空气冷却器喷雾前后对液化天然气装置产能的影响分析

杨龙

康泰斯（上海）化学工程有限公司 （上海 201203）

随着液化天然气（LNG）技术的发展和推广，国内有较多的在建和已投产的液化天然气工厂，采用的液化工艺也各不相同。Black&Veatch 公司开发的PRICO 液化工艺，采用单级混合制冷剂节流循环，被广泛应用在中小型天然气液化工厂中[1]。PRICO液化工艺的流程如图1 所示。在PRICO 液化工艺中，混合制冷剂需要经过级间冷却器和出口冷凝器降温，实现气液两相的分离。其中，级间冷却器和出口冷凝器可采用空气冷却器、管壳式冷却器、空气冷却器串联管壳式冷却器等多种形式，冷却介质分别为空气和循环水。采用管壳式冷却器、空气冷却器串联管壳式冷却器的冷却方式，受环境温度的影响相对较小。采用空气冷却器的冷却方式，则受环境温度变化的影响较大，尤其是在夏季。因环境温度高于空气冷却器的空气设计温度，降低了空气冷却器的降温效果，造成混合制冷剂的温度高于设计值，增加了板翅式换热器的换热负荷和冷剂压缩机的功耗，影响了装置的产能。本研究结合PRICO 液化工艺，讨论了级间冷却器和出口冷凝器喷雾前后对装置产能的影响。

图1 PRICO 液化工艺流程

1 环境温度变化对装置产能的影响

空气冷却器是采用空气作为换热介质的换热设备。由于全年环境温度的变化比较大，因此空气冷却器的降温效果受到很大影响。空气冷却器空气设计温度的选取，不仅会影响换热效果，也会影响设备的初次投资费用。在空气冷却器设计中，将工艺介质出口温度与空气设计温度的温度差作为确定空气冷却器换热面积的重要依据。当温度差较小时，空气冷却器的换热面积将增大。考虑到空气冷却器的换热面积和初次设备投资费用，该温度差为6～8 ℃较合理。

已建成的液化天然气工厂中，空气冷却器的选型和安装都已完成。当出现环境温度高于空气设计温度时，工艺介质出口侧温度与空气设计温度的差值减小，在空气冷却器换热面积确定的情况下，其换热量下降。若工艺介质进口侧温度和流量保持不变，那么工艺介质出口侧温度将升高。在PRICO 液化工艺中，级间冷却器和出口冷凝器出口侧的混合制冷剂温度将会升高，这就直接影响到冷剂压缩机和板翅式换热器。冷剂压缩机采用离心式压缩机，其功率与进气温度基本成正比[2]。在混合制冷剂压缩增压过程中，混合制冷剂温度升高会增加冷剂压缩机的功耗，当冷剂压缩机的功耗达到额定功耗时，就不得不降低混合制冷剂的流量。由于天然气液化的冷量全部来自混合制冷剂，所以混合制冷剂流量的降低直接导致装置产能的下降。天然气的液化是通过板翅式换热器（简称“冷箱”）实现的，在冷箱其他通道进气条件不变的情况下，混合制冷剂温度升高会额外增加冷箱的换热负荷。当冷箱的换热负荷达到额定换热负荷时，为达到将天然气液化的目的，就不得不降低天然气的进气量，从而使装置产能降低。

通过以上分析可知，环境温度变化将会影响级间冷却器和出口冷凝器的换热效果，引起混合制冷剂温度升高，进而影响冷剂压缩机和冷箱，最后直接影响装置产能。

2 空气冷却器喷雾前对装置产能的影响

以河北省某座日处理量1 000 000 m3（标准状态下，下同）的液化天然气项目为例。该项目采用PRICO 液化工艺，级间冷却器和出口冷凝器均采用空气冷却器。该项目在设计时，根据当地提供的气象资料，空气冷却器的空气设计温度为28 ℃。近3 年来，当地每月的平均温度统计数据见表1。不论是每一年还是3 年的月平均温度，4 月—9 月的环境温度均高于空气冷却器的空气设计温度。

2.1 原料气组分及进气条件

2.1.1 原料气组分

原料气组分见表2。

表1 2017 年—2019 年每月的平均温度

表2 原料气组分

2.1.2 原料气进气条件

装置界区处的原料气进气压力为5.7 MPa，原料气至液化区的压力为5.32 MPa，原料气至液化区的温度为35 ℃。

2.2 空气冷却器喷雾前对装置产能的影响

近3 年来，该装置实际平均产能（以设计产能的百分比表示）见表3。

表3 环境月平均温度与装置产能

从表3 数据可以看出，当环境温度高于空气冷却器的空气设计温度时，装置产能低于设计产能，且随环境温度的升高而降低。所以，要提升装置产能，就必须改善空气冷却器的换热效果。因此，在不改动装置原设备布置的前提下，采用了对空气冷却器进行喷雾的方法。

3 空气冷却器喷雾后对装置产能的影响

当环境温度高于空气冷却器的空气设计温度时，为提升或保持装置的产能，必须改善空气冷却器的换热效果。在此，采用对级间冷却器和出口冷凝器进行喷雾降温的方法。通过喷嘴将雾化的脱盐水喷在空气冷却器的进风口：一方面，部分水雾蒸发使空气冷却器的进口空气增湿降温，提高了传热温差；另一方面，雾化水滴在空气冷却器的翅片表面形成一层薄水膜，水膜的汽化潜热也强化了空气冷却器的换热能力。上述两方面都可改善空气冷却器的换热效果。在实际运行中，雾化水滴与空气的接触量、接触时间都不可能无限长，所以降温后的空气不可能达到饱和状态。在工程设计中，一般选取的最大许可相对湿度为90%[3]。在喷雾过程中，雾化水滴的蒸发是非常复杂的物理过程，涉及到动量、热量和质量的传递及输运等复杂过程，目前尚无法给出定量的数学描述[4]。

表4 级间冷却器和出口冷凝器4 月—9 月的喷雾量

3.1 喷雾量的计算

由于喷雾过程复杂，且同时具有空气增湿降温和水膜汽化降温两个特点。整个降温过程中这两方面所占的比例，目前尚无数学模型或关系式进行定量。为简化问题，对喷雾降温过程作理想化处理，分别以空气增湿降温和水膜汽化降温两个极端情况进行讨论。基于以上假定，对喷雾量进行计算分析。喷雾水为脱盐水，温度为20 ℃，供水压力为0.6 MPa。喷嘴的尺寸为3.2 mm，喷雾角为120°，材质为304 L，呈三角形布置在空气冷却器的进风口。

3.1.1 空气增湿降温过程喷雾量的计算

假定雾化水滴与空气冷却器进口空气充分接触并进行充分的热湿交换。喷入的雾化水滴完全蒸发又回到空气中，空气相对湿度和含湿量增加，同时空气温度降低，湿空气的焓值不变，即是一个等焓加湿过程。在该过程中，可认为空气的湿球温度不变，干球温度随含湿量的增加而降低，可以根据空气含湿量的变化计算出喷雾量[4]。

根据上述计算原理，依据公式（1）分别计算级间冷却器和出口冷凝器在4 月—9 月的喷雾量，见表4。经喷雾后的空气最终相对湿度选取为90%。

式中：W为空气冷却器的干空气量，kg/h；d2为空气冷却器的出口干空气含湿量，g/kg；d1为空气冷却器的进口干空气含湿量，g/kg；F为喷雾量，kg/h。

级间冷却器的空气量为3 538 634 kg/h，出口冷凝器的空气量为2 054 257 kg/h。通过表4 的计算结果可以看出，当喷雾后的空气最终相对湿度为90%时，喷雾后的空气干球温度与空气冷却器的空气设计温度仍有差距，这主要受喷雾前空气干球温度和相对湿度的影响。喷雾前相对湿度越大，喷雾前后空气的含湿量变化越小，喷水量也就越小。

3.1.2 水膜汽化降温过程喷雾量的计算

假定喷雾水滴在空气冷却器翅片管上形成均匀的薄水膜，并直接喷雾在翅片管表面，水膜汽化后吸收空气中的热量，当空气饱和时，汽化降温的过程即停止。喷入的雾滴完全汽化，根据喷雾前后空气的温度变化计算出喷雾量。

根据上述计算原理，依据公式（2）和（3）分别计算级间冷却器和出口冷凝器在4 月—9 月的喷雾量，见表5。经喷雾后的空气最终相对湿度选取为90%。

式中：Cp为空气比热容，取1.01 kJ/（kg·K）；M1为空气冷却器的空气质量流量，kg/s；M2为喷雾量，kg/h；T0为喷雾前湿球温度，K；T1为喷雾前空气温度，K；T2为喷雾后空气温度，K；ΔHs为水的汽化潜热，2 256.25 kJ/kg。

表5 级间冷却器和出口冷凝器4 月—9 月的喷雾量

级间冷却器的空气量为3 538 634 kg/h，出口冷凝器的空气量为2 054 257 kg/h。通过表5 可看出，当喷雾后的空气最终相对湿度为90%时，喷雾后的空气干球温度与空气冷却器的空气设计温度仍有差距，这主要受喷雾前空气干球温度和相对湿度的影响。喷雾前后干球温度相差越小，喷雾水量也越小。

空气增湿降温和雾滴汽化潜热降温的机理不同。同一工况下，对喷雾量采取了不同的计算方法：对于空气增湿降温，根据空气含湿量的变化计算喷雾量；对于雾滴汽化潜热降温，根据喷雾前后空气的温度变化计算喷雾量。由于在实际运行过程中，这两种情况同时存在，很难用数学模型或关系式对降温过程进行准确的定量，上述计算结果作为实际运行的一种参考和借鉴。

3.2 空气冷却器喷雾后对装置产能的影响

根据原料气的组分和进气条件，计算了对级间冷却器和出口冷凝器喷雾后的装置产能，并与喷雾前的产能进行了比较，见表6。

表6 空气冷却器喷雾前后装置产能的变化

通过表6 可以看出：喷雾前，4 月—9 月，环境温度均高于空气冷却器的空气设计温度，装置产能大部分较低，最低只有65%；喷雾后，计算出的装置产能绝大多数在90%以上。喷雾前的全年平均产能为93.4%，喷雾后的全年平均产能为101.3%，满足装置设计的100%产能目标。由此可见，对空气冷却器采用喷雾增湿降温的方法，可有效提升装置的产能，降低产品的单位能耗。

4 结语

采用空气冷却器进行冷却的液化天然气装置，降温效果受环境温度的影响较大，尤其是在夏季。本研究结合PRICO 液化工艺，根据液化天然气装置实际的运行情况，在其他条件不变的前提下，分析了环境温度变化对装置产能的影响，并提出了对空气冷却器进行喷雾增湿以改善其降温效果的方法。通过对比喷雾前后装置产能的变化，验证了该方法的有效性和可靠性，对具有相同或类似情况的液化天然气装置，具有一定的指导参考意义。需要注意的是：在具体的实施过程中，喷雾的水量不会完全汽化，需要考虑这部分水的收集和再利用的问题；喷雾量的计算过程基于一些假定条件，与实际情况有些差距。