不同工況下開架式氣化器最小海水流量計算

施海青，陳波，陳帥，黨延輝，敬興龍

(1. 新疆華隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；2. 中石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000；3. 中石油大連液化天然氣有限公司，遼寧 大連 116600)

不同工況下開架式氣化器最小海水流量計算

施海青1，陳波2，陳帥3，黨延輝1，敬興龍1

(1. 新疆華隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；2. 中石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000；3. 中石油大連液化天然氣有限公司，遼寧 大連 116600)

由于液化天然氣(LNG)流量、壓力、溫度、組分和海水溫度的不同，開架式氣化器(ORV)所需的海水流量也不一樣，普遍產生能耗過?，F象。為了確定所需最小海水流量： 以ORV性能曲線為基礎，確定其機械限定LNG流量，并通過1stOpt軟件采用多元非線性擬合找到特定條件時，不同LNG流量、壓力和海水溫度下所需最小海水流量的函數式；由BWRS方程計算特定條件及實際參數下ORV入口LNG、出口天然氣(NG)的焓值，再由能量守恒原則得到實際所需最小海水流量；通過計算機編程設計出計算軟件。為了驗證計算精度，通過性能曲線數據、Apsen_Plus軟件及能量守恒式計算出實際工況對應的理論最小海水流量；將理論海水流量與軟件計算值對比求出相對誤差。結果證明： 最大相對誤差小于3%，能較好地計算所需最小海水流量，為ORV優化、節能運行，海水泵選型、變頻提供了一定的理論參考。

開架式氣化器 LNG接收站 海水流量 非線性擬合 BWRS方程 相對誤差

目前，中國液化天然氣(LNG)接收站主要采用浸沒燃燒式氣化器(SCV)、開架式氣化器(ORV)和液體介質氣化器(IFV)作為LNG氣化裝置[1-4]。SCV雖然運行成本高，但初期投資較低且運行不受環境溫度影響；ORV和IFV以海水作為氣化媒介，運行主要受到海水溫度及含沙量影響[5]，當海水溫度低于設計值時將無法使用，但運行成本較低而廣受接收站青睞。IFV通常在沙的質量濃度大于80mg/L的接收站使用，如上海LNG接收站；而海水水質較好的LNG接收站通常選擇ORV作為主要氣化裝置，如大連LNG接收站。

ORV工藝流程如圖1所示，海水由海水泵加壓后送入海水管線，再由海水槽底部充滿海水槽，海水經溢流導向板從LNG換熱管束頂端緊貼管束流至底端，在此過程中與管束內LNG換熱，將LNG氣化為天然氣(NG)，換熱之后的海水匯集至海水溝經排海管線流入大海[6]。根據ORV設備技術資料顯示： 正常情況下ORV入口海水溫度不得低于5.5℃，同時在實際運行中，LNG接收站天然氣外輸管網壓力一般較高，所以ORV入口LNG壓力也較高，通常在4.5～10.0MPa。而影響ORV所需海水流量的因素主要包括： LNG流量、壓力、溫度、組分和海水溫度，若海水流量過低，不僅無法氣化管束內的LNG，同時也可能對ORV造成結構性損壞；反之若海水流量過高，則使得能耗過剩，增加LNG的氣化成本。因此，研究不同工況ORV所需海水流量對其安全、可靠和節能運行具有重要意義。為了滿足ORV正常運行要求，下面將對海水溫度在4.5～30.0℃、LNG壓力為4.00～10.36MPa范圍內所需的海水流量展開分析。

圖1 ORV工藝流程示意

1 ORV機械限定LNG流量計算

ORV機械限定LNG流量是指其他工況條件全部滿足的情況下，在一定LNG壓力時，ORV設備結構、傳熱及材質所能承受的最大LNG流量[7]。不同LNG壓力下，ORV所允許的最大LNG流量也有所差異，如圖2所示。從圖2可以看出，LNG壓力在4.00～6.00MPa時，機械限定LNG流量與LNG壓力幾乎呈線性關系；當壓力范圍在6.00～10.36MPa時，機械限定LNG流量保持恒定值250t/h。

圖2 ORV機械限定LNG流量曲線示意

由圖2得出LNG壓力與ORV機械限定LNG流量間的分段函數關系式：

(1)

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

2 特定條件ORV海水流量計算

ORV性能曲線中給出了海水入口溫度不小于2.5℃時，LNG組分為富氣且溫度在-155℃下，最小海水流量隨LNG流量、壓力和海水入口溫度的變化關系。為了方便使用，首先從Performance Curve曲線圖中取出對應的數據點；然后根據取出的數據，利用Matlab作出對應的曲線關系，如圖3所示。

圖3給出了6種不同LNG壓力，海水溫度分別為4.5，5.5，10.0，20.0，30.0℃時，LNG流量與海水流量的關系曲線[8]。從圖3中可以看出，海水流量隨LNG流量呈線性變化關系；海水溫度在10.0℃時，曲線斜率最小，且溫度偏離10.0℃越大，斜率也越大。

圖3 不同壓力下ORV性能曲線示意

2.1分段及擬合模型建立

分段是為了提高計算的精度，但分段過多又會增加計算的難度。經過綜合分析和考慮[9-10]，在滿足精度且分段最少的前提下，對圖3中列出的各種情況采用如下分段方式處理，見表1所列。LNG壓力在4.00～10.36MPa中分為5段，海水溫度在4.5～30.0℃間分為3段。

表1 根據壓力溫度擬合分段情況

根據圖3和表1：

1) 在LNG壓力和海水溫度一定的情況下，海水流量與LNG流量可表示為：

qm_sw_spe=Aqmqm_LNG+Bqm

(2)

式中：qm_sw_spe——特殊條件下的海水流量，t/h；qm_LNG——LNG流量，t/h；Aqm，Bqm——關系系數。

2) 由于對壓力采取了5段處理，則在各分段內當LNG流量、溫度一定時，可將海水流量與LNG壓力當作線性關系處理，如式(3)：

qm_sw_spe=AppLNG+Bp

(3)

式中：Ap，Bp——關系系數。

3) 對于海水溫度采用了3段處理，在第1段、第2段將海水流量與海水溫度當作線性關系，而第3段則看作二次曲線關系處理[11]，如式(4)：

(4)

式中：tsw——海水溫度，℃；AT，BT，CT——關系系數。

通過以上分析，可以建立海水流量隨LNG流量、壓力和海水溫度變化的三元交互分段擬合模型。對于海水溫度第1段、第2段與LNG壓力分段的擬合模型可表示為式(5)，而海水溫度第3段則按式(6)擬合模型執行[12-15]。

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

(5)

(6)

式中：ki——擬合模型系數，i=1, 2, 3, …, 12。

2.2模型系數求解

要求得各分段范圍內的模型系數，首先通過ORV性能曲線獲得一系列工況點的相關數據，然后采用1stOpt軟件選擇適合的優化算法進行三元擬合。由于2.1節中分段較多(15段)，且擬合過程也基本類似，因而以LNG壓力： 4.00～5.00MPa，海水溫度： 4.5～5.5℃的第11段進行詳細的分析，而其他分段的模型系數求解則只給出最后結果。

2.2.1第11段內模型系數事例

第11段內的LNG壓力范圍為4.00～5.00MPa，海水溫度為4.5～5.5℃，從圖3中獲取擬合所需數據，數據見表2所列。

表2 第11段內模型擬合所需數據

由表2數據，通過1stOpt軟件，采用“準牛頓法+通用全局優化法”求得式(5)中的模型系數ki。同時擬合相關系數為0.9999998，說明擬合式能較好地涵蓋實取數據，具有一定的普遍性。綜上所述，擬合式可以較為準確地求解第11段內其他數據點的海水流量。

2.2.2其他分段號內模型系數求解

剩下的14種分段內，則沿用與2.2.1條相同的方式來求解其模型系數。從計算結果驗證了各分段號對應擬合式的相關系數均大于0.999999，說明擬合式能較好地涵蓋實取數據；同時所有擬合式的擬合關系曲面也都連續、平滑變化，無任何突變點。因此，各分段號對應擬合式都可以較為準確地求解其范圍內其他數據點的海水流量。

3 BWRS方程求解NG及LNG焓值

BWRS方程作為求解NG及LNG[16-17]物性最好的狀態方程之一，在求解NG和LNG焓值方面已經非常成熟，相關的文章也層出不窮。所以在此無需詳細說明，而是給出相應的求解步驟。具體步驟如下：

1) 根據純組分的臨界參數確定其BWRS方程的11個參數。

2) 根據各組分摩爾分數、天然氣混合法則及各組分二元交互系數確定天然氣BWRS方程中的11個參數。

3) 根據NG及LNG密度初值，由正割法求解其密度。

4) 天然氣各純組分理想氣體焓值求解。

5) 根據理想氣體混合規則，確定天然氣理想氣體焓值。

6) 等溫焓差法求解NG及LNG焓值。

4 能量守恒求解ORV實際海水流量

根據以上分析可知，影響ORV所需海水流量的因素主要包括： LNG流量、壓力、海水溫度及LNG溫度和組分。性能曲線反應了特定條件下海水流量與其他幾個因素間的關系。所以在求解實際海水流量時，可按以下步驟完成：

1) 計算特定條件ORV所需最小海水流量。

2) 求解特定條件下NG與LNG質量比焓，并確定其質量比焓差。

3) 求解實際工況NG與LNG質量比焓，同時確定其質量比焓差。

4) 由于LNG組分及溫度對ORV氣化效率影響很小，因而在此將兩種情況的氣化效率(η)看作相等；同時，該計算方法是以海水入、出口溫差相同及單位質量的海水提供能量相同為前提，通過改變海水流量來改變海水所提供的總能量。因此，根據能量守恒定理可得方程組：

(7)

式中： ΔHspe——特定條件下NG與LNG質量比焓差，kJ/kg；cp_sw——海水定壓比熱熔，kJ/(kg·℃)；ΔH——實際參數下NG與LNG質量比焓差，kJ/kg；Δt——海水入、出口溫差，℃；qm_sw——實際海水流量，t/h。

化簡式(7)求得實際ORV所需海水流量：

(8)

5 軟件設計及使用說明

由以上研究、分析，在Forcecontrol V7.0平臺上利用計算機編程技術設計出ORV海水流量計算軟件?？紤]到ORV實際運行LNG負載流量會受到海水流量下限及上限影響，同時LNG最大流量也是運行中非常關注的，所以在軟件中也計算了實際情況下海水上、下限所對應的最大LNG流量；而實際運行中，由于ORV入、出口壓差非常小，出口NG溫度(tNG)也與海水溫度相差很小，所以在軟件中將出口NG壓力pNG看作與pLNG相同，tNG等于tsw。

使用過程中： 首先點擊“設置”按鈕，彈出“ORV_參數設置”對話框；在對話框中選擇“特定計算”或“實際計算”標簽，對話框將顯示對應計算所需輸入的參數。對于個別的計算參數也可在“人機界面”工藝流程簡圖中直接輸入。在完成參數輸入后，點擊“運算”按鈕，則“工藝流程簡圖窗”會顯示相應的流程狀態；同時“計算結果顯示窗”會給出相應的計算結果。

6 軟件計算結果誤差分析

1) 誤差分析[18-19]。選擇表3所列LNG組分時，首先應計算出理論海水流量，然后利用軟件再計算出海水流量，并進行對比分析，求出其相對誤差。

表3 實際LNG組分

2) 理論海水流量計算。

a) 由Apsen_Plus軟件計算出5種工況在特定條件與實際參數的NG與LNG焓差。

b) 在性能曲線中取出5種工況對應的海水流量。

c) 根據焓差、性能曲線海水流量和式(8)得到理論海水流量。

3) 軟件計算海水流量，則只需在軟件中輸入5種工況的參數，直接用軟件計算便能得到，具體數據見表4所列。

表4 軟件計算的誤差分析數據

通過以上分析可以看出，軟件最大相對誤差小于3%，具有較高的計算精度，能較好地滿足LNG接收站實際運行需求。

7 結束語

不同工況下ORV所需海水流量是其運行中的最重要參數之一。由ORV性能曲線通過分段擬合找到特定條件下的海水流量；由BWRS方程計算出所需焓差；根據能量守恒求得實際所需的海水流量；采用計算機編程技術設計出相應的計算軟件。通過誤差分析，計算相對誤差小于3%，具有較高的計算精度。

例如，當ORV低LNG負載運行時，所需海水流量便低于額定海水流量，這時可計算出所需最小海水流量，并通過低負荷海水泵或海水泵變頻技術為ORV提供小流量海水，以降低氣化成本，達到節能目的；同時，當LNG接收站外輸量只需1臺海水泵提供海水就能滿足氣化要求，但此時外輸量又大于單臺ORV的最大LNG負載時，則可計算出最小海水流量，并采用臺海水泵為2臺ORV提供海水來達到節能目的。因此，ORV最小海水流量計算是其節能、優化運行，海水泵選型或變頻的前提。

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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，獲學士學位，畢業于中國石油大學(北京)工商管理專業，現就職于新疆華隆油田科技股份有限公司，主要從事油田自動化、數字化、智能化及系統工程和液化天然氣等相關領域工程技術研究工作，任自動化事業部經理，工程師。