不同工况下开架式气化器最小海水流量计算

施海青，陈波，陈帅，党延辉，敬兴龙

(1. 新疆华隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉玛依 834000；2. 中石油新疆油田分公司，新疆 克拉玛依 834000；3. 中石油大连液化天然气有限公司，辽宁 大连 116600)

不同工况下开架式气化器最小海水流量计算

施海青1，陈波2，陈帅3，党延辉1，敬兴龙1

(1. 新疆华隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉玛依 834000；2. 中石油新疆油田分公司，新疆 克拉玛依 834000；3. 中石油大连液化天然气有限公司，辽宁 大连 116600)

由于液化天然气(LNG)流量、压力、温度、组分和海水温度的不同，开架式气化器(ORV)所需的海水流量也不一样，普遍产生能耗过剩现象。为了确定所需最小海水流量： 以ORV性能曲线为基础，确定其机械限定LNG流量，并通过1stOpt软件采用多元非线性拟合找到特定条件时，不同LNG流量、压力和海水温度下所需最小海水流量的函数式；由BWRS方程计算特定条件及实际参数下ORV入口LNG、出口天然气(NG)的焓值，再由能量守恒原则得到实际所需最小海水流量；通过计算机编程设计出计算软件。为了验证计算精度，通过性能曲线数据、Apsen_Plus软件及能量守恒式计算出实际工况对应的理论最小海水流量；将理论海水流量与软件计算值对比求出相对误差。结果证明： 最大相对误差小于3%，能较好地计算所需最小海水流量，为ORV优化、节能运行，海水泵选型、变频提供了一定的理论参考。

开架式气化器 LNG接收站 海水流量 非线性拟合 BWRS方程 相对误差

目前，中国液化天然气(LNG)接收站主要采用浸没燃烧式气化器(SCV)、开架式气化器(ORV)和液体介质气化器(IFV)作为LNG气化装置[1-4]。SCV虽然运行成本高，但初期投资较低且运行不受环境温度影响；ORV和IFV以海水作为气化媒介，运行主要受到海水温度及含沙量影响[5]，当海水温度低于设计值时将无法使用，但运行成本较低而广受接收站青睐。IFV通常在沙的质量浓度大于80mg/L的接收站使用，如上海LNG接收站；而海水水质较好的LNG接收站通常选择ORV作为主要气化装置，如大连LNG接收站。

ORV工艺流程如图1所示，海水由海水泵加压后送入海水管线，再由海水槽底部充满海水槽，海水经溢流导向板从LNG换热管束顶端紧贴管束流至底端，在此过程中与管束内LNG换热，将LNG气化为天然气(NG)，换热之后的海水汇集至海水沟经排海管线流入大海[6]。根据ORV设备技术资料显示： 正常情况下ORV入口海水温度不得低于5.5℃，同时在实际运行中，LNG接收站天然气外输管网压力一般较高，所以ORV入口LNG压力也较高，通常在4.5～10.0MPa。而影响ORV所需海水流量的因素主要包括： LNG流量、压力、温度、组分和海水温度，若海水流量过低，不仅无法气化管束内的LNG，同时也可能对ORV造成结构性损坏；反之若海水流量过高，则使得能耗过剩，增加LNG的气化成本。因此，研究不同工况ORV所需海水流量对其安全、可靠和节能运行具有重要意义。为了满足ORV正常运行要求，下面将对海水温度在4.5～30.0℃、LNG压力为4.00～10.36MPa范围内所需的海水流量展开分析。

图1 ORV工艺流程示意

1 ORV机械限定LNG流量计算

ORV机械限定LNG流量是指其他工况条件全部满足的情况下，在一定LNG压力时，ORV设备结构、传热及材质所能承受的最大LNG流量[7]。不同LNG压力下，ORV所允许的最大LNG流量也有所差异，如图2所示。从图2可以看出，LNG压力在4.00～6.00MPa时，机械限定LNG流量与LNG压力几乎呈线性关系；当压力范围在6.00～10.36MPa时，机械限定LNG流量保持恒定值250t/h。

图2 ORV机械限定LNG流量曲线示意

由图2得出LNG压力与ORV机械限定LNG流量间的分段函数关系式：

(1)

式中：qm_LNG_mec——ORV机械限定LNG流量，t/h；pLNG——LNG压力，MPa。

2 特定条件ORV海水流量计算

ORV性能曲线中给出了海水入口温度不小于2.5℃时，LNG组分为富气且温度在-155℃下，最小海水流量随LNG流量、压力和海水入口温度的变化关系。为了方便使用，首先从Performance Curve曲线图中取出对应的数据点；然后根据取出的数据，利用Matlab作出对应的曲线关系，如图3所示。

图3给出了6种不同LNG压力，海水温度分别为4.5，5.5，10.0，20.0，30.0℃时，LNG流量与海水流量的关系曲线[8]。从图3中可以看出，海水流量随LNG流量呈线性变化关系；海水温度在10.0℃时，曲线斜率最小，且温度偏离10.0℃越大，斜率也越大。

图3 不同压力下ORV性能曲线示意

2.1分段及拟合模型建立

分段是为了提高计算的精度，但分段过多又会增加计算的难度。经过综合分析和考虑[9-10]，在满足精度且分段最少的前提下，对图3中列出的各种情况采用如下分段方式处理，见表1所列。LNG压力在4.00～10.36MPa中分为5段，海水温度在4.5～30.0℃间分为3段。

表1 根据压力温度拟合分段情况

根据图3和表1：

1) 在LNG压力和海水温度一定的情况下，海水流量与LNG流量可表示为：

qm_sw_spe=Aqmqm_LNG+Bqm

(2)

式中：qm_sw_spe——特殊条件下的海水流量，t/h；qm_LNG——LNG流量，t/h；Aqm，Bqm——关系系数。

2) 由于对压力采取了5段处理，则在各分段内当LNG流量、温度一定时，可将海水流量与LNG压力当作线性关系处理，如式(3)：

qm_sw_spe=AppLNG+Bp

(3)

式中：Ap，Bp——关系系数。

3) 对于海水温度采用了3段处理，在第1段、第2段将海水流量与海水温度当作线性关系，而第3段则看作二次曲线关系处理[11]，如式(4)：

(4)

式中：tsw——海水温度，℃；AT，BT，CT——关系系数。

通过以上分析，可以建立海水流量随LNG流量、压力和海水温度变化的三元交互分段拟合模型。对于海水温度第1段、第2段与LNG压力分段的拟合模型可表示为式(5)，而海水温度第3段则按式(6)拟合模型执行[12-15]。

qm_sw_spe=k1qm_LNGpLNGtsw+k2qm_LNGpLNG+
k3qm_LNGtsw+k4pLNGtsw+k5qm_LNG+
k6pLNG+k7tsw+k8

(5)

(6)

式中：ki——拟合模型系数，i=1, 2, 3, …, 12。

2.2模型系数求解

要求得各分段范围内的模型系数，首先通过ORV性能曲线获得一系列工况点的相关数据，然后采用1stOpt软件选择适合的优化算法进行三元拟合。由于2.1节中分段较多(15段)，且拟合过程也基本类似，因而以LNG压力： 4.00～5.00MPa，海水温度： 4.5～5.5℃的第11段进行详细的分析，而其他分段的模型系数求解则只给出最后结果。

2.2.1第11段内模型系数事例

第11段内的LNG压力范围为4.00～5.00MPa，海水温度为4.5～5.5℃，从图3中获取拟合所需数据，数据见表2所列。

表2 第11段内模型拟合所需数据

由表2数据，通过1stOpt软件，采用“准牛顿法+通用全局优化法”求得式(5)中的模型系数ki。同时拟合相关系数为0.9999998，说明拟合式能较好地涵盖实取数据，具有一定的普遍性。综上所述，拟合式可以较为准确地求解第11段内其他数据点的海水流量。

2.2.2其他分段号内模型系数求解

剩下的14种分段内，则沿用与2.2.1条相同的方式来求解其模型系数。从计算结果验证了各分段号对应拟合式的相关系数均大于0.999999，说明拟合式能较好地涵盖实取数据；同时所有拟合式的拟合关系曲面也都连续、平滑变化，无任何突变点。因此，各分段号对应拟合式都可以较为准确地求解其范围内其他数据点的海水流量。

3 BWRS方程求解NG及LNG焓值

BWRS方程作为求解NG及LNG[16-17]物性最好的状态方程之一，在求解NG和LNG焓值方面已经非常成熟，相关的文章也层出不穷。所以在此无需详细说明，而是给出相应的求解步骤。具体步骤如下：

1) 根据纯组分的临界参数确定其BWRS方程的11个参数。

2) 根据各组分摩尔分数、天然气混合法则及各组分二元交互系数确定天然气BWRS方程中的11个参数。

3) 根据NG及LNG密度初值，由正割法求解其密度。

4) 天然气各纯组分理想气体焓值求解。

5) 根据理想气体混合规则，确定天然气理想气体焓值。

6) 等温焓差法求解NG及LNG焓值。

4 能量守恒求解ORV实际海水流量

根据以上分析可知，影响ORV所需海水流量的因素主要包括： LNG流量、压力、海水温度及LNG温度和组分。性能曲线反应了特定条件下海水流量与其他几个因素间的关系。所以在求解实际海水流量时，可按以下步骤完成：

1) 计算特定条件ORV所需最小海水流量。

2) 求解特定条件下NG与LNG质量比焓，并确定其质量比焓差。

3) 求解实际工况NG与LNG质量比焓，同时确定其质量比焓差。

4) 由于LNG组分及温度对ORV气化效率影响很小，因而在此将两种情况的气化效率(η)看作相等；同时，该计算方法是以海水入、出口温差相同及单位质量的海水提供能量相同为前提，通过改变海水流量来改变海水所提供的总能量。因此，根据能量守恒定理可得方程组：

(7)

式中： ΔHspe——特定条件下NG与LNG质量比焓差，kJ/kg；cp_sw——海水定压比热熔，kJ/(kg·℃)；ΔH——实际参数下NG与LNG质量比焓差，kJ/kg；Δt——海水入、出口温差，℃；qm_sw——实际海水流量，t/h。

化简式(7)求得实际ORV所需海水流量：

(8)

5 软件设计及使用说明

由以上研究、分析，在Forcecontrol V7.0平台上利用计算机编程技术设计出ORV海水流量计算软件。考虑到ORV实际运行LNG负载流量会受到海水流量下限及上限影响，同时LNG最大流量也是运行中非常关注的，所以在软件中也计算了实际情况下海水上、下限所对应的最大LNG流量；而实际运行中，由于ORV入、出口压差非常小，出口NG温度(tNG)也与海水温度相差很小，所以在软件中将出口NG压力pNG看作与pLNG相同，tNG等于tsw。

使用过程中： 首先点击“设置”按钮，弹出“ORV_参数设置”对话框；在对话框中选择“特定计算”或“实际计算”标签，对话框将显示对应计算所需输入的参数。对于个别的计算参数也可在“人机界面”工艺流程简图中直接输入。在完成参数输入后，点击“运算”按钮，则“工艺流程简图窗”会显示相应的流程状态；同时“计算结果显示窗”会给出相应的计算结果。

6 软件计算结果误差分析

1) 误差分析[18-19]。选择表3所列LNG组分时，首先应计算出理论海水流量，然后利用软件再计算出海水流量，并进行对比分析，求出其相对误差。

表3 实际LNG组分

2) 理论海水流量计算。

a) 由Apsen_Plus软件计算出5种工况在特定条件与实际参数的NG与LNG焓差。

b) 在性能曲线中取出5种工况对应的海水流量。

c) 根据焓差、性能曲线海水流量和式(8)得到理论海水流量。

3) 软件计算海水流量，则只需在软件中输入5种工况的参数，直接用软件计算便能得到，具体数据见表4所列。

表4 软件计算的误差分析数据

通过以上分析可以看出，软件最大相对误差小于3%，具有较高的计算精度，能较好地满足LNG接收站实际运行需求。

7 结束语

不同工况下ORV所需海水流量是其运行中的最重要参数之一。由ORV性能曲线通过分段拟合找到特定条件下的海水流量；由BWRS方程计算出所需焓差；根据能量守恒求得实际所需的海水流量；采用计算机编程技术设计出相应的计算软件。通过误差分析，计算相对误差小于3%，具有较高的计算精度。

例如，当ORV低LNG负载运行时，所需海水流量便低于额定海水流量，这时可计算出所需最小海水流量，并通过低负荷海水泵或海水泵变频技术为ORV提供小流量海水，以降低气化成本，达到节能目的；同时，当LNG接收站外输量只需1台海水泵提供海水就能满足气化要求，但此时外输量又大于单台ORV的最大LNG负载时，则可计算出最小海水流量，并采用台海水泵为2台ORV提供海水来达到节能目的。因此，ORV最小海水流量计算是其节能、优化运行，海水泵选型或变频的前提。

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MinimumSeawaterFlowCalculationofOpenRackVaporizerinDifferentWorkingConditions

Shi Haiqing1, Chen Bo2, Chen Shuai3, Dang Yanhui1, Jing Xinglong1

(1. Xinjiang Hualong Oilfield Technology Company Limited, Karamay, 834000, China; 2. PetroChina Xinjiang Oilfield Branch Company, Karamay, 834000, China; 3. PetroChina Dalian Liquefied Natural Gas Company Limited, Dalian, 116600, Cina)

Seawater flow requirement of open rack vaporizer (ORV) is different because of the difference among liquefied natural gas (LNG) flow, pressure, temperature, component and seawater temperature actually. Excess energy is consumed in current operation model generally.To determine required minimum seawater flow, mechanical limited LNG flow is determined based on ORV performance curves and through 1stOpt software, using multi variate nonlinear fitting finds the function that different LNG flow, pressure and seawater temperature correspond to the minimum seawater flow under specific conditions. BWRS function is adopted to calculate the enthalpy of ORV inlet LNG and outlet natural gas(NG) in specific conditions and actual parameters. And then, actual required minimum seawater flow can be obtained by the principle of conservation of energy. Using computer programming, calculation software is designed. To verify the calculating accuracy of calculation software, theoretical minimum seawater flow corresponding to actual process is worked out by the data of performance curves, Apsen_Plus software and conservation of energy formula. Relative error is obtained through comparing theoretical minimum seawater flow and software calculated value. The results prove that the maximum relative error is less than 3%. The required minimum seawater flow can be better calculated with the software. A theoretical reference for ORV optimization, energy-saving operation seawater pump selection and frequency conversion are provided.

open rack vaporizer; LNG terminal; seawater flow; nonlinear fitting; Benedict-Webb-Rubin equation; relative error

TH138

B

1007-7324(2017)05-0050-06

稿件收到日期： 2017-05-26，修改稿收到日期2017-07-22。

施海青(1971—)，男，获学士学位，毕业于中国石油大学(北京)工商管理专业，现就职于新疆华隆油田科技股份有限公司，主要从事油田自动化、数字化、智能化及系统工程和液化天然气等相关领域工程技术研究工作，任自动化事业部经理，工程师。