王順學　丁歡　畢海勝

摘 要 通過對LNG接收站內(nèi)不同類型的兩種開架式氣化器（ORV）的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、運行參數(shù)和實際運行情況進行對比，分析兩種氣化器的性能特點，并提出改進建議，為LNG接收站的運行提供參考。

關(guān)鍵詞 LNG接收站 開架式氣化器 性能對比 設備選型

中圖分類號 TE8? ?文獻標識碼 B? ?文章編號 0254?6094（2023）02?0273?05

“雙碳”背景下能源轉(zhuǎn)型從“十四五”起跑，天然氣迎來重要的發(fā)展機遇，隨著近年來我國進口天然氣規(guī)模持續(xù)攀升，LNG接收站作為進口LNG接收終端，在我國沿海地區(qū)快速興起。LNG接收站主要是對LNG船遠洋運輸?shù)腖NG進行接收和儲存，且在增壓和氣化之后輸送到天然氣管網(wǎng)。在LNG接收站的運行過程中，LNG氣化是接收站運行的關(guān)鍵工藝流程。

目前國內(nèi)接收站在用的LNG氣化器主要有開架式氣化器（Open Rack Vaporizer，ORV）、中間介質(zhì)氣化器（Interme?diate Fluid Vaporizer，IFV）和浸沒燃燒式氣化器（Submerged Combustion Vaporizer，SCV）3種。氣化器是LNG接收站中不可或缺的核心設備之一，隨著LNG接收站的大規(guī)模投產(chǎn)應用，ORV逐漸成為最主要的氣化器類型［1］。ORV較其他兩類氣化器優(yōu)勢明顯［2，3］：一是工藝結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定且使用壽命長；二是ORV降低能耗效果顯著。根據(jù)相關(guān)測算數(shù)據(jù)，一臺ORV的生產(chǎn)成本僅為SCV生產(chǎn)成本的十分之一，從運行能耗上看，ORV僅在海水泵、海水過濾和海水凈化方面消耗電能，而SCV除去鼓風機、水泵等設備耗能之外，還會消耗站內(nèi)大量的燃料氣。ORV因其結(jié)構(gòu)緊湊、運作成本低、負荷范圍寬、氣化效果好、能耗低、運行維護便捷成為接收站氣化單元的首選［3］。

筆者以中石油江蘇液化天然氣有限公司所使用的設備為例，對不同的ORV氣化器結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成性能差異和運行參數(shù)進行對比分析，提出改進建議，并比較分析出兩種換熱器在不同環(huán)境下的性能優(yōu)勢。

1 LNG接收站工藝流程

LNG接收站一般具有LNG卸船儲存、BOG（Boil?off Gas）處理、氣化外輸?shù)裙δ埽?］，如圖1所示。LNG一般情況在-162 ℃、常壓（微正壓）儲存。由于LNG儲罐漏熱致外部熱量滲入而產(chǎn)生蒸發(fā)氣體即BOG，BOG匯入總管經(jīng)BOG壓縮機增壓至約0.70 MPa，進入再冷凝器重新冷凝成LNG。LNG儲罐內(nèi)的液體經(jīng)罐內(nèi)LNG低壓泵增壓至1.20 MPa，其中一小部分進入再冷凝器頂部吸收BOG壓縮機增壓后的BOG，并使其再冷凝為LNG，從再冷凝器底部出來的LNG與主路LNG匯合，并通過高壓泵進一步增壓至10.0 MPa后輸送至氣化器，氣化后經(jīng)過外輸管道進入輸氣干線。

2 ORV氣化器介紹

英國Marston Excelsior開發(fā)了第1臺ORV氣化器，并將該設備安裝于英國的肯維島上。隨后，日本東京燃氣與住友精密工業(yè)株式會社合作，開發(fā)出性能更好的ORV，并且得到世界LNG行業(yè)內(nèi)的認可［5］。ORV的工作原理是以海水為熱源進行換熱，在運行過程中，從海水槽溢流堰溢出的海水在換熱板片上形成平整均勻的液膜，隨著重力自上而下流動，-162 ℃的LNG在液相分配系統(tǒng)增壓后，進入ORV換熱板片內(nèi)管，自下而上在換熱管內(nèi)流動，與海水流動形成對流兩者進行傳熱，LNG隨之氣化后升溫至1 ℃以上，進入外輸管線，具有運輸成本低、安全可靠的特點［6，7］。其工作流程圖如圖2所示。

3 不同ORV設備的對比

ORV是LNG接收站使用最為廣泛、頻率最高的氣化設備之一。ORV的設計制造具有多學科交叉融合的特點，涉及熱工計算、低溫兩相流高效換熱管設計制造技術(shù)、高精度海水分布系統(tǒng)設計與制備、多層金屬過渡接頭制備、ORV表面處理技術(shù)、焊接集成建造技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)。由于國外技術(shù)封鎖，國內(nèi)LNG接收站在ORV國產(chǎn)化之前大部分使用神戶制鋼所株式會社和住友精密工業(yè)株式會社兩家公司的產(chǎn)品，不但價格高而且供貨周期長，影響LNG接收站的建設周期。筆者針對神戶制鋼和住友兩家公司生產(chǎn)的ORV，從換熱管結(jié)構(gòu)、設備性能、運行參數(shù)等方面進行對比分析。

3.1 換熱管結(jié)構(gòu)差異

ORV的換熱管是開架式氣化器換熱的基本單元，也是ORV中最重要的核心部分，一般采用星型翅片結(jié)構(gòu)，管內(nèi)增加螺旋插入物，以增加換熱管的換熱面積，提高換熱效率。換熱管的結(jié)構(gòu)設計需要綜合考慮換熱效率、翅片結(jié)構(gòu)、承壓、外表面對海水的分布及抗振動性等因素［8，9］。圖3為兩個不同廠家ORV的翅片管形狀。

神戶制鋼和住友生產(chǎn)的兩種翅片管主要存在以下差異：

a. 管外采用了兩種不同的翅片結(jié)構(gòu)，住友產(chǎn)品翅片管的翅片呈中心發(fā)射狀排布，翅片端部較鈍；而神戶制鋼產(chǎn)品翅片管的翅片垂直于中心截面向上或向下排布，呈尖角結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)都能夠?qū)Ｋぷ陨隙铝鲃悠鸬捷^好的導向作用。但從實際運行情況看，住友翅片管表面海水與管壁貼合較好，海水液膜分布較好。

b. 翅片管表面積不同。住友產(chǎn)品翅片管的截面周長約365 mm，神戶制鋼產(chǎn)品翅片管的截面周長約289 mm，單根換熱管與海水接觸面積住友產(chǎn)品明顯大于神戶制鋼產(chǎn)品。

3.2 換熱管材質(zhì)差異

根據(jù)廠家提供的資料，住友ORV的翅片管材料為5052鋁合金，LNG集管和NG集管材料為5083鋁合金，神戶制鋼的ORV翅片管材料為6063鋁合金，LNG集管和NG集管材料為5083鋁合金。5052鋁合金屬為低Mg含量，不能經(jīng)熱處理強化的鋁合金，Mg含量在2.2%～2.8%之間，具有良好的耐蝕性、塑性高、成型及焊接性能良好等特點，而6063鋁合金屬于可熱處理強化的Al?Mg?Si系鋁合金。該合金強度中等，具有良好的可擠壓性，較好的耐蝕性，可焊接性能較好。

3.3 運行性能差異

在相同海水溫度、流量和LNG流量下，住友ORV換熱海水跟換熱翅片的貼合度更高，因此換熱效率更高。依據(jù)江蘇LNG接收站冬季運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況，住友ORV結(jié)冰高度較神戶制鋼ORV低，說明住友ORV的氣化能力較神戶制鋼ORV的氣化能力強。例如：在海水溫度為5.5 ℃、LNG流量為130 t/h時，神戶制鋼ORV結(jié)冰高度峰值為0.50 m，住友ORV結(jié)冰高度峰值為0.40 m。在海水溫度持續(xù)下降時，兩種氣化器的氣化性能呈現(xiàn)不同的變化，具體如圖4所示。

3.4 防護涂層差異

神戶制鋼和住友生產(chǎn)的ORV表面均采用熱噴涂鋁鋅涂層的防腐處理方式［10］。從涂層厚度的測量數(shù)據(jù)看，神戶制鋼ORV表面上的涂層厚度較住友ORV薄，翅片管上涂層厚度一般在150 μm左右，集管上涂層厚度一般在300 μm左右。江蘇LNG接收站使用的3臺住友生產(chǎn)的ORV在連續(xù)運行25 000 h后達到維修標準，涂層出現(xiàn)不同程度的鼓包、脫落，集管與換熱管連接處的焊縫邊緣出現(xiàn)基體腐蝕的情況，翅片管翅片的部分位置出現(xiàn)基體腐蝕問題。使用的一臺神戶制鋼生產(chǎn)的ORV，在連續(xù)運行2 000多小時后，集管表面出現(xiàn)大量涂層脫落點，脫落點直徑在5 mm左右。

根據(jù)ORV廠家提供的資料分析，影響ORV涂層使用壽命的因素主要有海水含金屬Hg2+和Cu2+濃度、海水含沙量和使用海水溫度［11］。江蘇LNG海域海水含金屬陽離子的取樣分析和海水溫度均滿足使用要求。但是江蘇LNG海域為高含沙量海域，ORV換熱海水含沙量的建議值為148 mg/L，本海域含沙量取樣分析均值為389.3 mg/L，海域深度均值為-6 m，海水含沙量測量數(shù)據(jù)見表1，由此可知ORV涂層脫落的主要因素是海水含沙量大，進而對換熱效率也產(chǎn)生了一定的影響。

4 改進措施

通過對兩種進口ORV的參數(shù)、性能、材料和結(jié)構(gòu)的分析，目前已基本實現(xiàn)ORV產(chǎn)品國產(chǎn)化并首次在江蘇LNG接收站實現(xiàn)應用，從國產(chǎn)化ORV使用情況來看：雖然單個翅片管的翅片數(shù)量明顯少于進口產(chǎn)品，節(jié)省了材料成本，但在海水槽水流分布機構(gòu)設計上明顯不足，導致整體換熱效率低于進口產(chǎn)品，冬季溫度低于5 ℃情況下翅片結(jié)冰厚度明顯高于進口ORV產(chǎn)品；另外ORV表面涂層抗腐蝕沖刷能力較進口產(chǎn)品略差，維護周期一般3年（進口產(chǎn)品一般5～6年），影響了設備的實際使用壽命，增大維修成本。

上述分析可為國產(chǎn)化氣化器的設計和結(jié)構(gòu)改進提供參考。筆者建議國內(nèi)ORV生產(chǎn)廠家針對海水槽水流分布結(jié)構(gòu)與ORV換熱性能提升方面開展相關(guān)的研究改進工作，提高海水與換熱翅片的有效接觸面，進而提高換熱效率，提高ORV在低溫環(huán)境下的運行能力，擴大ORV的溫度使用范圍，為LNG接收站的節(jié)能減排做出貢獻；另外針對惡劣海況，進一步優(yōu)化提升國產(chǎn)ORV表面涂層抗沖刷和耐腐蝕性能，從涂層材料配比、施工工藝上進行改進，延長設備使用壽命，降低LNG接收站的維護成本。

5 結(jié)束語

通過對江蘇LNG接收站兩個不同設備供應商的ORV產(chǎn)品進行對比分析，結(jié)合實際運行數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

a. 住友生產(chǎn)的ORV單個換熱管的換熱面積較神戶制鋼大且與海水的換熱效率更高，提高了設備在臨界海水溫度的氣化能力。

b. 在高含沙量海域，由于住友生產(chǎn)的ORV涂層厚度略高于神戶制鋼，表現(xiàn)出的涂層耐腐蝕性能優(yōu)于神戶制鋼ORV。涂層厚度對于腐蝕的防護起到了一定的積極作用。

c. 國產(chǎn)化ORV產(chǎn)品應針對運行中的不足和短板，強化對進口ORV性能的對比深化研究，提高國產(chǎn)化產(chǎn)品的安全性、穩(wěn)定性。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2022-06-06，修回日期：2023-03-18）

作者簡介：王順學（1986-），工程師，從事液化天然氣接收站安全生產(chǎn)管理工作，419636478@qq.com。

引用本文：王順學，丁歡，畢海勝.LNG接收站內(nèi)不同類型的ORV性能對比與分析［J］.化工機械，2023，50（2）：273-277.