LNG接收站次氯酸鈉投加量確定及產(chǎn)生裝置選擇

焦月明 陳 帥 楊 力 敬興龍

1.新疆華隆油田科技股份有限公司 2.中石油大連液化天然氣有限公司

LNG接收站次氯酸鈉投加量確定及產(chǎn)生裝置選擇

焦月明1陳 帥2楊 力1敬興龍1

1.新疆華隆油田科技股份有限公司 2.中石油大連液化天然氣有限公司

LNG接收站通常采用海水作為氣化LNG的熱媒,但實(shí)際運(yùn)行中,卻存在海洋微生物滋生、附著管道及設(shè)備的風(fēng)險。因此，LNG接收站通常會在海水取水口處投加次氯酸鈉(NaClO)，但NaClO投加量及產(chǎn)生裝置卻是其必須考慮的問題。首先,分析了投加量的影響因素及評價標(biāo)準(zhǔn)，并以大連LNG接收站為例說明投加量的具體確定方法；其次，分析了電解海水制NaClO裝置及NaClO溶液直接投加裝置，并計算了二者的運(yùn)行成本；最后，就兩種裝置的優(yōu)劣進(jìn)行對比分析。結(jié)果顯示，電解海水制NaClO裝置具有運(yùn)行成本低、NaClO即產(chǎn)即用的優(yōu)點(diǎn)；而NaClO溶液直接投加裝置則具有前期投資費(fèi)用低、裝置簡單和建造面積小的優(yōu)點(diǎn)。

LNG接收站 海洋微生物 次氯酸鈉 投加量 電解海水

開架式氣化器(ORV)作為LNG接收站最重要的氣化裝置,采用海水與LNG換熱來氣化LNG。海水由ORV換熱管束面板頂部緊貼管束外壁往下流，將管束內(nèi)部由下往上的LNG氣化為天然氣，而海水則從接收站海水取水口進(jìn)入海水泵泵井；之后由海水泵加壓經(jīng)海水管線送入ORV,氣化LNG；換熱后的海水經(jīng)接收站海水排放渠排至大海(見圖1)。在整個海水流動過程中，都存在海洋微生物滋生、附著于設(shè)備及海水管線的風(fēng)險。當(dāng)海藻在海水泵吸入口滋生并附著，就會影響海水吸入量，而貝類被海水泵吸入時則可能損壞其葉片，導(dǎo)致海水泵的損壞；而海水管道內(nèi)的微生物則可能影響海水流動的暢通，嚴(yán)重時可能會損傷海水管道。ORV海水槽若滋生并吸附了微生物，則會直接導(dǎo)致?lián)Q熱面板海水分布不均勻，損壞ORV；而換熱管束面板吸附的微生物則會降低ORV的換熱效率[1-3]。因此，為了防止微生物滋生，LNG接收站通常會在海水取水口投加NaClO。NaClO投加量的確定及產(chǎn)生裝置的選擇是接收站需要考慮的重點(diǎn)問題。

1 NaClO投加量確定

1.1 影響投加量的因素

LNG接收站NaClO投加量主要受海洋生物種類、數(shù)量、海水流量、海水管線長短及海水溫度變化的影響[4]。

(1) 海洋生物種類、數(shù)量的影響。海域不同，海洋生物的種類及數(shù)量也有較大差異。海水質(zhì)量較好的地區(qū)，微生物的種類相對較少，且數(shù)量也較少，對NaClO的消耗量也較少。反之，海水質(zhì)量較差的地區(qū)，對NaClO的消耗量則明顯較大。所以，不同LNG接收站，其他因素相同的情況下，NaClO的投加量也存在差異。

(2) 海水流量的影響。抑制海水微生物滋生的效果主要取決于海水中NaClO的濃度，而濃度的大小直接受到海水流量的影響。當(dāng)海水流量較大，需要的投加量也自然較大，反之，則較小。而海水流量則主要取決于海水泵額定流量及海水泵的運(yùn)行臺數(shù)。

(3) 海水管線長短的影響。海水在管線內(nèi)流動時，NaClO也會隨之流動而自然分解。若海水管線較長，則流至ORV處的時間也較長，使得ORV處NaClO濃度較低，取水口處投加量也自然較大；反之，若海水管線較短，則ORV處的NaClO濃度較高，投加量也相對較少。

(4) 海水溫度變化的影響。當(dāng)海水溫度較高時，海洋中的微生物數(shù)量也較高；溫度較低時，微生物數(shù)量則較低。因此，當(dāng)海水溫度較高時，NaClO的投加量會比海水溫度較低時多。

1.2 投加量評價標(biāo)準(zhǔn)

NaClO投加量過低，會導(dǎo)致設(shè)備及管道微生物的滋生、附著，影響設(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時更可能損壞設(shè)備或管道；而投加量過大，不僅增加能耗成本，也會污染環(huán)境，還可能降低設(shè)備及管道的使用壽命。所以，投加適當(dāng)量的NaClO非常重要。而評價LNG接收站NaClO投加量的合理性，主要看其是否滿足如下標(biāo)準(zhǔn)：

(1) 該投加量能夠有效抑制海洋生物的滋生與附著。評價標(biāo)準(zhǔn)：檢查ORV海水槽及換熱管束面板無海洋生物。同時，每年海水管道檢修，檢查管道內(nèi)無海洋生物附著。

(2) 投加量屬于設(shè)備運(yùn)行要求的范圍。評價標(biāo)準(zhǔn)：觀察設(shè)備及管道內(nèi)無明顯NaClO氧化跡象。同時，定期對設(shè)備及管道內(nèi)海水進(jìn)行化驗(yàn)分析，檢測其余氯濃度正常。

(3) 排?？谔幒Ｋ嗦葷舛仍诃h(huán)保要求范圍內(nèi)。評價標(biāo)準(zhǔn)：余氯質(zhì)量濃度不得超過0.2 mg/L。

1.3 投加量確定

在整個海水取水、換熱和管輸過程中，LNG接收站通常設(shè)置4個余氯濃度監(jiān)測點(diǎn)(見圖2)。分別為：產(chǎn)生裝置出口AI1、投加點(diǎn)出口AI2、ORV出口AI3和排海口AI4。AI1主要用于檢測NaClO產(chǎn)生裝置是否達(dá)到設(shè)計要求；AI2則用于檢測投加后海水泵出口管線處余氯；AI3主要用于確定ORV無海洋微生物滋生、附著時的余氯濃度；AI4則是用于保證排?？谔幒Ｋ嗦冗_(dá)到環(huán)保要求。實(shí)際操作中，AI1、AI3處的余氯濃度通過手動取樣、化驗(yàn)分析獲得[5]；AI2、 AI4則通過在線余氯檢測表實(shí)時監(jiān)測。投加量的計算如下：

(1) 根據(jù)1.2所述，在滿足ORV海水槽及換熱管束面板無海洋生物，同時排?？谟嗦荣|(zhì)量濃度小于0.2 mg/L的條件下，由設(shè)備自身特性計算出AI1處的余氯濃度。

(2) 根據(jù)設(shè)備每小時產(chǎn)生的NaClO溶液量確定NaClO投加量。

下面以大連LNG接收站為例，說明電解海水NaClO裝置投加量的具體確定方法。

1.3.1由電流求解余氯濃度

電解海水制NaClO裝置的關(guān)鍵設(shè)備為NaClO發(fā)生器，而NaClO發(fā)生器的主要設(shè)備為電解槽。電解槽的陽極為鈦涂層，陰極為鈦板，在兩極間通上直流電解電流(以下簡稱電流)。此時，電解槽中的海水即在其內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)(見表1)。通過改變電流的大小可控制電化學(xué)反應(yīng)的速度，即通過控制電流調(diào)節(jié)NaClO產(chǎn)生量(實(shí)際運(yùn)行中則表現(xiàn)為海水NaClO溶液中余氯濃度的變化)。表2所列為大連LNG接收站電解海水制NaClO裝置設(shè)備驗(yàn)收時，兩臺NaClO發(fā)生器(G-2301A、G-2301B)在不同電流下運(yùn)行，實(shí)測的NaClO溶液余氯濃度與電流的對應(yīng)情況。

表1 電解海水制NaClO電化學(xué)反應(yīng)Table1 Electrochemicalreactionofsodiumhypochloriteproductionbyseawaterelectrolysissystem項目反應(yīng)式陽極2Cl--2e-=Cl2↑陰極2H++2e-=H2↑未參與電解離子反應(yīng)Na++OH-=NaOH中間反應(yīng)1Cl2+H2O=HClO+HCl中間反應(yīng)2HCl+NaOH=NaCl+H2O中間反應(yīng)3HClO+NaOH=NaClO+H2O

表2 電流與余氯濃度對應(yīng)表Table2 CorrespondingtableofelectriccurrentandresidualchlorineconcentrationG-2301A電流/A060080010001150ρ(余氯)/(mg·L-1)0868.701214.051620.851881G-2301B電流/A060080010001150ρ(余氯)/(mg·L-1)0961.901275.001693.601957.35

根據(jù)表2數(shù)據(jù)和該設(shè)備廠商給出的“電流與余氯濃度呈線性關(guān)系的結(jié)論”，通過MATLAB作出其散點(diǎn)圖(見圖3)，并通過線性擬合得出電流與余氯濃度的關(guān)系式，見式1。

(1)

式中，n1為G-2301A產(chǎn)生NaClO的余氯質(zhì)量濃度，mg/L；n2為G-2301B產(chǎn)生NaClO的余氯質(zhì)量濃度，mg/L；I為發(fā)生器電流，A。

1.3.2確定NaClO投加量

根據(jù)1.2所述，NaClO投加量會受到海水流量的限制。因此，下面以一臺海水泵運(yùn)行(海水泵額定流量為9 000 m3/h)為例計算NaClO投加量。

大連LNG接收站單臺NaClO發(fā)生器運(yùn)行時，裝置每小時產(chǎn)生的NaClO溶液量為16 m3/h。據(jù)1.3.1節(jié)得到的余氯濃度，再由式(2)計算出NaClO投加量。

(2)

式中，m1為G-2301A運(yùn)行時NaClO投加量，kg；m2為G-2301B運(yùn)行時NaClO投加量，kg；v1為G-2301A運(yùn)行時NaClO溶液量，16 m3/h ；v2為G-2301B運(yùn)行時NaClO溶液量，16 m3/h 。

表3 大連LNG接收站NaClO投加量分析具體數(shù)據(jù)Table3 AnalysisdataofsodiumhypochloritedosagesysteminDalianLNGTerminal檢測項目2014-05-012014-08-01海水溫度/℃8.6719.23運(yùn)行發(fā)生器AB電流/A250300ρ(AI1余氯)/(mg·L-1)364.8481.65發(fā)生器流量/(m3·h-1)1616NaClO投加量/(kg·h-1)5.8377.146海水泵流量/(m3·h-1)91508900ρ(AI2余氯)/(mg·L-1)0.6060.752ORV處有無海洋微生物無無ρ(AI3余氯)/(mg·L-1)0.1930.224ρ(AI4余氯)/(mg·L-1)0.1040.101

由于海水中余氯濃度的需求受到季節(jié)變化(海水溫度)的影響，所以導(dǎo)致不同季節(jié)AI3處的目標(biāo)值也不一樣(即投加量不同)。因此，根據(jù)以上方法，大連LNG接收站確定了不同季節(jié)(海水階段溫度)所對應(yīng)的NaClO投加量。表3給出了2014年5月1日和8月1日的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)及情況。

2 NaClO產(chǎn)生裝置分析

LNG接收站NaClO產(chǎn)生裝置主要包括電解海水制NaClO裝置(國內(nèi)普遍使用)和NaClO溶液直接投加裝置(國外有使用)，兩裝置各有其優(yōu)缺點(diǎn)。不同的LNG接收站怎樣根據(jù)自身的情況，選擇適合的裝置是其建設(shè)期面臨的重要問題。下面對兩種裝置進(jìn)行介紹、分析及對比，以便為接收站的選擇提供參考和依據(jù)。

2.1 電解海水制NaClO裝置

電解海水制NaClO裝置的工藝流程圖如圖4所示。從海水管道引入海水至裝置，經(jīng)海水增壓泵加壓后通過過濾器送入NaClO發(fā)生器電解出NaClO溶液。NaClO溶液進(jìn)入儲罐儲存，經(jīng)投加泵(沖擊投加泵)送至海水投加點(diǎn)(圖1取水口處)。在整個過程中，海水增壓泵將通過FT1流量計變頻控制其出口流量。當(dāng)一臺NaClO發(fā)生器運(yùn)行時，控制其出口流量為17 m3/h,而兩臺NaClO發(fā)生器一起運(yùn)行則控制出口流量為34 m3/h。投加泵以FT2為目標(biāo)流量，通過變頻來保證其出口流量穩(wěn)定。若一臺NaClO發(fā)生器運(yùn)行，則其出口流量為16 m3/h，兩臺則為32 m3/h；沖擊投加泵則根據(jù)儲罐液位來啟停。同時，在電解海水制NaClO的過程中會產(chǎn)生氫氣。因此，風(fēng)機(jī)抽入的空氣將有效控制其濃度在爆炸極限(4%～75.6%，體積分?jǐn)?shù))之下[6]，保證設(shè)備的安全正常運(yùn)行。

電解海水制NaClO裝置的運(yùn)行成本主要為耗電所產(chǎn)生的費(fèi)用，而電耗又包括變動部分與固定部分。變動部分是指由于NaClO需求量不同，而使得加載于NaClO發(fā)生器上的電流也不同(正常運(yùn)行時，其兩端電壓為110 V)，最后導(dǎo)致其耗電量也不一樣。以表3中5月1日的數(shù)據(jù)為例，可推算出運(yùn)行多臺泵時的功率(見表4)；而固定部分則是裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時其功率幾乎保持不變的耗電設(shè)備(主要為機(jī)泵、機(jī)柜、照明等)，表5列出了對應(yīng)設(shè)備的額定功率。以當(dāng)前工業(yè)用電價格0.7元/kW·h來計，得出不同臺數(shù)海水泵運(yùn)行電解海水制NaClO裝置的運(yùn)行成本(見表6)。

表4 不同臺數(shù)海水泵運(yùn)行時NaClO發(fā)生器功率Table4 Powerofdifferentnumbersofseawaterpumpsforsodiumhypochloritegenerator海水泵運(yùn)行臺數(shù)1234電流/A2505007501000功率/kW27.555.082.5110.0

表5 設(shè)備額定功率Table5 Ratedpoweroftheequipments設(shè)備風(fēng)機(jī)海水增壓泵投加泵其他合計功率/kW0.754.007.502.2514.50

表6 不同臺數(shù)海水泵運(yùn)行電解海水制NaClO裝置運(yùn)行成本Table6 Operatingcostsofsodiumhypochloritegeneratingunitsviaseawaterelectrolysisprocesswithdifferentnumberofseawaterpump海水泵運(yùn)行臺數(shù)1234功率/kW42.069.597.0124.5費(fèi)用/(元·h-1)29.4048.6567.9087.15費(fèi)用/(萬元·年-1)25.754442.617459.480476.3434

2.2 NaClO溶液直接投加裝置

若購買NaClO溶液進(jìn)行投加，則在LNG接收站設(shè)立直接投加裝置即可。直接投加裝置的工藝流程如圖5所示。裝置中設(shè)置了一臺NaClO儲液罐，用于儲存直接購買的10%～12%的NaClO溶液，購買的溶液通過加注口直接注入儲液罐內(nèi)。儲液罐設(shè)置了溢流口、排凈口和液位計，用于保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。正常投加時，通過開啟閥門MV03，分別調(diào)節(jié)MV04、MV05、MV06、MV07閥門開度，將10%～12%的NaClO溶液投加至取水口處。

當(dāng)前,10%～12%的NaClO溶液價格為750～1 000元/t，以11%溶液的平均價格875元/t計算，NaClO價格為7.95元/kg。由此得出不同臺數(shù)海水泵運(yùn)行所對應(yīng)的成本(見表7)。

表7 不同臺數(shù)海水泵運(yùn)行成本Table7 Operatingcostsofdifferentnumbersofseawaterpumps海水泵運(yùn)行臺數(shù)1234投加量/(kg·h-1)5.83711.67417.51123.348單位時間內(nèi)成本/(元·h-1)46.4092.80139.20185.60單位時間內(nèi)成本/(萬元·年-1)40.646481.2928121.9392162.5856

2.3 對比分析

(1) 從上述分析可以看出，電解海水制NaClO裝置明顯比NaClO溶液直接投加裝置復(fù)雜得多。因此，其維護(hù)費(fèi)用和故障風(fēng)險也比較大。

(2) 根據(jù)電解海水制NaClO裝置設(shè)備廠商的要求，當(dāng)海水溫度低于2.5 ℃，電解電流不得超過200 A，超過此電流值會導(dǎo)致電解槽陽極鈦涂層的損壞。但從大連LNG接收站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，當(dāng)海水溫度低于2.5 ℃時，若兩臺NaClO發(fā)生器同時運(yùn)行，能滿足4臺海水泵運(yùn)行的NaClO需求；但如果接收站按計劃增加海水泵臺數(shù)至7臺，則需至少再增加一臺NaClO發(fā)生器才能滿足。而若采用NaClO溶液直接投加裝置則不會面臨此問題。

(3) 由于NaClO穩(wěn)定性較差，所以讓NaClO無分解保存是采用NaClO溶液直接投加裝置所面臨的重要問題[7-8]，而電解海水制NaClO裝置則無此問題。

(4) 根據(jù)2.1節(jié)和3.1節(jié)的運(yùn)行成本估算，采用電解海水制NaClO裝置的運(yùn)行成本比較低，若運(yùn)行1臺海水泵則每年可節(jié)約15萬元左右，運(yùn)行4臺海水泵每年則可節(jié)約85萬元左右。同時，隨著海水泵臺數(shù)的增加，節(jié)約的費(fèi)用也會增加。

(5) 電解海水制NaClO裝置的運(yùn)行成本較低，但其前期投資卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于NaClO溶液直接投加裝置(見表8)，同時建造面積也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于NaClO溶液直接投加裝置。

表8 兩裝置前期投資對比Table8 Comparisonoffront-endinvestmentsbetweentwotypesofsodiumhypochloritegeneratingsytems項目電解海水制NaClO裝置NaClO溶液直接投加裝置設(shè)備投資/萬元57015安裝及調(diào)試費(fèi)用/萬元461.2占地面積/m22705土建費(fèi)用/萬元67.51.5前期投資共計/萬元683.517.7

表9列出了NaClO兩種產(chǎn)生裝置的對比情況。

表9 NaClO產(chǎn)生裝置對比Table9 Comparisonoftwotypesofsodiumhypochloritegenerationunits對比項目電解海水制NaClO裝置NaClO溶液直接投加裝置裝置復(fù)雜程度復(fù)雜簡單運(yùn)行風(fēng)險、維護(hù)難度大小是否受海水溫度影響是否是否面臨NaClO穩(wěn)定性差,保存困難的問題否是裝置占地面積大小前期投資費(fèi)用高低運(yùn)行成本低高

3 結(jié) 論

(1) LNG接收站在確定NaClO投加量時，關(guān)鍵是找到不同海水溫度ORV海水槽及換熱管束面板無微生物滋生及附著時的最小余氯濃度，并保證排?？诘挠嗦葷舛刃∮诃h(huán)保要求。

(2) 電解海水制NaClO裝置具有運(yùn)行費(fèi)用低和NaClO即刻生產(chǎn)即刻使用的優(yōu)點(diǎn)，但同時存在裝置復(fù)雜、低溫海水時可能損害發(fā)生器電解陽極涂層的風(fēng)險和前期投資成本高、占地面積大的缺陷。

(3) NaClO溶液直接投加裝置具有裝置簡單、NaClO投加量不受環(huán)境影響和前期投資少、占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，但存在NaClO溶液保存條件苛刻和運(yùn)行費(fèi)用高的缺點(diǎn)。

(4) 對于外輸量大(即海水流量大)、同時有足夠建造面積的LNG接收站，可選擇電解海水制NaClO裝置；反之，外輸量小、建造面積較小的LNG接收站則可采用NaClO溶液直接投加裝置。

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SodiumhypochloritedosagedeterminationandgenerationunitselectionofLNGterminal

JiaoYueming1,ChenShuai2,YangLi1,JingXinglong1

(1.XinjiangHualongOilfieldTechnologyCompanyLimited,Karamay834000,China)(2.PetroChinaDalianLiquefiedNaturalGasCompanyLimited，Dalian116600,China)

LNG terminals usually use seawater as heat medium to gasify LNG. But in the actual operation, there are risks that marine microbes multiply and adhere to pipes and units. Therefore, LNG terminals usually add sodium hypochlorite at the seawater intake, but the dosage and generation units are questions needed to be answered. Firstly, the factors affecting the dosage and its evaluation criteria were analyzed and the dosage determination process was illustrated with Dalian LNG Terminal as a case study. Then, two types of generation units， seawater electrolysis system and sodium hypochlorite solution direct dosing system，were introduced and each running cost was calculated respectively. Finally, the advantages and disadvantages of the two systems were analyzed. From the comparison, seawater electrolysis system had the benefits of lower running costs and could be used immediately after production; on the other hand, sodium hypochlorite solution direct dosing system had the advantages of lower front-end costs, more simple device, and less footprint.

LNG terminal, marine microbe, NaClO, dosage, electrolysis seawater

焦月明(1963-)，男，大學(xué)本科，工程師，畢業(yè)于中國石油大學(xué)工商管理專業(yè)?，F(xiàn)任職于新疆華隆油田科技股份有限公司，主要從事油田化學(xué)、數(shù)字油田、液化天然氣等相關(guān)領(lǐng)域工程技術(shù)研究及管理工作。E-mailarchno1@163.com

陳帥(1986-)，男，大學(xué)本科，助理工程師，測控技術(shù)與儀器專業(yè)?，F(xiàn)任職于中石油大連液化天然氣有限公司，主要從事LNG接收站運(yùn)營、管理工作。E-mail64336992@qq.com

TE642

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2015.03.025

2014-09-10；編輯鐘國利