LNG接收站内不同类型的ORV性能对比与分析

2023-04-29王顺学丁欢毕海胜

化工机械 2023年2期

王顺学　丁欢　毕海胜

摘要通过对LNG接收站内不同类型的两种开架式气化器（ORV）的结构、材质、运行参数和实际运行情况进行对比，分析两种气化器的性能特点，并提出改进建议，为LNG接收站的运行提供参考。

关键词 LNG接收站开架式气化器性能对比设备选型

中图分类号 TE8 文献标识码 B 文章编号 0254?6094（2023）02?0273?05

“双碳”背景下能源转型从“十四五”起跑，天然气迎来重要的发展机遇，随着近年来我国进口天然气规模持续攀升，LNG接收站作为进口LNG接收终端，在我国沿海地区快速兴起。LNG接收站主要是对LNG船远洋运输的LNG进行接收和储存，且在增压和气化之后输送到天然气管网。在LNG接收站的运行过程中，LNG气化是接收站运行的关键工艺流程。

目前国内接收站在用的LNG气化器主要有开架式气化器（Open Rack Vaporizer，ORV）、中间介质气化器（Interme?diate Fluid Vaporizer，IFV）和浸没燃烧式气化器（Submerged Combustion Vaporizer，SCV）3种。气化器是LNG接收站中不可或缺的核心设备之一，随着LNG接收站的大规模投产应用，ORV逐渐成为最主要的气化器类型［1］。ORV较其他两类气化器优势明显［2，3］：一是工艺结构简单，运行稳定且使用寿命长；二是ORV降低能耗效果显著。根据相关测算数据，一台ORV的生产成本仅为SCV生产成本的十分之一，从运行能耗上看，ORV仅在海水泵、海水过滤和海水净化方面消耗电能，而SCV除去鼓风机、水泵等设备耗能之外，还会消耗站内大量的燃料气。ORV因其结构紧凑、运作成本低、负荷范围宽、气化效果好、能耗低、运行维护便捷成为接收站气化单元的首选［3］。

笔者以中石油江苏液化天然气有限公司所使用的设备为例，对不同的ORV气化器结构材料构成性能差异和运行参数进行对比分析，提出改进建议，并比较分析出两种换热器在不同环境下的性能优势。

1 LNG接收站工艺流程

LNG接收站一般具有LNG卸船储存、BOG（Boil?off Gas）处理、气化外输等功能［4］，如图1所示。LNG一般情况在-162 ℃、常压（微正压）储存。由于LNG储罐漏热致外部热量渗入而产生蒸发气体即BOG，BOG汇入总管经BOG压缩机增压至约0.70 MPa，进入再冷凝器重新冷凝成LNG。LNG储罐内的液体经罐内LNG低压泵增压至1.20 MPa，其中一小部分进入再冷凝器顶部吸收BOG压缩机增压后的BOG，并使其再冷凝为LNG，从再冷凝器底部出来的LNG与主路LNG汇合，并通过高压泵进一步增压至10.0 MPa后输送至气化器，气化后经过外输管道进入输气干线。

2 ORV气化器介绍

英国Marston Excelsior开发了第1台ORV气化器，并将该设备安装于英国的肯维岛上。随后，日本东京燃气与住友精密工业株式会社合作，开发出性能更好的ORV，并且得到世界LNG行业内的认可［5］。ORV的工作原理是以海水为热源进行换热，在运行过程中，从海水槽溢流堰溢出的海水在换热板片上形成平整均匀的液膜，随着重力自上而下流动，-162 ℃的LNG在液相分配系统增压后，进入ORV换热板片内管，自下而上在换热管内流动，与海水流动形成对流两者进行传热，LNG随之气化后升温至1 ℃以上，进入外输管线，具有运输成本低、安全可靠的特点［6，7］。其工作流程图如图2所示。

3 不同ORV设备的对比

ORV是LNG接收站使用最为广泛、频率最高的气化设备之一。ORV的设计制造具有多学科交叉融合的特点，涉及热工计算、低温两相流高效换热管设计制造技术、高精度海水分布系统设计与制备、多层金属过渡接头制备、ORV表面处理技术、焊接集成建造技术等多项关键技术。由于国外技术封锁，国内LNG接收站在ORV国产化之前大部分使用神户制钢所株式会社和住友精密工业株式会社两家公司的产品，不但价格高而且供货周期长，影响LNG接收站的建设周期。笔者针对神户制钢和住友两家公司生产的ORV，从换热管结构、设备性能、运行参数等方面进行对比分析。

3.1 换热管结构差异

ORV的换热管是开架式气化器换热的基本单元，也是ORV中最重要的核心部分，一般采用星型翅片结构，管内增加螺旋插入物，以增加换热管的换热面积，提高换热效率。换热管的结构设计需要综合考虑换热效率、翅片结构、承压、外表面对海水的分布及抗振动性等因素［8，9］。图3为两个不同厂家ORV的翅片管形状。

神户制钢和住友生产的两种翅片管主要存在以下差异：

a. 管外采用了两种不同的翅片结构，住友产品翅片管的翅片呈中心发射状排布，翅片端部较钝；而神户制钢产品翅片管的翅片垂直于中心截面向上或向下排布，呈尖角结构。两种结构都能够对海水水膜自上而下流动起到较好的导向作用。但从实际运行情况看，住友翅片管表面海水与管壁贴合较好，海水液膜分布较好。

b. 翅片管表面積不同。住友产品翅片管的截面周长约365 mm，神户制钢产品翅片管的截面周长约289 mm，单根换热管与海水接触面积住友产品明显大于神户制钢产品。

3.2 换热管材质差异

根据厂家提供的资料，住友ORV的翅片管材料为5052铝合金，LNG集管和NG集管材料为5083铝合金，神户制钢的ORV翅片管材料为6063铝合金，LNG集管和NG集管材料为5083铝合金。5052铝合金属为低Mg含量，不能经热处理强化的铝合金，Mg含量在2.2%～2.8%之间，具有良好的耐蚀性、塑性高、成型及焊接性能良好等特点，而6063铝合金属于可热处理强化的Al?Mg?Si系铝合金。该合金强度中等，具有良好的可挤压性，较好的耐蚀性，可焊接性能较好。

3.3 运行性能差异

在相同海水温度、流量和LNG流量下，住友ORV换热海水跟换热翅片的贴合度更高，因此换热效率更高。依据江苏LNG接收站冬季运行数据统计情况，住友ORV结冰高度较神户制钢ORV低，说明住友ORV的气化能力较神户制钢ORV的气化能力强。例如：在海水温度为5.5 ℃、LNG流量为130 t/h时，神户制钢ORV结冰高度峰值为0.50 m，住友ORV结冰高度峰值为0.40 m。在海水温度持续下降时，两种气化器的气化性能呈现不同的变化，具体如图4所示。

3.4 防护涂层差异

神户制钢和住友生产的ORV表面均采用热喷涂铝锌涂层的防腐处理方式［10］。从涂层厚度的测量数据看，神户制钢ORV表面上的涂层厚度较住友ORV薄，翅片管上涂层厚度一般在150 μm左右，集管上涂层厚度一般在300 μm左右。江苏LNG接收站使用的3台住友生产的ORV在连续运行25 000 h后达到维修标准，涂层出现不同程度的鼓包、脱落，集管与换热管连接处的焊缝边缘出现基体腐蚀的情况，翅片管翅片的部分位置出现基体腐蚀问题。使用的一台神户制钢生产的ORV，在连续运行2 000多小时后，集管表面出现大量涂层脱落点，脱落点直径在5 mm左右。

根据ORV厂家提供的资料分析，影响ORV涂层使用寿命的因素主要有海水含金属Hg2+和Cu2+浓度、海水含沙量和使用海水温度［11］。江苏LNG海域海水含金属阳离子的取样分析和海水温度均满足使用要求。但是江苏LNG海域为高含沙量海域，ORV换热海水含沙量的建议值为148 mg/L，本海域含沙量取样分析均值为389.3 mg/L，海域深度均值为-6 m，海水含沙量测量数据见表1，由此可知ORV涂层脱落的主要因素是海水含沙量大，进而对换热效率也产生了一定的影响。

4 改进措施

通过对两种进口ORV的参数、性能、材料和结构的分析，目前已基本实现ORV产品国产化并首次在江苏LNG接收站实现应用，从国产化ORV使用情况来看：虽然单个翅片管的翅片数量明显少于进口产品，节省了材料成本，但在海水槽水流分布机构设计上明显不足，导致整体换热效率低于进口产品，冬季温度低于5 ℃情况下翅片结冰厚度明显高于进口ORV产品；另外ORV表面涂层抗腐蚀冲刷能力较进口产品略差，维护周期一般3年（进口产品一般5～6年），影响了设备的实际使用寿命，增大维修成本。

上述分析可为国产化气化器的设计和结构改进提供参考。笔者建议国内ORV生产厂家针对海水槽水流分布结构与ORV换热性能提升方面开展相关的研究改进工作，提高海水与换热翅片的有效接触面，进而提高换热效率，提高ORV在低温环境下的运行能力，扩大ORV的温度使用范围，为LNG接收站的节能减排做出贡献；另外针对恶劣海况，进一步优化提升国产ORV表面涂层抗冲刷和耐腐蚀性能，从涂层材料配比、施工工艺上进行改进，延长设备使用寿命，降低LNG接收站的维护成本。

5 结束语

通过对江苏LNG接收站两个不同设备供应商的ORV产品进行对比分析，结合实际运行数据分析，得出以下结论：

a. 住友生产的ORV单个换热管的换热面积较神户制钢大且与海水的换热效率更高，提高了设备在临界海水温度的气化能力。

b. 在高含沙量海域，由于住友生产的ORV涂层厚度略高于神户制钢，表现出的涂层耐腐蚀性能优于神户制钢ORV。涂层厚度对于腐蚀的防护起到了一定的积极作用。

c. 国产化ORV产品应针对运行中的不足和短板，强化对进口ORV性能的对比深化研究，提高国产化产品的安全性、稳定性。

参考文献

［1］王同吉，陈文杰，赵金睿，等.LNG接收终端气化器冬季运行模式优化［J］.油气储运，2018，37（11）：1272-1279.

［2］顾安忠，鲁雪生.液化天然气技术手册［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［3］顾安忠.液化天然气技术［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［4］李世斌.BOG压缩机入口阻力增高的原因分析及改进措施［J］.上海煤气，2011（3）：1-4.

［5］孙启迪.开架式气化器表面结冰传热数值模拟［D］.兰州：兰州理工大学，2016.

［6］王玉娟，刘景俊，王剑琨，等.LNG超级开架式海水气化器传热特性模拟优化［J］.天然气化工（C1化学与化工），2021，46（1）：113-120.