LNG接收站SCV能耗計算方法及節能技術研究

摘要：在LNG接收站項目中浸沒式燃燒氣化器（SCV）是燃燒加熱型氣化器中使用最多的一種;浸沒式燃燒法實現了高溫煙氣與水浴之間能量的直接傳遞，燃燒器產生的高溫煙氣在水中形成大量氣泡，氣液之間混合攪動強烈，因此大大加強了氣液的接觸傳熱面積，使傳熱過程增強。本篇結合中石化天津LNG接收站SCV運行現狀，給出了SCV的燃料消耗、風機送送風量和風機能耗計算方法。通過與工程運行實際參數對比，文中給出的計算方法對于特定條件下的生產耗能分析和工藝參數估算是有用的，也可以用于工程規劃階段的能耗核算，但對于詳細的工程設計過程不推薦使用本篇的計算方法。通過多組計算結果對比分析降低SCV出口天然氣溫度可有效降低燃料氣的消耗，同時也降低了壓縮空氣的消耗量，降低風機能耗;同時降低SCV出口天然氣的溫度可以大量減少燃料天然氣的消耗，最終減少了燃燒過程CO2的排放量，降低生產過程對大氣造成的污染。現歸納總結如下，供同行參考。

關鍵詞：液化天然氣;接收站;浸沒式燃燒氣化器;空壓機;節能;排放

在LNG接收站項目中浸沒式燃燒氣化器（SCV）是燃燒加熱型氣化器中使用最多的一種。它使用一個直接向水中排出煙氣的燃燒器，由于煙氣與水直接接觸，煙氣激烈地攪動水，熱效率非常高。浸沒燃燒式氣化器的特點是：結構緊湊、節省空間;初始成本低;傳熱效率非常高;適合于負荷突然增加的要求，可快速啟動;適合于緊急情況或調峰使用。

浸沒式燃燒法實現了高溫煙氣與水浴之間能量的直接傳遞，燃燒器產生的高溫煙氣在水中形成大量氣泡，氣液之間混合攪動強烈，因此大大加強了氣液的接觸傳熱面積，使傳熱過程增強[1]。煙氣的排煙溫度接近水溫（20℃左右），煙氣中的水汽冷凝熱得到全部回收，燃燒熱效率高達95%以上。與此同時SCV采用低NOx燃燒器，煙氣中NOx含量很低，減少了對大氣的污染。因為SCV要消耗燃料，操作費用高，SCV主要用于調峰或緊急狀態。當冬季海水溫度較低時IFV和ORV兩種氣化器無法使用，此時在LNG接收站SCV常被用做基本負荷氣化器。

1、SCV工藝簡介

1.1 工藝流程

鼓風機來的空氣與燃料氣在燃燒器混合、點燃，在燃燒室充分燃燒。所產生的高溫煙氣，經煙氣分配器均勻分配至堰流箱下方，高溫煙氣在上升過程中加熱堰流箱內的軟化水和LNG盤管，煙氣經混凝土水浴池上方的集氣室從煙囪排出。

自高低壓外輸泵來的LNG流經LNG盤管過程中，經堰流箱內的高溫煙氣和軟化水同步加熱后，溫度升至1℃以上外輸。

1.2 SCV的結構和工作原理

浸沒燃燒式氣化器（SCV）工作原理及結構示意圖如圖1所示。SCV氣化器主要由天然氣管束、燃燒器、燃燒室、煙氣分布器、堰流箱、煙囪、鼓風機、循環水泵、混凝土水浴池（槽）、燃氣管道、供風管道、監控儀表、控制系統等部分組成[2]。

液化天然氣管束置于水浴池液位以下，將燃料天然氣（NG）與鼓風機輸送來的空氣送入燃燒器在爐膛內燃燒，燃燒后生產的高溫煙氣經過煙氣分布器直接排入水浴池中。高溫煙氣通過分布器的鼓泡管進入水浴與水直接接觸換熱，大量氣泡攪動水浴，促進了氣水之間的傳熱和水浴與管束的換熱，換熱效率很高。這種氣/水混合物同時產生上升作用，在圍堰的限制下，在換熱管外形成自下而上的循環流動，強化了水與管束的換熱。加熱后的水通過管束與管內的液化天然氣（LNG）換熱，管內的液化天然氣被加熱氣化并過熱到要求的外輸溫度。煙氣從水面逸出后經煙囪排入大氣。循環水泵把冷卻水送入爐膛和燃燒器水夾套對其冷卻。SCV的運行是在燃燒控制管理系統的自動控制下進行的。

2、能耗指標的計算方法

2.1燃料氣性質及燃燒方程

天津LNG接收站在開車階段和停產檢修階段，一般采用來自LNG儲罐的BOG經增壓后作為燃料氣，正常生產過程中主要采用氣化后的商品氣作為燃料氣，表1給出了中國石化天津LNG接收站的典型的氣質組成。

表1中天然氣的組成主要是飽和烷烴，含有少量氮氣，基本不含水和硫化物。為簡化計算，本篇所涉及燃燒計算均指飽和烷烴的計算。烷烴燃燒化學方程式如下（式e1）。

2.2空氣壓縮機能耗計算

根據燃燒化學方程e1，燃料氣燃燒所需空氣量按公式（1）計算。

空氣空壓機功耗按公式（2）計算：

2.3 LNG氣化和加熱過程中焓變計算

在氣液平衡計算過程中，采用Peng-Robinson狀態方程及其演變方程，可以較好地計算液體的蒸發焓變[4]。

通過PR方程可推導出，液化天然氣氣化蒸發段的焓變計算按式（4）計算。

因天然氣氣化外輸過程中基本保持恒定的外輸壓力，氣化后天然氣加熱段焓變簡化計算按式（5）計算[5]。

2.4燃料天然氣的熱值計算

燃料天然氣的熱值采用公式（6）計算。根據SCV工作原理（1.2）燃料天然氣熱值應選取高熱值。

2.5 能量損失計算

SCV的能耗損失主要是包括SCV殼體的熱輻射、凝結水外排和廢氣排放3個部分的熱量損失。為簡便計算，本篇暫不計入SCV殼體熱輻射引起的熱量損失;凝結水外排和廢氣外排熱量損失參照公式（5）計算。

3、能耗和燃料消耗指標計算

3.1 SCV能量守恒關系和熱物料平衡

在LNG接收站工程生產過程中，SCV是LNG氣化和加熱的關鍵核心設備，一旦裝置建成投用其LNG入口溫度和工作壓力基本穩定，可變參數為出口溫度;SCV工作過程中燃料其燃燒釋放出的熱量，除部分能量損失（2.4）外，其余全部共給LNG氣化和加熱，能量平衡可按公式（7）計算。

根據公式（1）至公式（7），我們可以推導出燃燒氣消耗量和風機能耗的特出對應SCV出口端提案燃氣溫度的對應函數關系如下：

3.2 能量消耗指標計算結果

表2給出了不同出口端天然氣溫度對應條件下中石化天津LNG接收站SCV能耗和燃料消耗指標計算結果。

4、工程應用及操作實踐

表2和圖3、圖4數據顯示，隨著SCV出口天然氣溫度的增加，燃料氣消耗量和風機耗電量呈線性增加;圖4顯示隨著SCV出口天然氣溫度的增加，冷凝水和燃燒廢氣外排引起的能耗損失呈線性大幅度急劇增加。LNG接收站在生產運行過程中根據天然氣下游用戶需求，

在保證下游用戶用氣安全的條件下，應及時調低SCV出口天然氣溫度，降低燃料氣消耗量和風機耗電量，達到節能減排雙重目的。

2019年進入冬季，中石化天津LNG接收站工程共開啟SCV 4臺，根據下游用戶需求和配套輸氣管網運行實際，公司及時將出口天然氣溫度調低至5-10℃，水浴槽溫度約15℃燃料氣消耗和風機電耗都有大幅度的降低。

5、結論

SCV作為LNG氣化外輸的核心設備，其熱能主要來自燃料氣的燃燒釋放的熱能，燃料氣消耗量與SCV出口天然氣的溫度密切相關。降低SCV出口天然氣溫度可有效降低燃料氣的消耗，同時也降低了壓縮空氣的消耗量，降低風機能耗。

燃料天然氣燃燒產物中水將凝結成液態水，并經溢流口不間斷排出;燃燒產物CO2和空氣中壓縮空氣中不燃燒的氮氣N2從SCV煙囪連續排除。凝結水和廢氣排放都攜帶了一定量的熱能，降低SCV出口天然氣的溫度和水浴池淡水的水溫可以有效降低這部分能量的損失。

降低SCV出口天然氣的溫度可以大量減少燃料天然氣的消耗，最終減少了燃燒過程CO2的排放量，降低生產過程對大氣造成的污染。

本篇使用的計算方法對于特定條件下的生產耗能分析和工藝參數估算是有用的，也可以用于工程規劃階段的能耗核算，但對于詳細的工程設計過程不推薦使用本篇的計算方法。

參考文獻：

[1].尹星懿，浸沒燃燒式氣化器原理分析及方案優化[J]，燃氣技術，204年總第468期，9-12;

[2].蘆德龍等，液化天然氣浸沒燃燒式氣化器工藝計算，石油化工設備，2017年，第46卷，第4期，17-22

[3].李芳運，天然氣燃燒及應用技術[M]，石油工業出版社，2002年，38

[4].董軍航、徐南平等，PR狀態方程推算液體多種熱力學性質，南京化學院學報，199年，第17卷，第3期，1-5;

[5].[美]卡爾L.約斯注，陶鵬萬等譯，氣體數據手冊[M]，化學工業出版社，2003年，870。

作者簡介：

王保慶，男，1973.12出生，大學碩士，高級工程師，從事專業：石油及天然氣工程建設