空氣熱源式氣化技術(shù)在大型LNG接收終端的應(yīng)用

付子航 宋坤 單彤文

中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心

空氣熱源式氣化技術(shù)在大型LNG接收終端的應(yīng)用

付子航 宋坤 單彤文

中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心

近年來(lái)，空氣熱源式氣化設(shè)備和技術(shù)（Ambient air－based heating vaporization，AHV）因其具有環(huán)境友好、節(jié)約能源、可持續(xù)利用等優(yōu)勢(shì)而在其他國(guó)家的新建LNG項(xiàng)目中不斷得到實(shí)踐驗(yàn)證和推行。為此，介紹了AHV的技術(shù)特點(diǎn)、分類(lèi)及其在世界各地的最新應(yīng)用情況，并與常規(guī)氣化技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比，進(jìn)而提出了該類(lèi)技術(shù)的應(yīng)用條件，分析了該技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)果認(rèn)為：①LNG接收終端所處位置具體環(huán)境的氣象條件（年最低環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速、持續(xù)時(shí)間等）是選擇合適的AHV技術(shù)的關(guān)鍵因素；②設(shè)計(jì)空氣熱源氣化系統(tǒng)需要確定它的最低環(huán)境溫度以及備用熱源系統(tǒng)需要熱機(jī)備用的工況條件；③相對(duì)于浸沒(méi)燃燒式氣化器，AHV系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)明顯，且燃?xì)猓姡﹥r(jià)格比率越高，其優(yōu)勢(shì)越顯著；④在不適合采用海水開(kāi)架式氣化技術(shù)的條件下，AHV可作為優(yōu)選方案；⑤在免費(fèi)海水使用受限、天然氣燃燒制熱成本高昂的情況下，以空氣熱源作為氣化系統(tǒng)基荷熱源是最為便利和直接的選擇。為中國(guó)規(guī)劃和設(shè)計(jì)新建LNG接收終端提供了更為經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的氣化技術(shù)選項(xiàng)。

液化天然氣 空氣熱源式氣化器 環(huán)境空氣氣化器 逆流式冷卻塔 管殼式氣化器 開(kāi)架式氣化器 浸沒(méi)燃燒式氣化器 中間介質(zhì)氣化器

2011—2013年注定是中國(guó)LNG行業(yè)快速發(fā)展的“井噴期”。江蘇如東LNG、大連LNG已陸續(xù)投產(chǎn)，福建莆田L(fēng)NG擴(kuò)建工程投產(chǎn)，唐山LNG、海南LNG紛紛開(kāi)工建設(shè)，其他在建、擴(kuò)建LNG項(xiàng)目及即將開(kāi)工的LNG項(xiàng)目均已邁入實(shí)質(zhì)性進(jìn)展階段；新型離岸LNG項(xiàng)目（offshore LNG ternial，如浮式LNG）的逐步實(shí)施，更是標(biāo)志著中國(guó)LNG產(chǎn)業(yè)邁入與世界LNG行業(yè)發(fā)展前沿同步的行業(yè)。

與此同時(shí)，中國(guó)諸多LNG項(xiàng)目的工程實(shí)踐無(wú)一例外地面臨著各種工程難題和技術(shù)挑戰(zhàn)，也不斷創(chuàng)造著新的行業(yè)記錄。其中與LNG接收終端所處地理位置關(guān)系密切、最具個(gè)性化的技術(shù)挑戰(zhàn)之一，即LNG氣化技術(shù)的選擇。在投資、設(shè)計(jì)年限內(nèi)操作運(yùn)行費(fèi)、維護(hù)費(fèi)、工況與設(shè)備可靠性、技術(shù)可行性、減少排放、環(huán)境友好等關(guān)鍵因素的制約下，業(yè)內(nèi)主流的海水開(kāi)架式氣化器（ORV）、浸沒(méi)燃燒式氣化器（SCV）、中間介質(zhì)氣化器（IFV）及其組合備用，已成為中國(guó)LNG陸上接收終端氣化技術(shù)的默認(rèn)選擇范圍。而近年來(lái)，空氣熱源式氣化設(shè)備和技術(shù)（Ambient Air－based Heating Vaporization，AHV）在其他國(guó)家的新建LNG項(xiàng)目中不斷得到實(shí)踐驗(yàn)證和推行，深入研究和比較空氣熱源式氣化方案有利于擴(kuò)大技術(shù)選擇范圍。

1 空氣熱源式氣化技術(shù)的類(lèi)型及其應(yīng)用

大型LNG接收終端的污染排放物主要來(lái)自于氣化工藝過(guò)程。常用的氣化技術(shù)包括ORV、SCV及IFV。由于運(yùn)行操作費(fèi)用低廉，ORV在歐洲、日本、韓國(guó)及中國(guó)的LNG接收終端項(xiàng)目中廣泛使用，而美國(guó)則限于地方政府立法中對(duì)海水排放物的嚴(yán)格要求及保護(hù)近海浮游生物的需要，基本以采用SCV為主［1］。近年來(lái)，隨著國(guó)際上新的一批LNG接收終端進(jìn)入計(jì)劃、概念設(shè)計(jì)、基本設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)等不同階段，在區(qū)域環(huán)境狀況、地方政府法規(guī)限制、更加強(qiáng)調(diào)操作成本和環(huán)境友好理念、項(xiàng)目具體特點(diǎn)等條件下，更富競(jìng)爭(zhēng)力的LNG氣化技術(shù)被不斷提出，其中已經(jīng)為工程實(shí)踐所證實(shí)并引人注目的氣化技術(shù)之一就是空氣熱源式氣化技術(shù)。

顯然，相比于SCV或使用燃料的IFV，AHV類(lèi)似于ORV，利用并回收免費(fèi)的環(huán)境（空氣）中低階熱量來(lái)氣化LNG，意味著更少的燃料消耗、基本零排放、降低運(yùn)行成本，同時(shí)也因需要機(jī)組全套備用、補(bǔ)充熱源備用及較大的占地面積而帶來(lái)較高的投資。總體上看，環(huán)境空氣溫度、濕度及風(fēng)況是影響AHV相關(guān)設(shè)備參數(shù)和系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素。

AHV可分間接接觸（Indirect Contact）氣化和直接接觸（Direct Contact）氣化兩類(lèi)。前者借助于閉式管路的傳熱流體（HTF），利用空氣加熱HTF，HTF再經(jīng)過(guò)STV與LNG進(jìn)行換熱氣化；后者則利用空氣通過(guò)氣化設(shè)備直接氣化LNG。間接接觸氣化技術(shù)在大型LNG接收終端得到商業(yè)應(yīng)用的包括空氣翅片式（Air－Fin）換熱氣化、空氣冷卻塔（Air Tower）氣化技術(shù)；直接接觸氣化技術(shù)得到應(yīng)用的包括環(huán)境空氣氣化（AAV）和強(qiáng)制通風(fēng)氣化（FAV）技術(shù)。通常認(rèn)為，在環(huán)境溫度低于1.7℃時(shí)，空氣翅片式（Air－Fin）換熱基本無(wú)法再使用，氣化LNG要依靠備用加熱設(shè)施，而傳熱流體（HTF）的溫度則應(yīng)維持在超過(guò)0℃的范圍，以防止氣化器換熱管外層出現(xiàn)結(jié)冰，降低換熱效率［2］。空氣冷卻塔氣化技術(shù)（Air Tower）與空氣翅片式（Air－Fin）換熱技術(shù)的區(qū)別主要在于先通過(guò)空氣冷卻塔利用環(huán)境空氣加熱水，再通過(guò)熱交換后的水加熱傳熱流體（HTF），增加了一次換熱。而相較于間接接觸氣化技術(shù)，AAV或FAV的優(yōu)勢(shì)則在于可以連續(xù)地把空氣中的顯熱與LNG進(jìn)行交換，有更高的熱效率，其可接受的環(huán)境空氣溫度為0℃直至零下冰點(diǎn)。下面逐一介紹國(guó)外已投入使用的大型LNG接收終端中采用的不同類(lèi)型的AHV技術(shù)情況。

1.1 印度DAHEJ LNG接收終端空氣翅片式（Air－Fin／Fin－Fan）氣化技術(shù)

位于印度古吉拉特（Gujarat）的Dahej LNG接收終端于2004年4月投入商業(yè)運(yùn)行。由于站址所在海域的海水懸浮顆粒物（1 000～3 500 mg／L）和銅離子含量（0.13 mg／L）遠(yuǎn)高于ORV通?？山邮軜?biāo)準(zhǔn)，ORV制造廠家也認(rèn)為該條件下ORV需要每6個(gè)月進(jìn)行一次2～3 d的涂層保養(yǎng)，設(shè)備可靠性大幅降低。因此，ORV難以使用；而SCV達(dá)到其氣化總量1.3%～1.6%的偏高燃料消耗和較高水平的廢水廢氣排放問(wèn)題，也使得其難以作為主力氣化設(shè)備使用。

因此，Dahej LNG項(xiàng)目采取了環(huán)境空氣換熱的管殼式氣化器（STV）氣化技術(shù)。具體配置為112臺(tái)翅扇式或空氣翅片式（Fin－Fan或Air－Fin）空氣換熱器（16.4 MW／臺(tái)）加上7臺(tái)STV氣化器的閉式管路系統(tǒng)，STV采用36%的乙二醇水溶液作為殼內(nèi)傳熱流體（Heat Transfer Fluid，HTF）。系統(tǒng)氣化能力為1 550 m3LNG／h［3］。為了解決冬季環(huán)境溫度過(guò)低可能帶來(lái)的氣化效率大幅降低問(wèn)題，系統(tǒng)采用兩臺(tái)傳統(tǒng)的SCV氣化器備用。由于Dahej LNG接收終端內(nèi)配置了3套均為7.6 MW的燃?xì)馔钙阶鳛樽詡潆娬荆?用1備），燃?xì)怆娬居酂徨仩t水通過(guò)閉式管路進(jìn)入SCV，因此，即使作為冬季低溫工況下備用的SCV也基本不用點(diǎn)火使用，僅作為應(yīng)急設(shè)備。印度另一在建的Kochi LNG接收站也采用相同的氣化技術(shù)。Dahej LNG接收站氣化設(shè)施見(jiàn)圖1，其接收站氣化流程見(jiàn)圖2。

圖1 Dahej LNG接收站氣化設(shè)施鳥(niǎo)瞰圖

圖2 Dahej LNG接收站氣化流程示意圖

1.2 美國(guó)Freeport LNG接收終端逆流式空氣冷卻塔（Air Tower）氣化技術(shù)

位于美國(guó)得克薩斯州Quintana Island的Freeport LNG接收終端于2008年6月投入運(yùn)行，該項(xiàng)目是空氣冷卻塔氣化技術(shù)首次在大型LNG接收終端的正式應(yīng)用。其設(shè)備配置包括1座12孔的冷卻塔，7臺(tái)SCV氣化器，并通過(guò)乙烯基乙二醇作為傳熱流體［4］。12孔冷卻塔的總體尺寸為218 m長(zhǎng)、25 m高、20 m寬，熱負(fù)荷總計(jì)為930 MMBtu／h（1 MMBtu＝1.054× 106kJ）。該氣化系統(tǒng)以加熱爐（Fired Heaters）作為備用，加熱爐配有NOx脫除裝置，可使NOx含量?jī)H達(dá)9 m L／m3。

通過(guò)空氣冷卻塔換熱的水經(jīng)過(guò)板式換熱器加熱傳熱流體（HTF），進(jìn)而通過(guò)SCV氣化LNG；在冬季低溫天氣，則通過(guò)加熱爐作為備用，直接為傳熱流體（HTF）提供熱量。該套系統(tǒng)的氣化能力為2 950 m3LNG／h，最高可達(dá)到3 450 m3LNG／h?？諝饫鋮s塔系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的最低環(huán)境溫度為18℃，年運(yùn)行時(shí)間約8個(gè)月。本系統(tǒng)從投入運(yùn)行至今，一直運(yùn)行良好。Freeport LNG接收站氣化設(shè)施見(jiàn)圖3，其接收站氣化流程見(jiàn)圖4。

圖3 Freeport LNG接收站氣化設(shè)施鳥(niǎo)瞰圖

圖4 Freeport LNG接收站氣化流程示意圖

1.3 美國(guó)Sabine pass LNG接收終端空氣直接氣化（AAV）技術(shù)

Sabine pass LNG接收終端位于美國(guó)路易斯安那州Cameron Parish，于2008完成一期工程，2009年完成二期擴(kuò)建，總規(guī)模為5座16×104m3的LNG儲(chǔ)罐。

值得一提的是，Sabine pass LNG還具備管道氣液化與出口功能，可裝船Q－max船型，是美國(guó)政府批準(zhǔn)的3座可以出口LNG的3座LNG接收站之一（另外兩家分別是Freeport LNG和Sempra Cameron LNG），從2010年至今，通過(guò)現(xiàn)貨貿(mào)易已出口至西班牙、巴西、英國(guó)、韓國(guó)及印度。該項(xiàng)目是首個(gè)應(yīng)用環(huán)境空氣氣化器（AAV）作為主要?dú)饣O(shè)施的大型LNG接收終端。氣化外輸能力為5 110 m3LNG／h（一期）＋2 750 m3LNG／h（二期）。

該項(xiàng)目采用的是自然通風(fēng)型AAV，后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果在AAV頂部增加排氣風(fēng)扇，以解決大規(guī)模應(yīng)用后出現(xiàn)的“濃霧”問(wèn)題，效果良好。每18臺(tái)AAV作為一組，總規(guī)模達(dá)到16組以上。采用8組SCV（總計(jì)24臺(tái)）作為冬季低溫天氣時(shí)的備用氣化器，并類(lèi)似于印度Dahej LNG，通過(guò)閉式管路系統(tǒng)把接收站內(nèi)4臺(tái)燃?xì)庾詡潆娬荆傆?jì)120 MW）的廢熱引入SCV，充分利用余熱氣化LNG，可以節(jié)省70%的SCV所需燃料水平。Sabine pass LNG接收站效果圖見(jiàn)圖5，其接收站氣化流程見(jiàn)圖6。

圖5 Sabine pass LNG接收站效果圖

圖6 Sabine pass LNG接收站氣化流程示意圖

1.4 美國(guó)Trunkline LNG Lake Charles接收終端的氣化（SAV）技術(shù)

美國(guó)路易斯安那州的Trunkline LNG Lake Charles接收終端建成于1981年7月，分別于2002年和2003年兩次啟動(dòng)擴(kuò)建，并于2006年7月完成，該接收終端包括3座9.5×104m3的單容罐和1座14× 104m3的LNG儲(chǔ)罐，14套SCV氣化器。在2010年3月，再次完成新增4套空氣熱源氣化裝置和天然氣液體（NGL）脫除改造，最大氣化外輸能力為4 130 m3LNG／h［5］。

Trunkline LNG Lake Charles接收終端是首個(gè)商業(yè)化應(yīng)用Mustang公司專(zhuān)利LNG Smart?空氣氣化方案（SAV）作為氣化技術(shù)的大型LNG接收終端。Mustang LNG Smart?氣化與印度Dahej LNG的氣化技術(shù)原理相同，但其專(zhuān)利技術(shù)核心采用了一種鉀酸鹽水溶液作為抗低溫的傳熱流體（HTF），進(jìn)一步降低了空氣熱源氣化系統(tǒng)的可接受環(huán)境最低溫度（1.7～4.0℃），而且其翅扇式（Fin－Fan）空氣加熱器也是專(zhuān)利設(shè)計(jì)。Trunkline LNG接收站效果見(jiàn)圖7，接收站氣化流程見(jiàn)圖8。

圖7 Trunkline LNG接收站鳥(niǎo)瞰圖

圖8 Trunkline LNG接收站SAV氣化流程示意圖

2 AHV與其他氣化技術(shù)的對(duì)比分析

2004年印度Dahej LNG接收站投產(chǎn)，標(biāo)志著AHV技術(shù)首次在基荷型LNG氣化終端得到商業(yè)驗(yàn)證，隨后多種新型的AHV技術(shù)被業(yè)界不斷提出，部分技術(shù)方案在上述LNG接收站應(yīng)用。通過(guò)上述各種類(lèi)型的AHV技術(shù)及其與常規(guī)的ORV、SCV技術(shù)進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析后，可以進(jìn)一步研判AHV的適用條件。比較結(jié)果參見(jiàn)表1。

從表1可以看出，AHV技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于環(huán)境友好和較低的運(yùn)行費(fèi)用，但占地面積翻倍，而且在冬季低溫條件下需要備用其他形式的熱源作為補(bǔ)充。從已經(jīng)投入運(yùn)行的AHV實(shí)踐看，補(bǔ)充熱源更多的是利用燃?xì)怆姀S或電站余熱，盡可能地降低能耗。相對(duì)于ORV，AHV技術(shù)優(yōu)勢(shì)并不明顯，但在海水條件不適合ORV或所在地法規(guī)限制ORV使用時(shí)，AHV相比于SCV還是非常顯著的。

3 結(jié)論和建議

LNG接收終端所處位置具體環(huán)境的氣象條件是選擇合適的AHV技術(shù)的關(guān)鍵因素。這種環(huán)境氣象條件包括年最低環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速、持續(xù)時(shí)間等，這些關(guān)鍵參數(shù)對(duì)于空氣熱源氣化系統(tǒng)的設(shè)備能力選型、氣化系統(tǒng)可靠性和備用配置、運(yùn)營(yíng)操作成本等影響甚大。不同于常規(guī)的ORV、SCV氣化技術(shù)，選擇AHV技術(shù)還意味著需要結(jié)合具體項(xiàng)目環(huán)境、項(xiàng)目條件、總圖設(shè)備布置進(jìn)行與空氣熱源氣化系統(tǒng)相關(guān)的較為復(fù)雜的計(jì)算機(jī)流體力學(xué)（CFD）模擬計(jì)算，包括風(fēng)扇葉輪、區(qū)域冷熱空氣密度和溫度流場(chǎng)、循環(huán)冷空氣排放等，把與氣化系統(tǒng)有關(guān)的環(huán)境因素充分進(jìn)行優(yōu)化，以發(fā)揮AHV的最大效能。此外，設(shè)計(jì)空氣熱源氣化（AHV）系統(tǒng)需要確定空氣熱源系統(tǒng)的最低環(huán)境溫度以及備用熱源系統(tǒng)需要熱機(jī)備用的工況條件。

總體來(lái)說(shuō)，AHV技術(shù)充分體現(xiàn)了環(huán)境友好、節(jié)約能源、可持續(xù)利用等現(xiàn)代能源工業(yè)發(fā)展理念。AHV系統(tǒng)相對(duì)于SCV的優(yōu)勢(shì)明顯，尤其在可以利用附近其他便利的熱源（如燃?xì)怆娬居酂幔┳鳛槎镜蜏貤l件下的補(bǔ)充熱源時(shí)，而且燃?xì)猓姡﹥r(jià)格比率越高，優(yōu)勢(shì)越顯著；在不適合采用ORV技術(shù)的條件下，AHV可作為優(yōu)選方案。在免費(fèi)海水使用受限、天然氣燃燒制熱成本高昂的情況下，以空氣熱源作為氣化系統(tǒng)基荷熱源是最為便利和直接的選擇，從2004年至今，不同類(lèi)型的AHV系統(tǒng)在大型LNG接收站的成功應(yīng)用更是證實(shí)了其可行性與可靠性。事實(shí)上，ORV、SCV、IFV、空氣冷卻塔、空氣翅片式氣化器、STV、工業(yè)（電站）廢熱等，可以結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，因地制宜地優(yōu)選、優(yōu)化更理想的氣化系統(tǒng)基荷和備熱方案。

表1 空氣熱源氣化技術(shù)與ORV、SCV技術(shù)的比較表

在中國(guó)處于規(guī)劃、設(shè)計(jì)甚至在建階段的LNG接收終端中，部分已經(jīng)遇到站址所在區(qū)域海水水質(zhì)不適合ORV使用的問(wèn)題。充分了解國(guó)際LNG接收終端的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)潮流，把AHV技術(shù)納入氣化方案的研究范圍，有利于技術(shù)解決方案的新突破，甚至有利于LNG接收終端規(guī)劃選址范圍的擴(kuò)大。

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Application of ambient air－based heating vaporizers in large LNG receiving terminals

Fu Zihang，Song Kun，Shan Tongwen
（Research ＆Development Center of CNOOC Gas ＆Power Group，Beijing 100027，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 8，pp.100－104，8／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

In recent years，extensive LNG projects in many countries have validated the effectiveness of the equipment and technology of ambient air－based heating vaporization（AHV），other benefits of which have been also found as being environmental－friendly，energy－saving，and in sustainable use.Therefore，this paper first introduces how AHV has been applied in various LNG terminals in India and the USA respectively.Then，compared with other regular gas vaporizing technologies such as open－rack vaporizer（ORV），submerged combustion vaporizer（SCV），etc.，the advantages and disadvantages of AHV are thoroughly analyzed as well as its application conditions.The following conclusions are presented herein.（1）The clincher of AHV is the satisfactory meteorological condition such as annual minimum temperature，humidity，wind speed and direction，length of time，etc.（2）Before the AHV system is adopted，the minimum ambient temperature and the working condition for the standby heat source will be primarily determined.（3）Compared with the SCV，the AHV is superior especially when the fuel gas－electricity ratio is getting much higher.（4）The AHV will be the best choice when the ORV is restricted to use.（5）Under the condition without free sea water but with a high cost in gas heating，ambient air is most convenient and direct option for the AHV system.This study will be beneficial to offering a more economical and environmental－friendly re－gasification technology for the planning and devising of LNG receiving terminals in China.

LNG，ambient air－h(huán)eated vaporizer ambient air vaporizer（AAV），LNG receiving terminal，reverse cooling tower shelltube vaporizer（STV），open－rack vaporizer（ORV），submerged combustion vaporizer（SCV），intermediate fluid vaporizer（IFV），heat transfer fluid（HTF）

付子航等.空氣熱源式氣化技術(shù)在大型LNG接收終端的應(yīng)用.天然氣工業(yè)，2012，32（8）：100－104.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.022

付子航，1979年生，高級(jí)工程師，碩士；主要從事LNG項(xiàng)目建設(shè)和技術(shù)研發(fā)工作。地址：（100027）北京市朝陽(yáng)區(qū)東三環(huán)北路甲2號(hào)京信大廈2846室。電話：（010）84522951。E－mail：fuzh＠cnooc.com.cn

（修改回稿日期 2012－06－04 編輯 何 明）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.022

Fu Zihang，senior engineer，born in 1979 is mainly engaged in LNG projects construction and the related technical research.

Add：Room 2846，Jingxin Building，No.Jia 2，East 3rd Circle Rd.，Chaoyang District，Beijing 100027，P.R.China

E－mail：fuzh＠cnooc.com.cn