浮式液化天然气装置上部模块加热系统的选择

王俊美 张道光 卜晓玲 金海刚

海工英派尔工程有限公司，山东 青岛 266061

0 前言

浮式液化天然气（FLNG）技术［1-3］是一种集天然气净化、液化、储存、卸货于一体的新型海上装置，在深海气田、边际气田的天然气开采方面优势显著，并因投资较低、建造周期短、便于迁移、环境友好等优点备受各国青睐。 目前各国对FLNG 技术的研究仍处于设计开发阶段，世界第一艘FLNG 船有望在未来几年建成投产；我国已着手FLNG 的概念设计研究，属国家“十一五”和“十二五”重大科技专项课题之一。 FLNG上部模块布置见图1。

图1 FLNG 上部模块布置

加热系统是FLNG 装置的重要组成部分，主要用于装置中工艺系统和公用系统内设备的加热和保温，特别用于天然气预处理单元醇胺法脱酸时富液的加热再生和天然气液化分馏单元各重沸器的加热，还应用于工艺管道和设备的吹扫，舱室空调和房间采暖的加热保温以及装置洗、扫舱的加热等。 加热系统的选择关系到整个装置系统的用能分析、平面布置、安全性和复杂性，研究加热系统的选择对于FLNG 装置的研究设计而言，意义重大。

1 加热系统的选择

加热系统［4-6］按热源工质主要有蒸汽、热媒油、热水三种。 蒸汽系统陆上应用较广泛，海上主要用于以蒸汽为动力的油轮上，兼作蒸汽加热用。 热水系统在海上油（气）田工程中应用极少，只用于某些液态物品（化学品）对加热有限制温度要求的船上，在此不作考虑。 热媒油系统因热效率高、升温快、投资低、系统简单、设备腐蚀性低、安全节能、节省空间等优点广泛应用于船舶加热系统中。 目前，浮式生产储油装置（FPSO）上的主要供热系统为热媒油加热系统， 而FLNG与FPSO 相比装置更复杂，系统热负荷更大，其加热系统在热负荷、温位等方面都有较大区别。 因此，对于FLNG 的设计，需在满足其工艺要求的条件下，综合考虑技术、经济、安全等众多因素来选择最合适的加热系统。

1.1 热媒油系统与蒸汽系统的比较

热媒油系统和蒸汽系统是两种重要的工业用加热装置，两者相比各有特点。 蒸汽系统操作简单，但系统复杂，占地面积大。 热媒油系统与蒸汽系统相比具有供热系统压力低、燃料耗量低、装置成本低、装置布置紧凑、防冻、防腐性能好等优点，缺点是介质成本高、初期投资费用较大。 热媒油系统以低压供热取代高压供热，降低设备投资的同时，对系统的安全性提出了更高的要求。 因此系统需采用惰气覆盖的密闭系统，此外在事故原因引起系统泄漏的情况下，热媒油与明火相遇时有可能发生燃烧，故加热系统工作时要严防泄露，对管路阀门系统密闭性要求较高。 蒸汽系统工作流程见图2，热媒油加热系统工作流程见图3。

通过流程简图比较两种系统所用设备，见表1。

图2 蒸汽系统流程简图

图3 热媒油加热系统流程简图

表1 热媒油系统与蒸汽系统设备对比

1.2 热媒油系统适用性分析

对于FLNG 装置而言，淡水资源缺乏，船体空间有限。 若使用蒸汽加热系统，需增加水处理装置、蒸汽放空系统、压力控制系统，系统投资和操作复杂性提高的同时，船体上部模块的空间也变小。 使用蒸汽加热系统，会产生大量的凝结水和锅炉排污水，与热媒油加热系统相比需增加凝结水和排污水回收装置。 热媒油作为没有相变的热介质比加热过程中有相变的蒸汽易于进行分配、调温、控制，并能很容易地构成高效率的封闭循环系统，与蒸汽加热系统相比，能节省燃料达10%～30%；热媒油炉（热媒油换热器）的设计原理和结构更趋于简单化，其体积可小于一般船用蒸汽锅炉的一半。 可见，热媒油加热系统热效率高、系统简单、投资低、安全节能、空间占用率低，更适宜作为FLNG 的加热系统。

2 FLNG 装置热媒油废热利用系统

以某海湾气田的FLNG 装置设计为例，该装置的天然气预处理量为3.6×109m3/a，LNG 产量为240×104t/a。

2.1 热媒油系统设计

FLNG 装置热媒油加热系统的工艺流程见图3。加热系统的热源为燃气透平产生的高温烟气，整套系统密闭循环使用，低温热媒油经热媒油循环泵输送至热媒油加热炉。 热媒油在热媒油加热炉（换热器）中经烟气加热后作为热媒介质用于需加热的再沸器。 热媒油循环泵的旁路设置热媒油过滤器，以对老化、结焦的热媒油进行净化处理。 补充的热媒油由注入接口直接进入热媒油储罐，也可通过热媒油注入泵增压后进入热媒油膨胀罐。 设置热媒油膨胀罐的作用是稳定系统循环、吸收热媒升温所带来的体积膨胀、升温过程中系统排气、防止循环泵气蚀，同时设置氮封，保证系统稳定运行。 热媒油储罐与膨胀罐之间有管线连接，平衡两者压力。 热媒油换热器除采用独立烟囱外，另设有紧急排放烟囱，正常工作情况下，换热所需烟气经过换热器进入相应烟囱进行排放，剩余烟气通过紧急排放烟囱进行释放；紧急情况下，全部烟气直接通过紧急排放烟囱进行排放。

2.2 热媒油废热利用和设备选型

浮式液化天然气装置热媒油废热利用系统主要为天然气预处理单元胺液再生塔底重沸器和天然气液化分馏单元各再沸器加热的热源［7］。 预处理和液化各单元具体操作参数见表2。

表2 预处理和液化单元操作参数

表3 热媒油式废热系统设备

2.3 热媒油的选用

热媒油［8-10］加热为强制循环系统，热媒油在炉内连续循环加热后，可能聚合、结焦和变质，故选择热媒油应注意以下几点：良好的传热性能；良好的稳定性和抗氧化安定性，较长的使用寿命；低黏度和低凝固点；低毒性和低腐蚀性，高安全性；高的初馏点和闪点；适宜的价格和可靠的货源。

热媒油可分为矿物油与合成油两大类。 矿物油多为重石油馏分，其特点是原料广、成本低、安全性高、毒性小等优点，缺点是使用温度相对较低（一般不超过310 ℃）、高温热稳定性差。 国内生产该类热媒油的厂家较多，生产水平与国外接近。 合成油是以化工或石油化工产品为原料合成所得， 其优点是热稳定性好，使用温度范围宽（上限可达400 ℃），使用寿命长，可再生，缺点是价格昂贵。 国内生产合成油的技术水平与国外有一定差距，目前主要依赖进口。 国外合成热媒油的主要产品见表4。

表4 国外合成热媒油产品

热媒油的选用应根据工艺流程中被加热介质的温位而定，一般，热媒油的最高使用温度应高出被加热介质实际使用温度50 ℃～60 ℃为宜。 考虑到被加热介质的温差和热媒油的使用安全系数，冷热热媒油的进出温度分别为160 ℃和220 ℃。 鉴于加热油较宽的温度使用范围和良好的性能，选用合成热媒油。 合成热媒油的具体型号的选择可进行经济评价后再行确定。

2.4 热媒油加热系统使用注意事项

热媒油属于危险化学品，使用时应确保热媒油中不能含水、升温要缓慢，禁止超高温使用［11-12］；另外，热媒油要定期监测化验，热媒油系统停止运行后，应在热媒油低温时排入贮油罐。

3 结论

热媒油加热系统较蒸汽加热系统具有投资低、系统简单、热效率高、设备腐蚀性低、安全节能等优点，鉴于FLNG 装置的上部模块空间小、淡水缺乏、加热负荷大等特点，推荐加热系统选用热媒油加热系统。

［1］ Wouter P，Kristine L，Trym T.The LNG Producer-A Generic Design with Great Adaptability［A］.Offshore Technology Conference ［C］. Houston of US：Offshore Technology Conference，2009.1-12.

［2］ Van W W，Meek H J，Schier M.The generic LNG FPSO-A Quick&Cost-Effective Way to Monetize Stranded Gas Field［A］. SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition［C］. Perth of Australia：Society of Petroleum Engineers，2008.655-666.

［3］ 梁光川，郑云萍，李又绿，等.液化天然气（LNG）长距离管道输送技术［J］. 天然气与石油，2003，23（2）：8-10.Liang Guangchuan，Zheng Yunping，Li Youlv，et al.Technology of LNG Long-distance Pipeline Transportation［J］.Natural Gas and Oil，2003，23（2）：8-10.

［4］ 孙 超. 船用油载热体辅助锅炉的应用研究 ［J］. 中小企业管理与科技，2011，13（5）：311-312.Sun Chao. Research on Application of Ship Oil Heat Carrier Auxiliary Boiler［J］.Small and Medium-Sized Enterprise Management and Technology，2011，13（5）：311-312.

［5］ 沈室涵. 船用热媒油锅炉常见故障［J］. 中国修船，2001，17（3）：17-19.Shen Shihan. Usual Fault for Marine Hot Transfer Oil Boiler［J］.China Shiprepair，2001，17（3）：17-19.

［6］ 周守为， 曾恒一， 李 宁， 等. 海上油气田机械设备设计［M］. 北京：石油工业出版社，2007：162-163.Zhou Shouwei，Zeng Hengyi，Li Ning，et al. Design of Offshore Oil and Gas Field Machinery and Equipment［M］.Beijing：Petroleum Industry Press，2007：162-163.

［7］ 王 澎， 毛 翔. 天然气净化用主要设备 ［J］. 天然气与石油：2006，24（2）：55-57.Wang Peng，Mao Xiang.Main Equipment for Natural Gas Purification［J］.Natural Gas and Oil：2006，24（2）：55-57.

［8］ 郭 玉，金洪光，牛远方，等. 国内外热媒油的研究进展［J］.河北化工，2008，31（6）：17-19.Guo Yu，Jin Hongguang，Niu Yuanfang，et al.Research Progress of Hot Transfer Oil at Home and Abroad ［J］.Hebei Chemical Industry，2008，31（6）：17-19.

［9］ 冯 蕾. 热媒油技术及其应用实例 ［J］. 润滑油，2005，20（6）：58-62.Feng Lei. Thermal Medium Oil Technology and Its Application［J］.Lubrication Oil，2005，20（6）：58-62.

［10］ 万乡才. 热媒油的特性及在使用中应注意的问题［J］. 工业科技，2005，34（4）：44-45.Wan Xiangcai. Characteristics of Thermal Medium Oil and Main Attention Points in Use［J］.Industrial Science and Technology，2005，34（4）：44-45.

［11］ 侯国华，郑久彬. 导热油加热系统设计［J］. 化工设备与管道，2012，49（2）：31-33.Hou Guohua，Zhen Jiubin. Design of Heat Conducting Oil Heating System［J］.Chemical Equipment and Pipeline，2012，49（2）：31-33.

［12］ 李东升，尹 源.导热油加热系统在联合站的应用［J］. 化学工程与装备，2012，（9）：83-86.Li Dongsheng，Yin Yuan. Application of Heat Conducting Oil Heating System in Combined Station［J］.Chemical Engineering and Equipment，2012，（9）：83-86.