空气热源式气化技术在大型LNG接收终端的应用

付子航 宋坤 单彤文

中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心

空气热源式气化技术在大型LNG接收终端的应用

付子航 宋坤 单彤文

中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心

近年来，空气热源式气化设备和技术（Ambient air－based heating vaporization，AHV）因其具有环境友好、节约能源、可持续利用等优势而在其他国家的新建LNG项目中不断得到实践验证和推行。为此，介绍了AHV的技术特点、分类及其在世界各地的最新应用情况，并与常规气化技术进行了对比，进而提出了该类技术的应用条件，分析了该技术方案的优缺点。结果认为：①LNG接收终端所处位置具体环境的气象条件（年最低环境温度、湿度、风向和风速、持续时间等）是选择合适的AHV技术的关键因素；②设计空气热源气化系统需要确定它的最低环境温度以及备用热源系统需要热机备用的工况条件；③相对于浸没燃烧式气化器，AHV系统的优势明显，且燃气（电）价格比率越高，其优势越显著；④在不适合采用海水开架式气化技术的条件下，AHV可作为优选方案；⑤在免费海水使用受限、天然气燃烧制热成本高昂的情况下，以空气热源作为气化系统基荷热源是最为便利和直接的选择。为中国规划和设计新建LNG接收终端提供了更为经济和环保的气化技术选项。

液化天然气 空气热源式气化器 环境空气气化器 逆流式冷却塔 管壳式气化器 开架式气化器 浸没燃烧式气化器 中间介质气化器

2011—2013年注定是中国LNG行业快速发展的“井喷期”。江苏如东LNG、大连LNG已陆续投产，福建莆田LNG扩建工程投产，唐山LNG、海南LNG纷纷开工建设，其他在建、扩建LNG项目及即将开工的LNG项目均已迈入实质性进展阶段；新型离岸LNG项目（offshore LNG ternial，如浮式LNG）的逐步实施，更是标志着中国LNG产业迈入与世界LNG行业发展前沿同步的行业。

与此同时，中国诸多LNG项目的工程实践无一例外地面临着各种工程难题和技术挑战，也不断创造着新的行业记录。其中与LNG接收终端所处地理位置关系密切、最具个性化的技术挑战之一，即LNG气化技术的选择。在投资、设计年限内操作运行费、维护费、工况与设备可靠性、技术可行性、减少排放、环境友好等关键因素的制约下，业内主流的海水开架式气化器（ORV）、浸没燃烧式气化器（SCV）、中间介质气化器（IFV）及其组合备用，已成为中国LNG陆上接收终端气化技术的默认选择范围。而近年来，空气热源式气化设备和技术（Ambient Air－based Heating Vaporization，AHV）在其他国家的新建LNG项目中不断得到实践验证和推行，深入研究和比较空气热源式气化方案有利于扩大技术选择范围。

1 空气热源式气化技术的类型及其应用

大型LNG接收终端的污染排放物主要来自于气化工艺过程。常用的气化技术包括ORV、SCV及IFV。由于运行操作费用低廉，ORV在欧洲、日本、韩国及中国的LNG接收终端项目中广泛使用，而美国则限于地方政府立法中对海水排放物的严格要求及保护近海浮游生物的需要，基本以采用SCV为主［1］。近年来，随着国际上新的一批LNG接收终端进入计划、概念设计、基本设计、施工和运营等不同阶段，在区域环境状况、地方政府法规限制、更加强调操作成本和环境友好理念、项目具体特点等条件下，更富竞争力的LNG气化技术被不断提出，其中已经为工程实践所证实并引人注目的气化技术之一就是空气热源式气化技术。

显然，相比于SCV或使用燃料的IFV，AHV类似于ORV，利用并回收免费的环境（空气）中低阶热量来气化LNG，意味着更少的燃料消耗、基本零排放、降低运行成本，同时也因需要机组全套备用、补充热源备用及较大的占地面积而带来较高的投资。总体上看，环境空气温度、湿度及风况是影响AHV相关设备参数和系统效率的关键因素。

AHV可分间接接触（Indirect Contact）气化和直接接触（Direct Contact）气化两类。前者借助于闭式管路的传热流体（HTF），利用空气加热HTF，HTF再经过STV与LNG进行换热气化；后者则利用空气通过气化设备直接气化LNG。间接接触气化技术在大型LNG接收终端得到商业应用的包括空气翅片式（Air－Fin）换热气化、空气冷却塔（Air Tower）气化技术；直接接触气化技术得到应用的包括环境空气气化（AAV）和强制通风气化（FAV）技术。通常认为，在环境温度低于1.7℃时，空气翅片式（Air－Fin）换热基本无法再使用，气化LNG要依靠备用加热设施，而传热流体（HTF）的温度则应维持在超过0℃的范围，以防止气化器换热管外层出现结冰，降低换热效率［2］。空气冷却塔气化技术（Air Tower）与空气翅片式（Air－Fin）换热技术的区别主要在于先通过空气冷却塔利用环境空气加热水，再通过热交换后的水加热传热流体（HTF），增加了一次换热。而相较于间接接触气化技术，AAV或FAV的优势则在于可以连续地把空气中的显热与LNG进行交换，有更高的热效率，其可接受的环境空气温度为0℃直至零下冰点。下面逐一介绍国外已投入使用的大型LNG接收终端中采用的不同类型的AHV技术情况。

1.1 印度DAHEJ LNG接收终端空气翅片式（Air－Fin／Fin－Fan）气化技术

位于印度古吉拉特（Gujarat）的Dahej LNG接收终端于2004年4月投入商业运行。由于站址所在海域的海水悬浮颗粒物（1 000～3 500 mg／L）和铜离子含量（0.13 mg／L）远高于ORV通常可接受标准，ORV制造厂家也认为该条件下ORV需要每6个月进行一次2～3 d的涂层保养，设备可靠性大幅降低。因此，ORV难以使用；而SCV达到其气化总量1.3%～1.6%的偏高燃料消耗和较高水平的废水废气排放问题，也使得其难以作为主力气化设备使用。

因此，Dahej LNG项目采取了环境空气换热的管壳式气化器（STV）气化技术。具体配置为112台翅扇式或空气翅片式（Fin－Fan或Air－Fin）空气换热器（16.4 MW／台）加上7台STV气化器的闭式管路系统，STV采用36%的乙二醇水溶液作为壳内传热流体（Heat Transfer Fluid，HTF）。系统气化能力为1 550 m3LNG／h［3］。为了解决冬季环境温度过低可能带来的气化效率大幅降低问题，系统采用两台传统的SCV气化器备用。由于Dahej LNG接收终端内配置了3套均为7.6 MW的燃气透平作为自备电站（2用1备），燃气电站余热锅炉水通过闭式管路进入SCV，因此，即使作为冬季低温工况下备用的SCV也基本不用点火使用，仅作为应急设备。印度另一在建的Kochi LNG接收站也采用相同的气化技术。Dahej LNG接收站气化设施见图1，其接收站气化流程见图2。

图1 Dahej LNG接收站气化设施鸟瞰图

图2 Dahej LNG接收站气化流程示意图

1.2 美国Freeport LNG接收终端逆流式空气冷却塔（Air Tower）气化技术

位于美国得克萨斯州Quintana Island的Freeport LNG接收终端于2008年6月投入运行，该项目是空气冷却塔气化技术首次在大型LNG接收终端的正式应用。其设备配置包括1座12孔的冷却塔，7台SCV气化器，并通过乙烯基乙二醇作为传热流体［4］。12孔冷却塔的总体尺寸为218 m长、25 m高、20 m宽，热负荷总计为930 MMBtu／h（1 MMBtu＝1.054× 106kJ）。该气化系统以加热炉（Fired Heaters）作为备用，加热炉配有NOx脱除装置，可使NOx含量仅达9 m L／m3。

通过空气冷却塔换热的水经过板式换热器加热传热流体（HTF），进而通过SCV气化LNG；在冬季低温天气，则通过加热炉作为备用，直接为传热流体（HTF）提供热量。该套系统的气化能力为2 950 m3LNG／h，最高可达到3 450 m3LNG／h。空气冷却塔系统独立运行的最低环境温度为18℃，年运行时间约8个月。本系统从投入运行至今，一直运行良好。Freeport LNG接收站气化设施见图3，其接收站气化流程见图4。

图3 Freeport LNG接收站气化设施鸟瞰图

图4 Freeport LNG接收站气化流程示意图

1.3 美国Sabine pass LNG接收终端空气直接气化（AAV）技术

Sabine pass LNG接收终端位于美国路易斯安那州Cameron Parish，于2008完成一期工程，2009年完成二期扩建，总规模为5座16×104m3的LNG储罐。

值得一提的是，Sabine pass LNG还具备管道气液化与出口功能，可装船Q－max船型，是美国政府批准的3座可以出口LNG的3座LNG接收站之一（另外两家分别是Freeport LNG和Sempra Cameron LNG），从2010年至今，通过现货贸易已出口至西班牙、巴西、英国、韩国及印度。该项目是首个应用环境空气气化器（AAV）作为主要气化设施的大型LNG接收终端。气化外输能力为5 110 m3LNG／h（一期）＋2 750 m3LNG／h（二期）。

该项目采用的是自然通风型AAV，后根据现场测试结果在AAV顶部增加排气风扇，以解决大规模应用后出现的“浓雾”问题，效果良好。每18台AAV作为一组，总规模达到16组以上。采用8组SCV（总计24台）作为冬季低温天气时的备用气化器，并类似于印度Dahej LNG，通过闭式管路系统把接收站内4台燃气自备电站（总计120 MW）的废热引入SCV，充分利用余热气化LNG，可以节省70%的SCV所需燃料水平。Sabine pass LNG接收站效果图见图5，其接收站气化流程见图6。

图5 Sabine pass LNG接收站效果图

图6 Sabine pass LNG接收站气化流程示意图

1.4 美国Trunkline LNG Lake Charles接收终端的气化（SAV）技术

美国路易斯安那州的Trunkline LNG Lake Charles接收终端建成于1981年7月，分别于2002年和2003年两次启动扩建，并于2006年7月完成，该接收终端包括3座9.5×104m3的单容罐和1座14× 104m3的LNG储罐，14套SCV气化器。在2010年3月，再次完成新增4套空气热源气化装置和天然气液体（NGL）脱除改造，最大气化外输能力为4 130 m3LNG／h［5］。

Trunkline LNG Lake Charles接收终端是首个商业化应用Mustang公司专利LNG Smart?空气气化方案（SAV）作为气化技术的大型LNG接收终端。Mustang LNG Smart?气化与印度Dahej LNG的气化技术原理相同，但其专利技术核心采用了一种钾酸盐水溶液作为抗低温的传热流体（HTF），进一步降低了空气热源气化系统的可接受环境最低温度（1.7～4.0℃），而且其翅扇式（Fin－Fan）空气加热器也是专利设计。Trunkline LNG接收站效果见图7，接收站气化流程见图8。

图7 Trunkline LNG接收站鸟瞰图

图8 Trunkline LNG接收站SAV气化流程示意图

2 AHV与其他气化技术的对比分析

2004年印度Dahej LNG接收站投产，标志着AHV技术首次在基荷型LNG气化终端得到商业验证，随后多种新型的AHV技术被业界不断提出，部分技术方案在上述LNG接收站应用。通过上述各种类型的AHV技术及其与常规的ORV、SCV技术进行优缺点分析后，可以进一步研判AHV的适用条件。比较结果参见表1。

从表1可以看出，AHV技术的主要优势在于环境友好和较低的运行费用，但占地面积翻倍，而且在冬季低温条件下需要备用其他形式的热源作为补充。从已经投入运行的AHV实践看，补充热源更多的是利用燃气电厂或电站余热，尽可能地降低能耗。相对于ORV，AHV技术优势并不明显，但在海水条件不适合ORV或所在地法规限制ORV使用时，AHV相比于SCV还是非常显著的。

3 结论和建议

LNG接收终端所处位置具体环境的气象条件是选择合适的AHV技术的关键因素。这种环境气象条件包括年最低环境温度、湿度、风向和风速、持续时间等，这些关键参数对于空气热源气化系统的设备能力选型、气化系统可靠性和备用配置、运营操作成本等影响甚大。不同于常规的ORV、SCV气化技术，选择AHV技术还意味着需要结合具体项目环境、项目条件、总图设备布置进行与空气热源气化系统相关的较为复杂的计算机流体力学（CFD）模拟计算，包括风扇叶轮、区域冷热空气密度和温度流场、循环冷空气排放等，把与气化系统有关的环境因素充分进行优化，以发挥AHV的最大效能。此外，设计空气热源气化（AHV）系统需要确定空气热源系统的最低环境温度以及备用热源系统需要热机备用的工况条件。

总体来说，AHV技术充分体现了环境友好、节约能源、可持续利用等现代能源工业发展理念。AHV系统相对于SCV的优势明显，尤其在可以利用附近其他便利的热源（如燃气电站余热）作为冬季低温条件下的补充热源时，而且燃气（电）价格比率越高，优势越显著；在不适合采用ORV技术的条件下，AHV可作为优选方案。在免费海水使用受限、天然气燃烧制热成本高昂的情况下，以空气热源作为气化系统基荷热源是最为便利和直接的选择，从2004年至今，不同类型的AHV系统在大型LNG接收站的成功应用更是证实了其可行性与可靠性。事实上，ORV、SCV、IFV、空气冷却塔、空气翅片式气化器、STV、工业（电站）废热等，可以结合项目实际情况，因地制宜地优选、优化更理想的气化系统基荷和备热方案。

表1 空气热源气化技术与ORV、SCV技术的比较表

在中国处于规划、设计甚至在建阶段的LNG接收终端中，部分已经遇到站址所在区域海水水质不适合ORV使用的问题。充分了解国际LNG接收终端的发展现状和技术潮流，把AHV技术纳入气化方案的研究范围，有利于技术解决方案的新突破，甚至有利于LNG接收终端规划选址范围的扩大。

［1］ROSETTA M J，PRICE B C，HIMMELBERGER L.Optimize energy consumption for LNG vaporization：gas processing developments［J］.Hydrocarbon Processing，2006，85（1）：57－64.

［2］SHAH K，WONG J，MINTON B，et al.Considerations for ambient air based technologies for LNG regasification terminals［C］∥2008 AIChE Spring Meeting，April 6－10，2008，New Orleans，Louisiana，USA.New York：American Institute of Chemical Engineers，2008.

［3］SUNDER S，AHUJA M M，GAUTIER J，et al.LNG receiving terminal at Dahej，Gujarat，India［C］∥13thProceedings of the Thirteenth Conference ＆Exhibition on Liquefied Natural Gas，May 14－17，2001，Seoul，Korea.Sandvi－ka：International Gas Union，2001.

［4］NANDA R，LINDAHL P，EYERMANN D.Start up of freeport LNG，a terminal with low environmental impact and the first on the gulf coast in two decades［C］∥16thProceedings of the Sixteenth Conference ＆Exhibition on Liquefied Natural Gas，April 18－21，2010，Oran，Algeria.Sandvika：International Gas Union，2010.

［5］EISENTROUT B.LNG terminal expansion moves to forefront of contract tender action［J］.LNG Journal.2007（2）：28－32.

［6］CHO J H，SHIN D M，YANG J Y.Validation of air recirculation by CFD on the multi－pass air heater for LNG vaporization［C］∥2010 AICh E Spring Meeting，March 21－25，2010，San Antonio，Texas，USA.New York：American Institute of Chemical Engineers，2010.

［7］CHO J H，FEMAT R，KOTZOT H，et al.Optimization of ambient air vaporization processes［C］∥2006 AICh E Spring Meeting，April 23－27，2006，Orlando，Florida，USA.New York：American Institute of Chemical Engineers，2006.

Application of ambient air－based heating vaporizers in large LNG receiving terminals

Fu Zihang，Song Kun，Shan Tongwen
（Research ＆Development Center of CNOOC Gas ＆Power Group，Beijing 100027，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 8，pp.100－104，8／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

In recent years，extensive LNG projects in many countries have validated the effectiveness of the equipment and technology of ambient air－based heating vaporization（AHV），other benefits of which have been also found as being environmental－friendly，energy－saving，and in sustainable use.Therefore，this paper first introduces how AHV has been applied in various LNG terminals in India and the USA respectively.Then，compared with other regular gas vaporizing technologies such as open－rack vaporizer（ORV），submerged combustion vaporizer（SCV），etc.，the advantages and disadvantages of AHV are thoroughly analyzed as well as its application conditions.The following conclusions are presented herein.（1）The clincher of AHV is the satisfactory meteorological condition such as annual minimum temperature，humidity，wind speed and direction，length of time，etc.（2）Before the AHV system is adopted，the minimum ambient temperature and the working condition for the standby heat source will be primarily determined.（3）Compared with the SCV，the AHV is superior especially when the fuel gas－electricity ratio is getting much higher.（4）The AHV will be the best choice when the ORV is restricted to use.（5）Under the condition without free sea water but with a high cost in gas heating，ambient air is most convenient and direct option for the AHV system.This study will be beneficial to offering a more economical and environmental－friendly re－gasification technology for the planning and devising of LNG receiving terminals in China.

LNG，ambient air－heated vaporizer ambient air vaporizer（AAV），LNG receiving terminal，reverse cooling tower shelltube vaporizer（STV），open－rack vaporizer（ORV），submerged combustion vaporizer（SCV），intermediate fluid vaporizer（IFV），heat transfer fluid（HTF）

付子航等.空气热源式气化技术在大型LNG接收终端的应用.天然气工业，2012，32（8）：100－104.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.022

付子航，1979年生，高级工程师，硕士；主要从事LNG项目建设和技术研发工作。地址：（100027）北京市朝阳区东三环北路甲2号京信大厦2846室。电话：（010）84522951。E－mail：fuzh＠cnooc.com.cn

（修改回稿日期 2012－06－04 编辑 何 明）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.022

Fu Zihang，senior engineer，born in 1979 is mainly engaged in LNG projects construction and the related technical research.

Add：Room 2846，Jingxin Building，No.Jia 2，East 3rd Circle Rd.，Chaoyang District，Beijing 100027，P.R.China

E－mail：fuzh＠cnooc.com.cn