液化天然气接收站项目液化天然气气化器选型

，

(中海石油气电集团有限责任公司， 北京 100028)

国内早期建设的液化天然气(LNG)项目主要由德国TGE、美国CBI、日本IHI等国外工程公司设计，在工艺设计、设备选型等方面未体现过多的创新性设计，主要保证了设计的合理性、完整性与安全性。随着各LNG项目数年的实际生产运行，包括LNG气化器选型、设备国产化、工艺系统优化等方面的经验不断得到总结，国内工程公司在新建项目设计中开始结合自身特点，考虑以往项目经验，使项目设计更科学、更经济。LNG接收站项目的工艺系统、海水系统已在大鹏LNG项目、福建LNG项目国外工程公司设计基础上实现了改进与优化。文中以某LNG接收站项目为例，对项目中LNG气化器选型进行简要分析。

1 LNG接收站项目情况

该项目是陆上常规LNG接收站建设项目，位于江苏省的东北部，东濒黄海，一期的建设规模为300万t/a，作为江苏地区主力气源之一，满足江苏省及周边省份的用气需求。该项目所在区域地势平坦，属于侵蚀性粉沙淤泥质平原海岸，海域没有外界泥沙补给，水体含沙量主要取决于波浪、潮流等对岸坡的侵蚀和对海底沉积物的搅动。实测资料表明，大、中潮平均含沙量大于小潮平均含沙量，底层含沙量大于表层含沙量，夏季含沙量略大于冬季含沙量。因此，目标海域的水质影响着LNG气化器的选型。

此外，在气化器选型过程中还应考虑现场条件及建场选择、热源的可靠性及可用性、市场需求波动、海水使用限制、设备能力、设备安全性与可靠性、资本和运营成本等因素的影响[1]。

2 常用LNG气化器类型

2.1 开架式气化器

开架式气化器(ORV)现场装置见图1。

图1 开架式气化器现场装置

ORV以海水作为加热介质，海水从气化器上部进入，流经铝合金管的外表面，LNG流经铝合金管的内部，从而被加热和气化[2]。为防止海水腐蚀，对铝合金管进行相应的防腐涂层喷涂处理。由于LNG气化需要大量海水，故对海水的水质有一定要求。虽然开架式气化器设备投资少于中间介质式气化器(IFV)，但后期需要根据损耗情况进行3～5次的涂层维护。因此，对海水系统评估时应充分考虑后期喷涂维护的次数和成本，一旦设计阶段设备选型确定，后期设计变更非常困难，实现成本昂贵。ORV具有结构简单、操作和维护方便、操作技术成熟等特点，已经被广泛应用于日本、韩国和欧洲等国家和地区的LNG接收站项目[3]。

气化器选型过程中，选用ORV主要考虑海水因素，包括：①海水中是否含有大量重金属离子，造成锌铝合金涂层损坏，缩短其寿命。②海水中是否包含大量沙子和海水悬浮物，造成ORV换热管防腐涂层的磨损，缩短喷涂周期。沙子和悬浮物的过度沉积也会造成水槽和管路堵塞。③海水排出温度必须符合当地规定，海水的温度下降通常限制在5 ℃以内。

导致ORV铝合金涂层失效的可能原因有电化学腐蚀、海水冲蚀、重金属引起的腐蚀以及涂层施工质量差等[4]。

2.2 中间介质式气化器

中间介质式气化器现场装置见图2。

图2 中间介质式气化器现场装置

IFV是一种传统的管壳式热交换器，以丙烷作为中间加热介质，采用海水作为加热源进行气化，气化后的丙烷蒸气加热低温LNG，使其在管程内气化为低温天然气，丙烷蒸气同时被冷凝并在LNG气化单元以气液动平衡形式循环使用[5]。在天然气加热单元，被气化的低温天然气再经海水升温后(不低于0 ℃)进入天然气总管。海水接触部分采用钛管，可抗海水腐蚀及固体悬浮物的腐蚀[6]。因此，IFV投资成本较高，只要海水对于ORV的影响不大，就不考虑选用IFV。

2.3 浸没燃烧式气化器

浸没燃烧式气化器(SCV)现场装置见图3。

图3 浸没燃烧式气化器现场装置

SCV将燃料气和压缩空气在气化器的燃烧室内燃烧，燃烧后的气体通过喷嘴进入水中，气体喷射促进湍流形成，以较高的传热速率和热效率将水加热，LNG经过浸没在水中的不锈钢盘管，由热水加热而气化[7]。与前两种气化器相比，SCV一般约需消耗生产天然气的1.5%作为燃料气。因此，SCV不作为项目的主气化器使用，主要作为备用设备满足冬季供气需求及调峰使用。

3 LNG气化器选型

通过对各种类型气化器的比选可以看出，在海水环境条件允许的情况下，主气化器当中，ORV投资和操作成本较IFV低廉，是最可靠和经济的选择[8]。从国内外ORV的使用现状看，气化器生产厂家对ORV所使用的海水水质有以下要求：①海水作为热源必须进行杀菌处理。②海水pH值为7.5～8.5。③海水中重金属离子Cu2+质量浓度小于10 μg/L、Hg2+质量浓度小于0.5 μg/L。④海水中固体悬浮物的质量浓度小于80 mg/L，化学需氧量(COD)小于4 mg/L，溶解氧的质量浓度大于4 mg/L，余氯质量浓度小于0.5 mg/L，海水含沙量小于148 mg/L。

根据该项目目标海域的海水水质监测结果，海水中Cu2+和Hg2+质量浓度、COD、pH值、溶解氧质量浓度、余氯质量浓度都可以满足ORV的使用要求，但丰水期平均悬沙量达到211.2 mg/L，超出海水含沙量小于148 mg/L的建议值。该项目的海水取水渠接近水层0.6h(h为水深)，所监测0.6h水层悬沙的主要组分是粒径大于62.5 μm的沙、粒径在3.91～62.5 μm的粉沙和粒径在0.02～3.91 μm的黏土[9]，结合各监测点平均主要组分，沙、粉沙、黏土分别约占2%、73%、25%，其中粒径小于25 μm的细粉沙、极细粉沙、黏土和部分中粉沙占到总悬沙量的90%左右，见表1。

表1 LNG项目2012-07水质粒组分布监测结果 %

目前的海水过滤技术对大流量海水的过滤精度可以达到25 μm。海水中沙、粒径大于25 μm的部分粉沙、粒径小于25 μm的大部分粉沙和黏土是无法过滤的。但采用过滤装置后，丰水期悬沙量可降至约190 mg/L。

在我国已建的LNG接收站项目中，与此海水工况接近的项目普遍采用IFV作为主气化器使用，如上海LNG、宁波LNG、舟山LNG等项目，仅如东LNG项目选用ORV作为主气化器[10]。

4 全生命周期经济性分析

ORV换热翅片管表面Al-Zn合金涂层厚度为200 μm，一般采用火焰喷涂技术进行喷涂，主要作用是牺牲阳极保护、防止点蚀和涂层的磨损[11]。ORV设计寿命一般为25 a，在海水水质符合厂家推荐的条件下，涂层使用寿命一般为10 a，平均年磨损量约20 μm。若只考虑海水中的沙对ORV涂层的磨损，根据沙对Al-Zn合金涂层的磨损特性曲线，初步确定ORV涂层磨损是一个均匀累计效应[12]。因悬沙量190 mg/L为厂家建议数值148 mg/L的1.284倍，根据Al-Zn涂层磨损特性曲线，估算磨损量为建议值的1.9倍，即38 μm/a，因此本项目中单台正常运行的ORV涂层的寿命估算为5.26 a。

参照如东LNG项目的涂层实际运行消耗情况，发现涂层理论计算厚度均小于实际检测结果，计算值比较保守。同时，在新建项目配套天然气管网设施未投用或下游用户用气量不足的情况下，会出现少外输或没有外输的工况，ORV不具备长期满负荷运行的条件，也使设备涂层维护周期间接延长。单台ORV涂层喷涂维护价格约100万元，在设备长周期满负荷运行情况下，全生命周期内共需补涂4次，总维护费用400万元。

IFV对海水水质条件要求较低，与海水接触部分采用了钛合金材料。钛合金材料具有良好的抗腐蚀性能，能在海水水质较差的情况下使用，具有良好的低温性能，使用温度可达-269 ℃，其强度高，设计压力可达35 MPa。在海水含沙量较大、重金属离子超标的情况下，主要选用IFV[13]。

通过对各种类型气化器的比较，从安全性及维护成本考虑，对于以海水为热源的气化器，使用IFV最为可靠，但在与ORV具有相同气化能力的情况下，IFV经济上不具备优势。

5 结语

随着国内主要LNG气化器陆续实现国产化，气化器制造技术和热喷涂技术逐渐成熟，设备投资和维护成本进一步降低[14]。从技术和经济性两方面对两种主气化器进行分析，确定采用增加涂层喷涂次数的方法解决该LNG项目区域海水降低ORV涂层使用寿命的问题。从设备全生命周期投资角度考虑[15]，选用ORV在总投资上比选用IFV有明显优势，且操作方便、维护简单、启动时间快，因此，本项目中采用ORV作为主气化器。为满足冬季工况下的气态外输以及紧急和调峰情况的外输供气，选用启动速度快、投资少且占地少的SCV作为备用气化器，增强整个系统的可靠性。文中在依据海水水质选择LNG气化器的传统设计理念基础上，考虑设备全生命周期经济性，实现了项目的设计优化，大幅降低了设备投资，现场实际运行简单、可靠。

参考文献：

[1] 梅鹏程，邓春锋，邓欣.LNG气化器的分类及选型设计[J].化学工程与装备，2016(5)：65-70.

MEI P C，DENG C F，DENG X. Classification and selection of LNG vaporizer[J]. Chemical engineering & equipment，2016(5)：65-70.

[2] 张尚文.液化天然气开架式气化器工艺研究和设计[J].石油化工设备，2012，41(3)：25-29.

ZHANG S W. Process study and design of liquefied natural gas open rack vaporizer[J]. Petro-chemical equipment，2012，41(3)：25-29.

[3] 张韶.粤东LNG汽化器ORV的方案选择及技术要素的分析[J].中国新技术新产品，2011(24)：4-5.

ZHANG S. A technical analysis of heat exchangers in LNG plants and terminal[J]. New technologies and products of China，2011(24)：4-5.

[4] 曾伟，王良军，吴永忠，等.开架式海水汽化器(ORV)涂层失效分析[J].全面腐蚀控制，2015，29(4)：36-38，13.

ZENG W，WANG L J，WU Y Z，et al. Coating failure analysis of open rack vaporizers[J].Total corrosion control，2015，29(4)：36-38，13.

[5] 马文婷，陈彦泽，刘梦溪，等.国内液化天然气接收站海水气化器的比较与选择[J].石油化工设备，2014，43(4)：93-97.

MA W T，CHEN Y Z，LIU M X，et al. Comparison and selection of the domestic liquefied natural gas terminals’vaporizers[J].Petro-chemical equipment，2014，43(4)：93-97.

[6] 蔡宪和，秦锋.中间介质气化器国产化关键技术研究[J].中国海上油气，2013，25(4)：59-62，66.

CAI X H，QIN F. Research on key technologies for localization of intermediate fluid vaporizer[J]. China offshore oil and gas，2013，25(4)：59-62，66.

[7] 齐超，王博杰，易冲冲，等.浸没燃烧式气化器的运行特性及优化[J].化工学报，2015，66(S2)：198-205.

QI C，WANG B J，YI C C，et al. Operation characteristics and optimization of submerged combustion vaporizer[J]. CIESC journal，2015，66(S2)：198-205.

[8] 裘栋.LNG项目气化器的选型[J].化工设计，2011，21(4)：19-22，6.

QIU D. The type selection of evaporator for LNG project[J].Chemical engineering design，2011，21(4)：19-22，6.

[9] 张富元，章伟艳，张霄宇，等.深海沉积物分类与命名的参数指标和主成分分析[J].海洋学报(中文版)，2010，32(6)：118-129.

ZHANG F Y，ZHANG W Y，ZHANG X Y，et al. Indices of classification and nomenclature for deep-sea sediment and principal component analysis[J].Acta oceanologica sinica，2010，32(6)：118-129.

[10] 张成伟，马铁轮，盖晓峰，等.LNG接收站开架式气化器在高含沙海水工况下使用的探讨[J].石油工程建设，2007(6)：8-10，83.

ZHANG C W，MA T L，GAI X F，et al. Discussion on application of open rack vaporizers in highly sandy sea water condition[J]. Petroleum engineering construction，2007(6)：8-10，83.

[11] 王向宁，程绍杰，王金昌.开架式海水气化器换热管的防腐处理[J].石油化工腐蚀与防护，2015，32(1)：35-37.

WANG X N，CHENG S J，WANG J C. Corrosion protection for heat exchange tubes of sea water open-rack vaporizer[J]. Corrosion & protection in petrochemical industry，2015，32(1)：35-37.

[12] 刘宪军.电弧喷涂Al，Zn涂层和Al-Zn伪合金涂层的磨损性能[J].材料保护，2001，34(3)：10-11.

LIU X J. Wear performance of arc sprayed Al，Zn and Al-Zn pseudo alloy coatings[J]. Materials protection，2001，34(3)：10-11.

[13] 吕俊，王蕾.浙江LNG接收站项目气化器选型及系统优化[J].天然气工业，2008,28(2)：132-135，176-177.

LÜ J，WANG L. Selection of vaporizer types and optimization of vaporizer system in LNG receiving terminal project of Zhejiang province[J]. Natural gas industry，2008，28(2)：132-135，176-177.

[14] 李龙焕.LNG接收站核心设备及关键材料国产化的进展研究[J].现代工业经济和信息化，2017，7(4)：10-12，15.

LI L H. Research on the localization of core equipment and key materials in LNG receiving station[J]. Modern industrial economy and informationization，2017，7(4)：10-12，15.

[15] 尹清党，杨大根.开架式气化器完整性管理[J].设备管理与维修，2015(6)：14-16.

YIN Q D，YANG D G. Integrity management of open rack vaporizer[J]. Plant maintenance engineering，2015(6)：14-16.