王順學(xué)　丁歡　畢海勝

摘 要 通過(guò)對(duì)LNG接收站內(nèi)不同類型的兩種開(kāi)架式氣化器（ORV）的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、運(yùn)行參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比，分析兩種氣化器的性能特點(diǎn)，并提出改進(jìn)建議，為L(zhǎng)NG接收站的運(yùn)行提供參考。

關(guān)鍵詞 LNG接收站 開(kāi)架式氣化器 性能對(duì)比 設(shè)備選型

中圖分類號(hào) TE8? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B? ?文章編號(hào) 0254?6094（2023）02?0273?05

“雙碳”背景下能源轉(zhuǎn)型從“十四五”起跑，天然氣迎來(lái)重要的發(fā)展機(jī)遇，隨著近年來(lái)我國(guó)進(jìn)口天然氣規(guī)模持續(xù)攀升，LNG接收站作為進(jìn)口LNG接收終端，在我國(guó)沿海地區(qū)快速興起。LNG接收站主要是對(duì)LNG船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)腖NG進(jìn)行接收和儲(chǔ)存，且在增壓和氣化之后輸送到天然氣管網(wǎng)。在LNG接收站的運(yùn)行過(guò)程中，LNG氣化是接收站運(yùn)行的關(guān)鍵工藝流程。

目前國(guó)內(nèi)接收站在用的LNG氣化器主要有開(kāi)架式氣化器（Open Rack Vaporizer，ORV）、中間介質(zhì)氣化器（Interme?diate Fluid Vaporizer，IFV）和浸沒(méi)燃燒式氣化器（Submerged Combustion Vaporizer，SCV）3種。氣化器是LNG接收站中不可或缺的核心設(shè)備之一，隨著LNG接收站的大規(guī)模投產(chǎn)應(yīng)用，ORV逐漸成為最主要的氣化器類型［1］。ORV較其他兩類氣化器優(yōu)勢(shì)明顯［2，3］：一是工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定且使用壽命長(zhǎng)；二是ORV降低能耗效果顯著。根據(jù)相關(guān)測(cè)算數(shù)據(jù)，一臺(tái)ORV的生產(chǎn)成本僅為SCV生產(chǎn)成本的十分之一，從運(yùn)行能耗上看，ORV僅在海水泵、海水過(guò)濾和海水凈化方面消耗電能，而SCV除去鼓風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備耗能之外，還會(huì)消耗站內(nèi)大量的燃料氣。ORV因其結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)作成本低、負(fù)荷范圍寬、氣化效果好、能耗低、運(yùn)行維護(hù)便捷成為接收站氣化單元的首選［3］。

筆者以中石油江蘇液化天然氣有限公司所使用的設(shè)備為例，對(duì)不同的ORV氣化器結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成性能差異和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，提出改進(jìn)建議，并比較分析出兩種換熱器在不同環(huán)境下的性能優(yōu)勢(shì)。

1 LNG接收站工藝流程

LNG接收站一般具有LNG卸船儲(chǔ)存、BOG（Boil?off Gas）處理、氣化外輸?shù)裙δ埽?］，如圖1所示。LNG一般情況在-162 ℃、常壓（微正壓）儲(chǔ)存。由于LNG儲(chǔ)罐漏熱致外部熱量滲入而產(chǎn)生蒸發(fā)氣體即BOG，BOG匯入總管經(jīng)BOG壓縮機(jī)增壓至約0.70 MPa，進(jìn)入再冷凝器重新冷凝成LNG。LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的液體經(jīng)罐內(nèi)LNG低壓泵增壓至1.20 MPa，其中一小部分進(jìn)入再冷凝器頂部吸收BOG壓縮機(jī)增壓后的BOG，并使其再冷凝為L(zhǎng)NG，從再冷凝器底部出來(lái)的LNG與主路LNG匯合，并通過(guò)高壓泵進(jìn)一步增壓至10.0 MPa后輸送至氣化器，氣化后經(jīng)過(guò)外輸管道進(jìn)入輸氣干線。

2 ORV氣化器介紹

英國(guó)Marston Excelsior開(kāi)發(fā)了第1臺(tái)ORV氣化器，并將該設(shè)備安裝于英國(guó)的肯維島上。隨后，日本東京燃?xì)馀c住友精密工業(yè)株式會(huì)社合作，開(kāi)發(fā)出性能更好的ORV，并且得到世界LNG行業(yè)內(nèi)的認(rèn)可［5］。ORV的工作原理是以海水為熱源進(jìn)行換熱，在運(yùn)行過(guò)程中，從海水槽溢流堰溢出的海水在換熱板片上形成平整均勻的液膜，隨著重力自上而下流動(dòng)，-162 ℃的LNG在液相分配系統(tǒng)增壓后，進(jìn)入ORV換熱板片內(nèi)管，自下而上在換熱管內(nèi)流動(dòng)，與海水流動(dòng)形成對(duì)流兩者進(jìn)行傳熱，LNG隨之氣化后升溫至1 ℃以上，進(jìn)入外輸管線，具有運(yùn)輸成本低、安全可靠的特點(diǎn)［6，7］。其工作流程圖如圖2所示。

3 不同ORV設(shè)備的對(duì)比

ORV是LNG接收站使用最為廣泛、頻率最高的氣化設(shè)備之一。ORV的設(shè)計(jì)制造具有多學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)，涉及熱工計(jì)算、低溫兩相流高效換熱管設(shè)計(jì)制造技術(shù)、高精度海水分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制備、多層金屬過(guò)渡接頭制備、ORV表面處理技術(shù)、焊接集成建造技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。由于國(guó)外技術(shù)封鎖，國(guó)內(nèi)LNG接收站在ORV國(guó)產(chǎn)化之前大部分使用神戶制鋼所株式會(huì)社和住友精密工業(yè)株式會(huì)社兩家公司的產(chǎn)品，不但價(jià)格高而且供貨周期長(zhǎng)，影響LNG接收站的建設(shè)周期。筆者針對(duì)神戶制鋼和住友兩家公司生產(chǎn)的ORV，從換熱管結(jié)構(gòu)、設(shè)備性能、運(yùn)行參數(shù)等方面進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 換熱管結(jié)構(gòu)差異

ORV的換熱管是開(kāi)架式氣化器換熱的基本單元，也是ORV中最重要的核心部分，一般采用星型翅片結(jié)構(gòu)，管內(nèi)增加螺旋插入物，以增加換熱管的換熱面積，提高換熱效率。換熱管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要綜合考慮換熱效率、翅片結(jié)構(gòu)、承壓、外表面對(duì)海水的分布及抗振動(dòng)性等因素［8，9］。圖3為兩個(gè)不同廠家ORV的翅片管形狀。

神戶制鋼和住友生產(chǎn)的兩種翅片管主要存在以下差異：

a. 管外采用了兩種不同的翅片結(jié)構(gòu)，住友產(chǎn)品翅片管的翅片呈中心發(fā)射狀排布，翅片端部較鈍；而神戶制鋼產(chǎn)品翅片管的翅片垂直于中心截面向上或向下排布，呈尖角結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)都能夠?qū)Ｋぷ陨隙铝鲃?dòng)起到較好的導(dǎo)向作用。但從實(shí)際運(yùn)行情況看，住友翅片管表面海水與管壁貼合較好，海水液膜分布較好。

b. 翅片管表面積不同。住友產(chǎn)品翅片管的截面周長(zhǎng)約365 mm，神戶制鋼產(chǎn)品翅片管的截面周長(zhǎng)約289 mm，單根換熱管與海水接觸面積住友產(chǎn)品明顯大于神戶制鋼產(chǎn)品。

3.2 換熱管材質(zhì)差異

根據(jù)廠家提供的資料，住友ORV的翅片管材料為5052鋁合金，LNG集管和NG集管材料為5083鋁合金，神戶制鋼的ORV翅片管材料為6063鋁合金，LNG集管和NG集管材料為5083鋁合金。5052鋁合金屬為低Mg含量，不能經(jīng)熱處理強(qiáng)化的鋁合金，Mg含量在2.2%～2.8%之間，具有良好的耐蝕性、塑性高、成型及焊接性能良好等特點(diǎn)，而6063鋁合金屬于可熱處理強(qiáng)化的Al?Mg?Si系鋁合金。該合金強(qiáng)度中等，具有良好的可擠壓性，較好的耐蝕性，可焊接性能較好。

3.3 運(yùn)行性能差異

在相同海水溫度、流量和LNG流量下，住友ORV換熱海水跟換熱翅片的貼合度更高，因此換熱效率更高。依據(jù)江蘇LNG接收站冬季運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況，住友ORV結(jié)冰高度較神戶制鋼ORV低，說(shuō)明住友ORV的氣化能力較神戶制鋼ORV的氣化能力強(qiáng)。例如：在海水溫度為5.5 ℃、LNG流量為130 t/h時(shí)，神戶制鋼ORV結(jié)冰高度峰值為0.50 m，住友ORV結(jié)冰高度峰值為0.40 m。在海水溫度持續(xù)下降時(shí)，兩種氣化器的氣化性能呈現(xiàn)不同的變化，具體如圖4所示。

3.4 防護(hù)涂層差異

神戶制鋼和住友生產(chǎn)的ORV表面均采用熱噴涂鋁鋅涂層的防腐處理方式［10］。從涂層厚度的測(cè)量數(shù)據(jù)看，神戶制鋼ORV表面上的涂層厚度較住友ORV薄，翅片管上涂層厚度一般在150 μm左右，集管上涂層厚度一般在300 μm左右。江蘇LNG接收站使用的3臺(tái)住友生產(chǎn)的ORV在連續(xù)運(yùn)行25 000 h后達(dá)到維修標(biāo)準(zhǔn)，涂層出現(xiàn)不同程度的鼓包、脫落，集管與換熱管連接處的焊縫邊緣出現(xiàn)基體腐蝕的情況，翅片管翅片的部分位置出現(xiàn)基體腐蝕問(wèn)題。使用的一臺(tái)神戶制鋼生產(chǎn)的ORV，在連續(xù)運(yùn)行2 000多小時(shí)后，集管表面出現(xiàn)大量涂層脫落點(diǎn)，脫落點(diǎn)直徑在5 mm左右。

根據(jù)ORV廠家提供的資料分析，影響ORV涂層使用壽命的因素主要有海水含金屬Hg2+和Cu2+濃度、海水含沙量和使用海水溫度［11］。江蘇LNG海域海水含金屬陽(yáng)離子的取樣分析和海水溫度均滿足使用要求。但是江蘇LNG海域?yàn)楦吆沉亢Ｓ?，ORV換熱海水含沙量的建議值為148 mg/L，本海域含沙量取樣分析均值為389.3 mg/L，海域深度均值為-6 m，海水含沙量測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，由此可知ORV涂層脫落的主要因素是海水含沙量大，進(jìn)而對(duì)換熱效率也產(chǎn)生了一定的影響。

4 改進(jìn)措施

通過(guò)對(duì)兩種進(jìn)口ORV的參數(shù)、性能、材料和結(jié)構(gòu)的分析，目前已基本實(shí)現(xiàn)ORV產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化并首次在江蘇LNG接收站實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，從國(guó)產(chǎn)化ORV使用情況來(lái)看：雖然單個(gè)翅片管的翅片數(shù)量明顯少于進(jìn)口產(chǎn)品，節(jié)省了材料成本，但在海水槽水流分布機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上明顯不足，導(dǎo)致整體換熱效率低于進(jìn)口產(chǎn)品，冬季溫度低于5 ℃情況下翅片結(jié)冰厚度明顯高于進(jìn)口ORV產(chǎn)品；另外ORV表面涂層抗腐蝕沖刷能力較進(jìn)口產(chǎn)品略差，維護(hù)周期一般3年（進(jìn)口產(chǎn)品一般5～6年），影響了設(shè)備的實(shí)際使用壽命，增大維修成本。

上述分析可為國(guó)產(chǎn)化氣化器的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。筆者建議國(guó)內(nèi)ORV生產(chǎn)廠家針對(duì)海水槽水流分布結(jié)構(gòu)與ORV換熱性能提升方面開(kāi)展相關(guān)的研究改進(jìn)工作，提高海水與換熱翅片的有效接觸面，進(jìn)而提高換熱效率，提高ORV在低溫環(huán)境下的運(yùn)行能力，擴(kuò)大ORV的溫度使用范圍，為L(zhǎng)NG接收站的節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)；另外針對(duì)惡劣海況，進(jìn)一步優(yōu)化提升國(guó)產(chǎn)ORV表面涂層抗沖刷和耐腐蝕性能，從涂層材料配比、施工工藝上進(jìn)行改進(jìn)，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，降低LNG接收站的維護(hù)成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)江蘇LNG接收站兩個(gè)不同設(shè)備供應(yīng)商的ORV產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

a. 住友生產(chǎn)的ORV單個(gè)換熱管的換熱面積較神戶制鋼大且與海水的換熱效率更高，提高了設(shè)備在臨界海水溫度的氣化能力。

b. 在高含沙量海域，由于住友生產(chǎn)的ORV涂層厚度略高于神戶制鋼，表現(xiàn)出的涂層耐腐蝕性能優(yōu)于神戶制鋼ORV。涂層厚度對(duì)于腐蝕的防護(hù)起到了一定的積極作用。

c. 國(guó)產(chǎn)化ORV產(chǎn)品應(yīng)針對(duì)運(yùn)行中的不足和短板，強(qiáng)化對(duì)進(jìn)口ORV性能的對(duì)比深化研究，提高國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品的安全性、穩(wěn)定性。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 王同吉，陳文杰，趙金睿，等.LNG接收終端氣化器冬季運(yùn)行模式優(yōu)化［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2018，37（11）：1272-1279.

［2］ 顧安忠，魯雪生.液化天然氣技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］ 顧安忠.液化天然氣技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［4］ 李世斌.BOG壓縮機(jī)入口阻力增高的原因分析及改進(jìn)措施［J］.上海煤氣，2011（3）：1-4.

［5］ 孫啟迪.開(kāi)架式氣化器表面結(jié)冰傳熱數(shù)值模擬［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2016.

［6］ 王玉娟，劉景俊，王劍琨，等.LNG超級(jí)開(kāi)架式海水氣化器傳熱特性模擬優(yōu)化［J］.天然氣化工（C1化學(xué)與化工），2021，46（1）：113-120.

［7］ 呂濤.LNG超級(jí)開(kāi)架式氣化器傳熱特性計(jì)算［D］.西安：西安石油大學(xué)，2016.

［8］ 張尚文，馮玉潔，文曉龍，等.液化天然氣開(kāi)架式氣化器帶擾流桿換熱管內(nèi)性能數(shù)值模擬［J］.石油化工設(shè)備，2017，46（5）：5-11.

［9］ 高輝.開(kāi)架式氣化器（ORV）設(shè)備振動(dòng)檢測(cè)與評(píng)價(jià)［J］.化工時(shí)刊，2020，34（9）：7-10.

［10］ 楊信一，劉筠竹，李碩.唐山LNG接收站浸沒(méi)燃燒式氣化器運(yùn)行優(yōu)化［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2018，37（10）：1153-1157.

［11］ 梅偉偉，郭海濤，李云龍，等.ORV涂層損壞原因分析及現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)實(shí)踐［J］.天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2017，11（S1）：44-47.

（收稿日期：2022-06-06，修回日期：2023-03-18）

作者簡(jiǎn)介：王順學(xué)（1986-），工程師，從事液化天然氣接收站安全生產(chǎn)管理工作，419636478@qq.com。

引用本文：王順學(xué)，丁歡，畢海勝.LNG接收站內(nèi)不同類型的ORV性能對(duì)比與分析［J］.化工機(jī)械，2023，50（2）：273-277.