丙烷预冷系统对FLNG晃动条件的适应性实验研究*

尹全森 刘淼儿 李恩道 邰晓亮 张树勋

(中海石油气电集团有限责任公司 北京 100028)

丙烷预冷系统对FLNG晃动条件的适应性实验研究*

尹全森 刘淼儿 李恩道 邰晓亮 张树勋

(中海石油气电集团有限责任公司 北京 100028)

尹全森,刘淼儿,李恩道，等.丙烷预冷系统对FLNG晃动条件的适应性实验研究[J].中国海上油气，2017,29(4)：164-168.

YIN Quansen,LIU Miaoer,LI Endao,et al.Experimental study on the applicability of propane pre-cooling systems to FLNG shaking conditions[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(4):164-168.

通过建立一套带有液位扰动系统的丙烷预冷液化天然气实验装置，研究丙烷预冷系统对浮式液化天然气装置(FLNG)晃动条件的适用性。实验中通过对丙烷分离器不同液位进行液位扰动来模拟晃动条件，分析丙烷预冷系统换热器在晃动条件下的温度特性。结果表明：丙烷分离器液位较低时，液位扰动对换热器的温度影响较大；随着液位的升高，液位扰动对换热器的温度影响不断减小；当液位达到一定高度后，液位扰动对换热器温度影响很小。丙烷预冷系统适用于FLNG,但在FLNG上使用须提高丙烷分离器的液位高度或分离器的位置，以降低晃动时液位波动对换热器的影响，因此，在设计时须加强安全设计和危险评估。

FLNG；晃荡条件；丙烷预冷系统；适应性；实验装置；液位扰动；换热器；温度

浮式液化天然气(FLNG)技术是解决深海天然气开发的关键技术，但海上建设FLNG装置面临较大技术挑战[1-3]，我国在FLNG技术研发和设计方面已开展较多研究但仍未进入产品实质建设阶段[4-7]。FLNG技术方案中涉及的丙烷预冷天然气液化技术具有制冷效率高、能耗较低，处理规模较大的特点[8-11]，但是由于丙烷预冷系统存储的丙烷量较多，且工艺中需要进行多次气液分离，而气液分离受晃动影响较大[12]，气液分离器液位发生波动易引起丙烷预冷系统中的气液分配不均，进而导致换热恶化。对于采用板翅换热器的丙烷预冷系统，丙烷进入换热器采用热虹吸的方式，液位产生的压差和板翅换热器内的丙烷蒸发界面直接决定了丙烷进入换热器的流速；当丙烷液位较低或丙烷节流分离器的位置较低时，液位产生的压差较小，此时板翅换热器内的丙烷蒸发界面不稳定，在晃动情况下换热器的上部处于频繁地升温和降温过程，引起换热器热应力疲劳，导致其使用寿命降低。为了研究丙烷预冷系统受晃动影响的程度是否适合用于FLNG，本文建立了一套丙烷预冷的双氮气膨胀液化装置，并通过液位扰动来模拟晃动条件[13]，分析了不同液位扰动对丙烷预冷系统换热器温度的影响，以期对FLNG技术的研发提供参考。

1 实验流程及装置

丙烷制冷系统的液位扰动实验流程如图1所示。丙烷气体经过2级压缩和冷却后变成高压液体丙烷，液体丙烷经过缓冲罐V-04后分为2股：1股经过节流阀后进入1级丙烷分离器V-01；另1股进入丙烷扰动储存罐V-03中，实验过程中将V-03中的液体快速添加到V-01中，对V-01的液位产生扰动。V-01的液体又分为2股：1股进入换热器E-03中，为换热器的上部提供冷量；另1股经过节流阀进入V-02中，V-02的气相返回压缩机的2级入口，实验过程中通过改变V-01至V-02的阀门开度可同时改变V-01和V-02的液位。V-02的液体进入换热器E-03中，为换热器下部提供冷量，V-02的气相返回压缩机的1级入口。换热器E-03的热源为天然气，实验过程中保持天然气的压力、温度和流量不变，对丙烷液位分离器V-01和V-02进行液位扰动，监测换热器各截面的温度和天然气出换热器E-03的温度变化，分析扰动对丙烷预冷系统的影响。

图1 丙烷预冷系统液位扰动实验流程图Fig .1 Level perturbed process diagram of propane pre-cooling experimental apparatus

具体实验装置如图2所示，图中右侧为丙烷压缩系统(包括丙烷压缩机和空气冷却器)；左侧为冷箱，丙烷分离器V-01、V-02、V-03和换热器E-03都在冷箱内部，V-03布置在最上部，冷箱采用珠光砂隔热。

图2 丙烷预冷系统液位扰动实验装置Fig .2 Level perturbed experimental apparatus of propane pre-cooling

2 实验过程及结果分析

2.1 低液位下丙烷液位扰动实验

丙烷分离器的高度为1 500 mm，正常运行时液位控制在600 mm左右。丙烷液位低，液位形成的压力小，丙烷进入换热流量小。开展低液位下丙烷液位扰动实验，测试低液位运行工况下丙烷预冷系统受液位扰动的影响。在液位扰动过程中，丙烷分离器V-01初始液位是400 mm，通过V-03向V-01中快速添加丙烷，引起V-01液位波动，如图3所示，V-01中液位波动增加，液位达到高点时V-03中液体已全进入V-01中，此时关闭V-04进入V-01的阀门，V-01中的液位逐渐降低。

图3 初始液位为400 mm时V-01液位扰动 对换热器温度的影响Fig .3 Effect of V-01 level perturbed on exchanger temperature when initial level is 400 mm

实验过程中，换热器上部至下部截面的监测温度见图3中的T1至T5曲线。液位扰动前，T1和T2的温度基本相同，接近天然气进入换热器前的温度，板翅换热器的上半部基本没有换热。液位扰动开始后，由于换热器本身质量较大，换热器的温度变化相对于液位变化有一定延迟。受液位扰动的影响，T1、T2和T3温度降至3 ℃左右，此时换热器的上半部充满丙烷，上半部换热器基本冷却到丙烷的蒸发温度。随着丙烷液位V-01下降，温度T1开始出现波动，主要是丙烷液位下降后进入换热器内的丙烷流量波动，换热器中上部冷却而造成温度T1和T2出现波动。随着丙烷液位继续下降，T1、T2和T3温度升高，并接近天然气进入冷箱的温度，此时换热器上半部的换热量较小，换热器的温度梯度达到初始扰动的状态。实验过程中温度T5始终处于较稳定状态，这主要是由于换热器的换热面积较大，在换热器上部换热量较小的情况下，换热器下部也能将天然气温度冷却到设计温度。但是，对于大型FLNG装置来说，换热面积不可能做到无限大，因此，当丙烷液位出现波动时，不仅影响换热器上部的温度，也会对冷却温度有一定影响，进而影响整个液化工艺的平稳运行。 从丙烷液位扰动中换热器的温度变化与丙烷的液位关系可以看到，当丙烷初始液位较低时，液位扰动增加后换热器的热端温度波动较大，对换热器的整体换热影响较大，如果FLNG中的丙烷系统在这种工况下运行，换热器频繁处于升温降温过程，热应力引起应力疲劳将降低换热器的可靠性，缩短换热器的使用寿命。因此，在FLNG上采用丙烷预冷系统时应设法提高丙烷分离器的液位。

2.2 高液位下丙烷液位扰动实验

丙烷液位高，液位形成的压力大，丙烷进入换热流量大。开展高液位下丙烷液位扰动实验，测试高液位运行工况对丙烷预冷系统液位扰动的影响。调整丙烷分离器V-01的初始液位，监测丙烷初始液位提高后扰动对换热器温度的影响。V-01的初始液位设置为1 100 mm，待换热器运行平稳后通过V-03向V-01中快速添加丙烷，引起液位波动，如图4所示，液位先波动增加，然后波动降低。

从图4可以看出，扰动开始前，换热器中T1、T2和T3的温度相差很小，接近V-01压力下的丙烷蒸发温度，T4和T5的温度也相差很小，接近V-02压力下的丙烷蒸发温度。扰动开始后，换热器的温度变化较小，液位波动增加或降低也不能使T1和T2的温度下降。这主要是由于丙烷液位较高时，液位产生的压差较大，丙烷进入换热器的流量大，使得丙烷换热器的冷量过剩，换热器处于过冷状态，此时液位波动虽然对进入换热器的丙烷流量产生影响，但对换热器温度产生的影响较小。可见，丙烷液位较高时液位波动对丙烷预冷系统的影响较小。

图4 初始液位为1 100 mm时V-01液位扰动 对换热器温度的影响Fig .4 Effect of V-01 level perturbed on exchanger temperature when initial level is 1 100 mm

2.3 气液分离器液位同时扰动实验

实验过程中，通过调整V-01至V-02的调节阀开度来改变V-01和V-02的液位，监测V-01和V-02的液位同时变化时换热器的温度变化。增大调节阀的开度后，V-01的液位降低，V-02的液位升高，如图5所示。

图5 V-01和V-02同时进行液位扰动对换热器温度的影响Fig .5 Effect of exchanger temperature when the propane levels of V-01 and V-02 are perturbed at the same time

在丙烷液位扰动前，换热器中的温度分布是：T1在30 ℃左右，T2和T3接近V-01压力下丙烷的蒸发温度，T4和T5接近V-02压力下丙烷的蒸发温度。随着丙烷液位的扰动开始，T1温度出现一定的波动，温度先下降后升高，T2和T3基本保持不变；随着V-01的液位继续波动下降，T2缓慢升高；T4在每次扰动时均有短时间的升温，随后再降低，在V-02液位波动增加的过程中T4的温度缓慢下降，逐渐接近T5。这主要是由于每次扰动时，V-02的液位出现峰值，在液位下降过程中短时间内进入换热器下半部的丙烷流量下降，导致换热器出现短时间的复温，总体随着V-02的液位增加，丙烷换热器的下半部温度接近V-02压力下的丙烷蒸发温度。可见，丙烷分离器中丙烷总量不变即V-01和V-02内的丙烷总量不变时，丙烷的液位波动对换热器的换热温度影响较小。

3 结论

1) 丙烷预冷系统应用于FLNG装置时，晃动条件对丙烷气液分离有一定的影响。

2) 丙烷分离器的液位较低时，丙烷换热器受晃动影响较大；在液位较高时，受晃动影响较小。

3) 提高丙烷分离器的布置位置或丙烷分离器液位可以增强丙烷预冷系统在FLNG上的适应性，但这需要增加FLNG装置上的丙烷存储量，因此在设计时必须加强安全设计和危险评估。

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(编辑：吕欢欢)

Experimental study on the applicability of propane pre-cooling systems to FLNG shaking conditions

YIN Quansen LIU Miaoer LI Endao TAI Xiaoliang ZHANG Shuxun

(CNOOCGasandPowerGroup,Beijing100028,China)

A set of experimental apparatus for propane pre-cooling process analysis was constructed, which was equipped with a liquid level disturbing mechanism, to simulate the FLNG shaking conditions.In the experiment the liquid levels in the propane separator were disturbed to simulate float shaking conditions, in order to analyze the heat exchanger’s temperature characteristics under the shaking conditions.Experiments results showed that the liquid level disturbance would greatly impact the heat exchanger temperature when the level was very low.But the higher the level, the less the impact.When the level reached certain height, there would be little effect.Propane pre-cooling systems are applicable on FLNG, but the liquid level or the position of separator used in FLNG has to be raised in order to reduce the impact on the heat exchanger during shaking.So the safety issue and risk assessment should be seriously considered in the design process.

FLNG; shaking condition; propane pre-cooling system; applicability; experimental apparatus; level disturbance; heat exchanger; temperature

尹全森，男，工程师，2010年毕业于哈尔滨工业大学,获博士学位，现主要从事天然气液化及净化技术研发和工程化推广的工作。地址：北京市朝阳区太阳宫南街6号院C座(邮编：100028)。E-mail：yinqs@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)04-0164-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.022

TE646

A

2016-05-31 改回日期：2017-03-27

*“十二五”国家科技重大专项“大型FLNG/FLPG、FDPSO关键技术(编号：2011ZX05026-006)”部分研究成果。