORV運行時操作人員應(yīng)密切關(guān)注海水進(jìn)出口溫差，維持其在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

(3) 當(dāng)只有天然氣管網(wǎng)壓力升高時，ORV換熱量和換熱器平均溫差逐步降低，天然氣出口溫度和海水出口溫度逐步升高，海水進(jìn)出口溫差逐步降低。

(4) 隨著海水進(jìn)口溫度的升高，ORV換熱量和換熱器平均溫差增大，天然氣出口溫度和海水出口溫度逐步升高，海水需求量反而增大，因此，進(jìn)行ORV工藝設(shè)計階段，設(shè)計人員應(yīng)密切關(guān)注海水用量的設(shè)計取值基準(zhǔn)，應(yīng)按海水的高溫工況進(jìn)行選型。

(5) 在ORV實際運行過程中，上述影響因素并不是獨立存在的，而是互相依托、互相影響的。分析上述多種復(fù)雜因素對ORV運行性能的影響可借助動態(tài)模擬工具，能夠準(zhǔn)確地分析工藝參數(shù)動態(tài)響應(yīng)特性。