小型撬裝液化天然氣實驗裝置用于教學實驗的探討

王武昌, 李玉星, 朱建魯, 韓 輝

(中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院, 山東 青島 266580)

天然氣行業，尤其是液化天然氣進入高速發展時期,大量的液化天然氣工廠、接收站及氣化站建成并投產,同時液化天然氣作為汽車及輪船用燃料等應用也日益得到重視[1-3],我國在天然氣液化、儲運、汽化及利用等技術及設備方面取得了長足的發展[4-7]。我校于2009年開始在油氣儲運工程及建筑環境與能源應用工程2個專業開設了液化天然氣利用技術的限選課,目前已經有2個專業9個年級1 000余學生學習了該課程。該課程體系已經比較完善,但是由于液化天然氣本身易燃易爆,且液化系統及裝置復雜[8-9],使得課程相關實驗教學實施非常困難[10-11],教學效果很不理想。隨著我校2017版新大綱的編制實施,配合專業認證并與國際接軌,對學生實踐創新能力的要求也顯著提高。為了提高教學質量、加強學生對液化天然氣工程的認識和理解,教研組在參與國家科技重大專項計劃“FLNG/FLPG油氣處理和液化關鍵技術研究”過程中,研制了一套小型撬裝天然氣液化裝置。該裝置配套相關的氣體處理、液化及汽化等設備,具有實驗性能好、可操作性強、安全可靠等特點[12-15]。本文就該裝置用于教學實驗的可行性和擬開設的相關實驗項目等方面進行探討。

1 小型撬裝實驗裝置工藝流程及性能

小型撬裝天然氣液化實驗裝置是一套工程配套齊全的小型實驗裝置,按照天然氣液化工廠設備要求進行設計和建設,原料氣系統采用防爆設計,可以用于天然氣液化生產。

1.1 液化裝置的工藝流程

該裝置采用的是自主設計的丙烷預冷的雙氮膨脹工藝,液化流程由3部分組成,分別是氮氣膨脹制冷循環(主循環)、丙烷預冷循環、天然氣液化及天然氣返流氣回路。其中丙烷預冷循環用于預冷天然氣,氮氣膨脹制冷循環用于天然氣液化和深冷[12]。裝置流程和實物分別如圖1和圖2所示。

考慮到室內實驗的安全性,裝置采用氟利昂代替丙烷作為預冷介質,其制冷溫度與丙烷非常接近,在確保實驗安全的同時,可以實現液化過程預冷節點溫度的研究[12-13]。

天然氣原料氣進入天然氣緩沖罐,經計量后進入液化冷箱,經過板翅式換熱器上段被冷卻至-18 ℃,然后進入氟利昂蒸發器段被冷卻至-30 ℃,最后經過板翅式換熱器下段被冷卻至-173.5 ℃,經節流閥節流降壓后,進入液體分離罐,最終LNG液體通過分離罐排出冷箱,進入下一單元的LNG泵增壓及氣化器復溫后循環使用。

為冷箱提供冷量的是氟利昂機組及2臺高低溫膨脹機,氮氣進入冷箱,經板翅式換熱冷卻至-58 ℃,然后分成2股,一股進入高溫膨脹機,膨脹至-122 ℃,返流進入板翅式換熱器,為天然氣液化提供冷量；一股繼續冷卻至-146 ℃,進入低溫膨脹機,膨脹至-176 ℃,返流進入板翅式換熱器下段,為天然氣深冷提供冷量。

圖1 小型撬裝天然氣液化實驗裝置流程圖

圖2 小型撬裝天然氣液化實驗裝置圖

1.2 液化裝置主要設備

(1) 冷箱模塊。冷箱模塊包含了以下幾個主要設備:板翅式換熱器、高溫膨脹機、低溫膨脹機、低溫液體分離罐和節流閥。該模塊單獨成一個撬,其中板翅式換熱器中間各段節點溫度均可測量。

(2) 氮氣壓縮模塊。氮氣壓縮模塊主要包括氮氣壓縮機、入口緩沖罐和出口緩沖罐單獨成一個撬。壓縮機附帶旁通,并安裝啟動調節閥,可以從控制柜上控制閥的開度以調節壓縮機出口氮氣的流量和壓力。

(3) 預冷模塊。預冷模塊為氟利昂預冷機組,單獨成撬,用于提供預冷冷量。

(4) LNG儲罐模塊。LNG儲罐采用特制方式制作,容積175 L,工作壓力1.4 MPa,工作溫度-171 ℃,主要有2個用途:用于實驗初期向氣液分離器中充入液氮,作為實驗氣源；用于儲罐內LNG蒸發規律實驗研究。該儲罐內置液位計、溫度和壓力傳感器,單獨成撬。

(5) LNG增壓汽化模塊。該模塊是為了完成實驗裝置循環而設計,實驗中擬直接對液化的氮氣通過泵增壓然后進入氣化器汽化,汽化后的氮氣經過緩沖罐穩定后進入冷箱，完成下一次的液化過程。主要包括低溫泵、高壓氣化器、原料氣緩沖罐。

此外,為了滿足實驗裝置的運行要求,裝置擁有空氣制氮(PSA)和冷卻水2個公用模塊。

1.3 液化裝置的性能

該小型撬裝實驗裝置研制的目的是開發和驗證液化工藝,因此裝置具有良好的調節性能和完整的檢測系統,可以開展多種工藝運行參數的敏感性分析,調節性能參數及范圍如表1所示

表1 液化裝置參數調節表

圖3 實驗裝置液化率隨原料氣處理量的變化

圖4 實驗裝置比功耗隨原料氣處理量的變化

研制的小型撬裝實驗裝置在不同的處理量下,性能也會發生變化(見圖3、圖4)。實驗表明,實驗裝置具有非常寬的處理能力,在液化率和比功耗達到滿足基礎指標的條件下,處理量可以在20%～120%之間波動,同時對原料氣的壓力及溫度等具有很好的適應性。

2 裝置用于教學實驗的可行性分析

2.1 裝置的特點

與國內外的液化實驗裝置相比具有以下特點:

(1) 工程化的配套齊全的小型實驗裝置。實驗裝置是一套完整的用于天然氣液化的實驗裝置,按照天然氣液化工廠設備要求進行設計和建設,原料氣系統采用防爆設計。

(2) 可靠的安全性。實驗裝置采用了可靠的數據采集及控制系統,具有完整的連鎖停車系統,可以實現控制室內快速停車,確保了裝置的運行安全。

(3) 撬裝化的設計。整套實驗裝置采用撬裝化設計,根據功能分為幾個模塊,撬與撬之間可以根據實驗的要求進行連接。

(4) 良好的實驗性能。本裝置原設計用于工藝開發,因此在各個環節，尤其是冷箱部分都設置了眾多的檢測點,能夠實現流程的詳細檢測。

2.2 裝置進行實驗教學的可行性分析

該實驗裝置包含了氮氣制備、氟利昂制冷、氮制冷、級聯液化、LNG儲存及汽化等多個功能模塊,既可以進行完整的液化循環實驗,也可以進行單獨模塊的實驗研究。對于油氣儲運等相關專業的教實驗具有非常好的實用性。同時實驗裝置可以采用氮氣作為原料氣,整套系統可以不涉及天然氣等易燃易爆氣體,實驗系統壓力控制在1.3 MPa以下,而且配備安全閥,具有非常高的安全性,這是進行教學實驗的必備條件。

進行實驗時,各動力設備均能在5 min以內啟動并達到穩定,隨之系統進入降溫狀態,可以進行降溫階段的實驗測試,如果前期實驗冷箱內溫度沒有復溫,則10 min以內可以出液,系統的快速啟動可以滿足實驗教學對時間的要求。在費用方面,原料氣采用空氣,氟利昂為封閉循環,2年補充一次,氮氣循環則由PSA系統制得,不需要外購。實驗費用主要為各動力設備的電費。系統總功率為60 KW/h,考慮到本校2個專業學生人數較多,需要分組實驗,針對整體液化實驗,每組30 min,每個班一組,同時增加1 h準備及輪換時間,全部完成需要5 h,即全部學生完成一次綜合液化實驗費用在300元以內。該裝置具有快速啟動、費用低、實驗耗時少等特點,可以用于教學實驗。

3 擬開設的教學實驗項目設計

該小型撬裝天然氣液化實驗裝置既可以作為一套完整的天然氣液化及汽化循環裝置,也可以進行各部分單體實驗。通過實驗可以全面了解和理解天然氣液化及汽化利用的整體流程和設備運行特點。基于液化天然氣利用技術課程大綱,利用本裝置可以開展多個實驗教學項目。

3.1 氮氣液化的整體流程實驗

由于本裝置采用了氟利昂預冷、2級氮氣并聯的級聯式工藝流程,有助于學生深入理解天然氣液化的基本原理和工藝流程的實現方法。可以通過調節原料氣、氟利昂預冷循環及氮氣循環的流量和壓力,通過中控數據觀察和分析液化工藝中各節點的參數變化，以及天然氣經過各級冷卻后的溫度變化、相態變化等。能夠比較直觀地理解天然氣如何從氣體逐漸變為液體，同時能夠理解液化工藝流程及實現方法。

3.2 制冷原理實驗

制冷是天然氣液化的關鍵,制冷系統的效果直接決定了液化的效果及功耗。該裝置融合了2種制冷原理,即氟利昂系統采用的節流閥制冷和氮氣系統采用的膨脹制冷。在整體實驗或者單獨實驗中,通過調整制冷循環的參數,其中氟利昂預冷通過調整壓縮機出口壓力、節流閥前溫度及循環流量來分析節流閥制冷的效果和參數。同時對于氮膨脹制冷通過調整壓縮機出口壓力、預冷后氮氣溫度、2級并聯各自的循環量、膨脹后的壓力等參數條件,來深入分析膨脹后冷劑的溫度,從而系統分析制冷過程的原理及主要影響因素。

3.3 液化過程的傳熱及相態變化實驗

天然氣液化過程的核心是天然氣及制冷劑的傳熱及相態變化,也是液化工藝教學中最核心的環節。冷箱是天然氣液化工程的核心設備,是制冷系統與原料系統換熱的關鍵所在,本裝置包含3個換熱器,即預冷換熱器、液化段換熱器和深冷段換熱器,3個換熱器串聯布置在冷箱中,同時在換熱器中布置有溫度傳感器和壓力傳感器,可以檢測天然氣經過3個換熱器各部分及制冷劑的壓力和溫度。

實驗中可以根據制冷系統的參數變化,從中控觀察冷箱內各換熱器節點的參數,同時在后續實驗數據處理中可以全面分析天然氣及制冷劑各系統溫度、壓力變化以及換熱器溫差曲線等,結合天然氣相圖分析,能夠得到天然氣和制冷劑在運行過程的參數及相態變化,對于增強學生對天然氣液化過程及制冷過程的理解具有非常大的幫助。

3.4 LNG增壓及汽化實驗

液化天然氣的增壓和汽化是液化天然氣利用環節的主要工藝,是大型LNG接收站和LNG加注站的核心工藝,利用實驗裝置中的LNG泵將液氮增壓后輸送到氣化器,汽化后進入放空系統。汽化過程可以實現泵增壓和氣化器增壓2種方式,是對課程液化天然氣加注和儲罐裝卸、自增壓環節的一個實驗再現。

3.5 LNG儲存蒸發特性實驗

LNG的蒸發是整個天然氣液化儲存產業鏈中一個重要的問題,目前一些工業實驗室在特殊的防護措施下進行了LNG蒸發及點燃實驗,這一實驗在普通的教學實驗室不具備相關的防護措施,因此擬采用實驗裝置中的儲罐作為蒸發特性實驗裝置,配合儲罐內的液位、壓力及溫度測量,同時可以通過儲罐內特制的升溫系統加速儲罐內的液體汽化,解決實際儲罐中LNG蒸發緩慢、蒸發實驗時間過長的問題。

3.6 其他輔助實驗

該實驗裝置的PSA制氮系統采用的是變壓吸附工藝,可以幫助學生理解天然氣預處理中的分子篩脫水脫酸工藝,同時采用液氮可以進行超低溫液體的一些揮發等安全實驗。

4 結論

在對小型撬裝液化實驗裝置介紹及性能分析的基礎上,將國家重大科研項目研制的小型撬裝液化實驗裝置與本科實驗教學相結合,探討了該裝置作為教學實驗的可行性,主要得到以下結論:

(1) 小型撬裝液化天然氣實驗裝置的工藝流程及

相關設備符合液化天然氣利用技術課程的實驗要求,同時結合實驗分析了裝置的實驗性能。通過實驗裝置工藝流程及性能分析,說明該裝置可以滿足本科生實驗教學的需要,具有非常好的實驗預期效果。

(2) 結合液化天然氣利用技術課程教學要求,設計了整體液化工藝流程實驗、液化原理實驗等多套實驗,培養學生的動手能力和創新能力,提高培養質量。

(3) 將科研實驗裝置與本科教學實驗結合,使學生在教學過程中接觸和了解國際前沿研究課題,培養學生思考和解決問題能力,激發學生的創新意識。

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