随着我国沿海接收站——深圳大鹏、福建莆田、上海洋山、江苏如东和大连新港的相继建成投产, 我国LNG工业迎来了快速发展的高潮^[1]。开架式气化器(Open-Rack Vaporizer, ORV)是广泛应用于LNG接收站并逐渐成为主流的气化器类型, 与其他类型气化器相比, 具有两大优势^[2-3]: 工艺简单, 运行可靠, 耐用性和安全性较高; 成本效益明显, 世界上大部分LNG接收站均建在沿海或离海较近的沙滩, ORV使用的海水可以就地取材, 成本较低且资源充足。此外, ORV运行时只有海水泵消耗电能, 而浸没燃烧式气化器(Submerged Combustion Vaporizer, SCV)除了风机和循环水泵消耗电能外, 还需要消耗燃料气, 因此, ORV的使用对于接收站节能降耗至关重要。由于ORV的诸多优点, 越来越多的用户和专家意识到使用ORV的优越性, 在冬季最大限度地使用ORV, 可以降低能耗和生产风险, 因此具有良好的经济效益和社会效益。为此, 以ORV性能曲线为基础, 建立数学模型, 帮助用户快速计算当前条件ORV的最大操作负载, 以便最大限度地利用ORV, 发挥其使用优越性。

1.   开架式气化器结构与工艺

1.1   ORV结构^[4-5]

ORV是一种以海水为热媒气化LNG的热交换器, 最初由英国Marston Excelsior开发, 首个ORV安装在英国的Canvey Island。随后, 日本东京燃气与住友精密工业株式会社合作, 开发出更高性能的ORV。目前, ORV的最大处理能力为250 t/h, 气化器可在0~100%的负荷范围内安全运行, 并且可以根据需求变化, 通过流量控制阀调节操作负载。整个气化器利用铝合金支架固定安装, 其基本组成单元为换热管, 面板由平行分布的约80根连接上下总管的换热管组成, 5~6块面板组合在一起形成一个模块, 组成面板的翅片管为星状翅形。管内安装了传热加速器以提高传热系数, 管外表面喷有一层含锌1%的铝合金涂层, 作为避免海水腐蚀基底金属的牺牲阳极。气化器顶部具有海水喷淋装置, 用于制造在面板表面流下的海水薄膜, 其依靠重力的作用自上而下流动, 喷淋装置最重要的功能是实现海水的均匀性、连续性流动。LNG在换热管内自下而上流动, 上升过程中连续换热气化并过热化, 在NG总管中汇集并输出^[6](图 1)。

图  1  开架式气化器结构示意图

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1.2   ORV工艺流程

某接收站一期采用3台ORV进行LNG气化外输(图 2)。LNG管道采用文丘里流量计FE1监测LNG流量, 使用流量控制阀FCV调节操作负载, PT1和PT2用于监测操作压力, PT1具有报警功能, PT2具有联锁功能。海水管道采用两台超声波流量计FE1和FE2监测海水流量, 通过HCV控制阀调节海水流量, PT3用于监测海水HCV阀后压力, TT用于监测海水温度。当海水流量FE1和FE2低于7 350 t/h时, 将产生流量低报警, 当低于5 510 t/h时, 将出现流量低低报警, 并且联锁关闭LNG管道入口切断阀XV1和流控阀FCV, 防止ORV海水出现问题时造成结构损坏。

图  2  某接收站开架式气化器工艺流程图

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2.   影响ORV最大操作负载的主要因素

2.1   ORV机械限制

ORV机械限制是指ORV在完全满足海水热媒时, 在一定操作压力下, ORV设备结构、传热及材质所能承受的最大LNG流量。操作压力不同, ORV机械限制所允许的最大LNG流量也有所差异(图 3): 当操作压力从4 MPa变化至6 MPa时, ORV的机械限制曲线近似呈线性关系; 当操作压力变化范围为6~10.36 MPa时, 机械限制维持250 t/h不变。

图  3  某LNG接收站ORV机械限制曲线

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2.2   海水流量

海水经海水泵增压至约0.2 MPa后进入ORV面板的表面层, 其入口处装有超声波流量计, 用于监测进入ORV的海水流量。假设海水温度和操作压力不变, 取海水温度为5.5℃, 操作压力为5 MPa, 根据性能曲线(由设备厂商Sumitomo Precision Products Co. Ltd.提供)可以得出海水流量与最大操作负载之间的关系(图 4): 两者近似呈线性关系, 操作负载随海水流量的增大而不断增大, 当海水流量增大至一定程度时, 最大操作负载会受到设备本身机械限制的影响; 当海水流量不低于9 837 t/h时, 受机械限制的影响, 最大操作负载维持205.6 t/h不变。

图  4  海水流量与ORV最大操作负载关系曲线

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2.3   海水温度

在ORV海水入口管道处设置温感探头, 用以测量海水温度。假设海水流量为设计点9 180 t/h, 操作压力10.36 MPa, 海水温度与ORV最大操作负载之间为单调递增函数关系, 并受ORV机械限制的影响; 当海水温度不低于27℃时, 最大操作负载保持250 t/h不变(图 5)。

图  5  海水温度与ORV最大操作负载关系曲线

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2.4   操作压力

ORV入口LNG管道流控阀后侧设有两块压力表, 用于监控ORV的操作压力(图 2)。操作压力在一定程度上受到外输干线压力的影响。依据性能曲线, 假设海水管道流量和温度分别为9 180 t/h和5.5℃, 最大操作负载与操作压力之间呈递增函数关系(图 6)。

图  6  操作压力与ORV最大操作负载关系曲线

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3.   ORV最大操作负载

3.1   模型建立

性能曲线满足的设计要求: 进入ORV的LNG温度应高于-170℃, 气化后NG温度高于0℃, 曲线结合ORV的机械限制, 通过查图可以得到当前运行条件下设备的最大操作负载。模型的建立基于ORV厂商提供的性能曲线, 由曲线抽取关键点数据, 通过一系列数据拟合函数而成。自变量为影响最大操作负载的3个主要因素: 海水流量、海水温度和操作压力, 因变量为该条件下ORV的最大操作负载。用户只需输入3个自变量值, 考虑ORV的机械限制, 便可由函数计算出该条件下的最大操作负载值, 正确调节运行中ORV的LNG流量。

假设海水流量为常量, 其值为设计点9 180 t/h, 由性能曲线抽取其最大操作负载, 得到充分考虑ORV机械限制的影响, 在不同操作压力及海水温度下所对应的ORV最大操作负载曲线(图 7)。

图  7  不同操作压力及海水温度所对应的ORV最大操作负载曲线

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设自变量x为海水温度, y为操作压力, 因变量f(x, y)为不同海水温度和操作压力下所对应的ORV最大操作负载值。当y=10.36 MPa, 且海水温度由2.5℃变化至30℃时, 利用已知数据点进行函数的多项式拟合(图 8), 函数f(x)为四次多项式, 拟合函数包含7个数据点, 相关系数0.999 5 > 0.99。根据海水温度与最大操作负载的关系, 该函数关系在整个区间内单调递增, 然而拟合函数并非在所有区间内均是单调增函数, 在部分区间表现为减函数, 与实际情况不符。因此, 采取分段拟合法, 以x=10为分界线分别进行函数拟合, 采用非线性曲线拟合、综合优化分析计算软件平台1stOpt通用全局优化法(Universal Global Optimization, UGO)进行迭代计算。

图  8  操作压力10.36 MPa时操作负载随海水温度变化数据点拟合曲线

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3.1.1   第一阶段数据拟合

x为5×1矩阵, y为1×6矩阵, f₁(x, y)为5×6矩阵, 即:

x=[2.5;3.5;4.5;5.5;10];y=[4 5 6 6.55 7 10.36]

拟合函数为:

式中: 2.5≤x≤10;4≤y≤10.36;a=-7.514;b=-19.811;c=48.675;d=3.419;e=-9.755;g=-0.331;h=0.539;k=9.91;l=-0.049;m=-0.566。

3.1.2   第二阶段数据拟合

x为3×1矩阵, y为1×6矩阵, f₁(x, y)为3×6矩阵, 即:

拟合函数为:

式中: 10≤x≤30;4≤y≤10.36;a'=153.330;b'=71.437;c'=0. 0 1 4;d'=0. 0 5 1;e'=3. 1 3 8;g'=-0. 6 7 0;h'=0.005。

将各项参数代入式(1)和式(2)后, 可以得到f(x, y)与海水温度和操作压力之间的函数关系式:

设z为海水流量, F(x, y, z)为ORV的最大操作负载, 可以得到:

将式(1)~式(3)代入式(4), 可以得到:

式(5)即为ORV最大操作负载与海水温度、操作压力和海水流量之间的函数关系式。利用该式计算时, 应注意各参数的定义域区间, 另外, 海水温度和操作压力涵盖范围较广, 海水流量以设计点9 180 t/h为基准, 因此, 当海水流量大于设计点时, 应按9 180 t/h计算。此外, 若海水流量增大, 则海水泵压力降低, 海水流量也会受到一定影响。

3.2   误差分析

当海水流量为设计点9 180 t/h时, 利用分段函数模型对图 7数据进行重新计算, 并对分段函数进行误差分析(表 1、表 2)。第一阶段函数: 当海水的温度为5.5 ℃, 压力为5.0 MPa时, 最大负误差为-6.1 t/h; 压力为4.0 MPa时, 最大正误差为6.0 t/h, 其他点误差较小。第二阶段函数: 最大正误差为3.2 t/h, 最大负误差为-0.6 t/h, 其他点误差较小。第一阶段函数相关系数R₂=0.992 3, 第二阶段函数相关系数R₂=0.999 6, 说明拟合分段函数能够较好地解释、涵盖实测数据, 具有一定的普遍性, 可以作为标准曲线对其他数据点进行计算。

表  1  利用分段函数模型计算的ORV最大操作负载数据

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表  2  分段函数误差分析结果

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4.   结论

ORV使用的优越性正在被越来越多的用户认可和重视, 更大限度地使用ORV, 成为接收站降低能耗的关键。研究建立的计算ORV最大操作负载的数学模型, 在依据ORV性能曲线的基础上, 分析了海水流量、海水温度和操作压力3个关键因素对ORV最大操作负载的影响, 并充分考虑了ORV的机械限制。通过误差分析, 证明了该模型的正确性、实用性和普遍性, 可为用户最大限度地使用ORV提供理论和数学依据, 使其更好地为生产服务。