王琦芳/中原油田天然氣處理廠

LNG撬裝提升預(yù)冷深度的研究

王琦芳/中原油田天然氣處理廠

在LNG撬裝混合冷劑制冷液化單元中，預(yù)冷機組主要是對冷箱的一級換熱器即預(yù)冷換熱器提供冷量。隨著氣溫升高，原料氣通過預(yù)冷冷箱后難以降低到理想溫度，對下一步深冷流程產(chǎn)生不利影響。為了解決預(yù)冷深度不足問題，并研究出在實際操作中，液化單元所需的預(yù)冷冷量、最佳的供冷調(diào)節(jié)方式，對預(yù)冷流程進(jìn)行了研究。

預(yù)冷工藝；理論分析；串并聯(lián)

圖1為某撬裝站預(yù)冷機組流程圖。

圖1 預(yù)冷機組流程

該預(yù)冷工藝流程主要研究內(nèi)容有：（1）分析環(huán)境因素對制冷循環(huán)的影響。（2）對比不同運行方式的運行效果。我們簡化計算方式，以冷端流體的吸熱為準(zhǔn)，無需計算換熱器UA、不需要考慮換熱面積、熱阻。

（1）BOG冷量計算

BOG氣體的流量較小，約為150m3/h，在換熱器中的溫升約為30℃，可以計算出：BOG每小時釋放6878kJ冷量，相當(dāng)于功率1.91kW。

（2）防凍液冷量計算

根據(jù)防凍液的流量和進(jìn)出換熱器的溫差進(jìn)行計算。預(yù)冷機組采用的是-35℃的防凍液，比熱容為3.18kJ/(kg·K)，密度為1070kg/m3。例如：防凍液流量為45m3/h，進(jìn)入冷箱溫度為-1.1℃，出冷箱溫度為4.7℃，所釋放冷量功率為888078/3600=246kW。

在實際操作中記錄的數(shù)據(jù)顯示：在原料氣溫度26℃左右，設(shè)計處理量1250m3/h附近范圍內(nèi)，防凍液釋放的冷量功率在180kW至220kW之間。隨著處理量上升，所需功率稍有上升；隨著NG入口溫度由25℃上升到45℃，設(shè)備的處理量有下降趨勢；所需要的預(yù)冷冷量也有所上升，從180kW上升到225kW。

處理量1250m3/h（30000m3/h）的原料氣，每降低1℃溫度僅需要0.71kW功率；同樣若處理量在1250m3/h左右浮動±100m3/ h時，理論上所需冷量也只有±8%的變化。由上兩圖分析可知，隨著NG入口溫度升高和處理量的升高，所需預(yù)冷冷量會增大，但是增加幅度有限，與理論分析基本相符。防凍液在預(yù)冷冷箱中放出230kW的冷量基本就可以抵消惡劣工況的影響。隨著NG入口溫度升高和處理量的升高，所需預(yù)冷冷量會增大，但是增加幅度有限，與理論分析基本相符。可以預(yù)計，防凍液在預(yù)冷冷箱中放出230kW的冷量基本就可以抵消惡劣工況的影響。同時通過計算可知兩臺機組串聯(lián)的運行效果要好于并聯(lián)運行。

（1）傳熱系數(shù)

一般用傳熱系數(shù)（或阻力）來表示換熱器的傳熱快慢。預(yù)冷機組的蒸發(fā)器為管殼式換熱器，防凍液走管程，為熱流體。冷箱中為板式換熱器，防凍液為冷流體。在換熱過程中傳熱阻力可以表示為：

在蒸發(fā)器中防凍液與換熱器壁的對流傳熱系數(shù)為：

可以看出傳熱系數(shù)與u0.8成正比，所以流體流速越大，傳熱系數(shù)α1越大，那么總的傳熱系數(shù)K也越大。串聯(lián)狀態(tài)下，防凍液循環(huán)量量約為47m3/h，并聯(lián)狀態(tài)下，防凍液防凍液循環(huán)量約為77m3/h。并聯(lián)的換熱器傳熱系數(shù)應(yīng)當(dāng)高于串聯(lián)。

（2）傳熱動力

溫差是冷熱流體之間熱量傳遞的動力，當(dāng)冷熱流體溫差過小時，可能會停止熱量傳遞。而換熱器的總熱流量Q可以表示為：

在預(yù)冷的蒸發(fā)器中，如果防凍液的流量qm增大，傳熱系數(shù)會變大，但是由于流量增大，會導(dǎo)致防凍液的出口溫度升高，進(jìn)入冷箱換熱器后，冷箱換熱器內(nèi)的熱流體與防凍液的平均溫差Δtm會變小，即換熱的推動力變小。

流量調(diào)節(jié)是改變防凍液的循環(huán)量，實質(zhì)上與串并聯(lián)的區(qū)別是相同的。增大流量可以增強傳熱系數(shù)，卻減小了傳熱溫差。實踐證明，對于冷箱來說，改變防凍液循環(huán)量并不是高效的調(diào)節(jié)方法；但是，卻可以高效調(diào)節(jié)壓縮機機頭的溫度。由3.4可知主冷電機壓縮機機頭需要冷量在10～20kW之間，而1m3/h流量的防凍液溫度升高1℃可以釋放冷量3.4kW冷箱，所當(dāng)電機溫度升高時，只需要稍微調(diào)大去往電機機頭的防凍液流量。

根據(jù)以上分析并結(jié)合實際操作的經(jīng)驗：兩臺小預(yù)冷串聯(lián)滿載運行，可以承載最大的熱負(fù)荷；串聯(lián)降載運行可以承載較低的熱負(fù)荷；在熱負(fù)荷更低的情況下可以運行一臺預(yù)冷機組。本項目的研究工作，對解決氣候炎熱導(dǎo)致天然氣液化裝置產(chǎn)量下降的難題作出了指導(dǎo)，總結(jié)為以下幾個方面：

（1）采用增大預(yù)冷冷量，提高預(yù)冷深度的方法，克服了環(huán)境因素不利影響。將產(chǎn)量提升了20.5%，并提供了靈活高效的供冷量調(diào)節(jié)方式。

（2）通過量化計算說明了預(yù)冷循環(huán)熱傳熱效率變化范圍極大，分析了環(huán)境因素對工藝流程各環(huán)節(jié)的影響。防凍液在蒸發(fā)器中吸收的冷量大量耗散。環(huán)境因素主要通過對預(yù)冷循環(huán)傳熱效率的影響來影響預(yù)冷供冷能力。