LNG撬装提升预冷深度的研究

王琦芳

【摘 要】在LNG撬装混合冷剂制冷液化单元中，预冷机组主要是对冷箱的一级换热器即预冷换热器提供冷量。随着气温升高，原料气通过预冷冷箱后难以降低到理想温度，对下一步深冷流程产生不利影响。为了解决预冷深度不足问题，并研究出在实际操作中，液化单元所需的预冷冷量、最佳的供冷调节方式，对预冷流程进行了研究。

【关键字】预冷工艺；理论分析；串并联

图1 预冷机组流程

该预冷工艺流程主要研究内容有：（1）分析环境因素对制冷循环的影响。（2）对比不同运行方式的运行效果。我们简化计算方式，以冷端流体的吸热为准，无需计算换热器UA、不需要考虑换热面积、热阻。

（1）BOG冷量计算

BOG气体的流量较小，约为150m3/h，在换热器中的温升约为30℃，可以计算出：BOG每小时释放6878kJ冷量，相当于功率1.91kW。

（2）防凍液冷量计算

根据防冻液的流量和进出换热器的温差进行计算。预冷机组采用的是-35℃的防冻液，比热容为3.18kJ/（kg·K），密度为1070kg/m3。例如：防冻液流量为45m3/h，进入冷箱温度为-1.1℃，出冷箱温度为4.7℃，所释放冷量功率为888078/3600=246kW。

在实际操作中记录的数据显示：在原料气温度26℃左右，设计处理量1250m3/h附近范围内，防冻液释放的冷量功率在180kW至220kW之间。随着处理量上升，所需功率稍有上升；随着NG入口温度由25℃上升到45℃，设备的处理量有下降趋势；所需要的预冷冷量也有所上升，从180kW上升到225kW。

处理量1250m3/h（30000m3/h）的原料气，每降低1℃温度仅需要0.71kW功率；同样若处理量在1250m3/h左右浮动±100m3/h时，理论上所需冷量也只有±8%的变化。由上两图分析可知，随着NG入口温度升高和处理量的升高，所需预冷冷量会增大，但是增加幅度有限，与理论分析基本相符。防冻液在预冷冷箱中放出230kW的冷量基本就可以抵消恶劣工况的影响。随着NG入口温度升高和处理量的升高，所需预冷冷量会增大，但是增加幅度有限，与理论分析基本相符。可以预计，防冻液在预冷冷箱中放出230kW的冷量基本就可以抵消恶劣工况的影响。同时通过计算可知两台机组串联的运行效果要好于并联运行。

（1）传热系数

一般用传热系数（或阻力）来表示换热器的传热快慢。预冷机组的蒸发器为管壳式换热器，防冻液走管程，为热流体。冷箱中为板式换热器，防冻液为冷流体。在换热过程中传热阻力可以表示为：

在蒸发器中防冻液与换热器壁的对流传热系数为：

可以看出传热系数与u0.8成正比，所以流体流速越大，传热系数α1越大，那么总的传热系数K也越大。串联状态下，防冻液循环量量约为47m3/h，并联状态下，防冻液防冻液循环量约为77m3/h。并联的换热器传热系数应当高于串联。

（2）传热动力

温差是冷热流体之间热量传递的动力，当冷热流体温差过小时，可能会停止热量传递。而换热器的总热流量Q可以表示为：

在预冷的蒸发器中，如果防冻液的流量qm增大，传热系数会变大，但是由于流量增大，会导致防冻液的出口温度升高，进入冷箱换热器后，冷箱换热器内的热流体与防冻液的平均温差Δtm会变小，即换热的推动力变小。

流量调节是改变防冻液的循环量，实质上与串并联的区别是相同的。增大流量可以增强传热系数，却减小了传热温差。实践证明，对于冷箱来说，改变防冻液循环量并不是高效的调节方法；但是，却可以高效调节压缩机机头的温度。由3.4可知主冷电机压缩机机头需要冷量在10～20kW之间，而1m3/h流量的防冻液温度升高1℃可以释放冷量3.4kW冷箱，所当电机温度升高时，只需要稍微调大去往电机机头的防冻液流量。

根据以上分析并结合实际操作的经验：两台小预冷串联满载运行，可以承载最大的热负荷；串联降载运行可以承载较低的热负荷；在热负荷更低的情况下可以运行一台预冷机组。本项目的研究工作，对解决气候炎热导致天然气液化装置产量下降的难题作出了指导，总结为以下几个方面：

（1）采用增大预冷冷量，提高预冷深度的方法，克服了环境因素不利影响。将产量提升了20.5%，并提供了灵活高效的供冷量调节方式。

（2）通过量化计算说明了预冷循环热传热效率变化范围极大，分析了环境因素对工艺流程各环节的影响。防冻液在蒸发器中吸收的冷量大量耗散。环境因素主要通过对预冷循环传热效率的影响来影响预冷供冷能力。