焦月明陳 帥楊 力周 華王 哲李 強

(1.新疆華隆油田科技股份有限公司 2.中石油大連液化天然氣有限公司)

浸沒燃燒式氣化器運行效率及能耗成本核算

焦月明1陳 帥2楊 力1周 華2王 哲2李 強2

(1.新疆華隆油田科技股份有限公司 2.中石油大連液化天然氣有限公司)

浸沒燃燒式氣化器(SCV)作為LNG接收站運行成本最高的裝置,其運行效率計算和能耗成本核算備受關(guān)注。為此,首先以BWRS方程為基礎(chǔ)求得SCV入口LNG和出口NG的焓值。然后,在焓值計算基礎(chǔ)上,根據(jù)正割迭代法確定外輸高壓天然氣經(jīng)絕熱降壓后作為燃料氣的溫度,以獲得燃料氣加熱器所提供的能耗。之后,計算出燃料氣發(fā)熱量,并根據(jù)能量守恒定律求得SCV效率和能耗成本。最后,為了方便LNG接收站使用,將此計算方法設(shè)計成一款計算軟件以滿足其需求;同時,通過實際運行數(shù)據(jù)對其可靠性進行了驗證,并給出了能耗成本核算實例。結(jié)果證明,軟件能較為準確地計算SCV運行效率和能耗,可為SCV的運行計算提供相應(yīng)幫助和指導(dǎo)。

浸沒燃燒式氣化器 LNG接收站 運行效率 能耗成本 核算 BWRS方程 計算軟件

目前,國內(nèi)LNG接收站主要采用開架式氣化器(ORV)、液體介質(zhì)氣化器(IFV)和浸沒燃燒式氣化器(SCV)作為LNG氣化裝置[1-4]。ORV和IFV以海水作為氣化媒介,因此其運行會受到海水溫度和含沙量的影響。SCV雖然初期投資較低且運行不受環(huán)境溫度影響,但其運行成本最高。所以,通常只有當ORV、IFV無法正常運行或無法滿足外輸所需天然氣氣化量時,才會選擇使用SCV。

圖1展示了SCV運行相關(guān)工藝流程[5]。在實際運行中,首先需要完成SCV的點火工作:①通過燃料氣1、助燃空氣2使用高壓點火槍將火點燃;②通過燃料氣2將火焰引至燃燒爐底部;③通過燃料氣3、助燃空氣2供氣完成SCV的點火。點火完成后,燃料氣在燃燒爐中燃燒產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物通過輸氣管線輸送至水浴,對水浴進行加熱并形成許多雙相發(fā)泡混合液?；旌弦河捎诿芏认陆?而隨SCV特設(shè)的擋堰上升,當混合液上升至其上方時,氣泡開始擴散:水回落至擋堰上方,并通過換熱管束進行再循環(huán),以此方式在換熱管束周圍形成大范圍的紊流和良好的再循環(huán),從而確保其溫度的穩(wěn)定;氣體則通過較矮的煙囪排放至大氣中。同時,在燃燒過程中為了防止燃燒爐外壁溫度過高,對其造成機械損壞,通過冷卻水1對其進行持續(xù)冷卻;而燃燒過程中為了防止NOx的產(chǎn)生,則通過冷卻水2對燃燒火嘴進行冷卻。并且由于燃燒產(chǎn)物主要為CO2和H2O,當CO2溶于水中后會產(chǎn)生弱酸性物質(zhì),所以為了保證水質(zhì)的完好,設(shè)置了堿液罐。當p H1儀檢測到水浴p H值較低時,則自動向水浴中添加堿液以提高其p H值。同時,由于水的產(chǎn)生,水槽內(nèi)液位會不斷上升,所以在適合位置設(shè)置了溢流口來保證液位的穩(wěn)定。從圖1可以看出,換熱管束是全部浸沒于水浴之下,有足夠大的換熱面積,同時燃燒生成的水蒸氣被冷凝在水浴中,所以SCV具有很高的換熱效率,一般在90%～99%之間。而圖1中也顯示,SCV所需的燃料氣有兩種供應(yīng)方式:①將外輸NG經(jīng)絕熱降壓,并使用加熱器加熱后供SCV;②直接采用BOG壓縮機出口氣作為SCV燃料氣。雖然兩種方式對SCV運行效率影響較小,但對整體能耗卻存在一定影響。由此,以下將對兩種情況展開分析。

1 BWRS方程求解NG及LNG焓值

1.1 BWRS方程中各參數(shù)求解

BWRS方程形式如下:

式中,p為介質(zhì)絕對壓力,k Pa;ρ為介質(zhì)密度,kmol/ m3;R為氣體常數(shù),kJ/(kmol·K);T為介質(zhì)溫度, K。

式(1)中的各參數(shù)A0、B0、C0、D0、E0、a、b、c、d、α、γ可通過文獻[6]中的方法來求解;不同組分混合的二元交互系數(shù)則可通過查閱文獻[7]中的表2獲得;計算中所需各純組分的臨界參數(shù)可通過文獻[8]中的表2查詢而得。

1.2 NG及LNG密度求解

在給定介質(zhì)組分后,通過1.1方法求解出BWRS方程的11個參數(shù)。將BWRS方程變形為以下函數(shù)形式:

在給定了溫度T和壓力p后,求解方程(2)便可求得介質(zhì)密度。由于此方程為高階非線性方程,直接求解難度非常大,所以采用正割法進行求解[6]。正割法對應(yīng)迭代公式如下:

式中,k為迭代序號。而在用正割法求解時需要給定兩個初值ρ0、ρ1(求解NG密度:ρ0=0 kmol/m3, ρ1=p/RT;求解LNG時:ρ0=40 kmol/m3,ρ1= 3 840 kmol/m3)。同時,當|ρk+1-ρk|≤ερ(其中, ερ=10-6)迭代收斂,ρk+1即為所求密度。

1.3 NG及LNG焓求解

1.3.1 天然氣理想氣體焓值求解

純組分理想氣體焓可按照式(4)線性回歸式[9]求解:

根據(jù)純組分理想氣體焓混合規(guī)則(式(5))方可求解出天然氣理想氣體焓。

1.3.2 NG或LNG焓值求解

在求解出天然氣理想氣體焓后,可根據(jù)式(6)余焓式求解出NG或LNG的焓值。當求解NG焓值時,式(6)中的密度ρ為1.2中NG密度;求LNG焓值則為1.2中LNG密度。

式中,Hm為NG或LNG焓值,kJ/kmol。

由于實際生產(chǎn)中,焓值通常采用質(zhì)量比焓來表示,所以通過式(7)將式(6)求得的焓值轉(zhuǎn)換為質(zhì)量比焓。

式中,Hqua為NG或LNG質(zhì)量比焓,kJ/kg;Mmol為NG或LNG摩爾質(zhì)量,kg/kmol;Mmol可以按照理想氣體混合規(guī)則,通過各純組分的Mmol_i和摩爾分數(shù)求得。

2 加熱器加熱燃料氣所提供能耗計算

2.1 絕熱降壓后燃料氣溫度計算

由于絕熱降壓過程[10-12]可以近似地看作等焓過程,所以燃料氣降壓前和降壓后的焓值是相等的。而降壓前壓力、溫度和降壓后的壓力通常已設(shè)定。因此,可以通過1法直接求出降壓前的焓值,對于降壓后的溫度則可采用正割迭代法來求解。具體求解方法為:

首先,按式(8)求解出節(jié)流前天然氣焓值。

然后,以降壓后溫度為變量,建立降壓前后焓差式,見式(9)。

式中,Te為加壓后燃料氣溫度,K;pe為降壓后燃料氣壓力,k Pa;Hfuel_e為降壓后由Te、pe根據(jù)第1節(jié)計算得到的燃料氣焓值,kJ/kmol。

最后,建立正割迭代式,見式(10)。

式中,k為迭代序號。給定的初值Te0=Ts-(pspe)×0.005,Te1=Ts-(ps-pe)×0.003;ρ0、ρ1(求解NG密度:ρ0=0 kmol/m3,ρ1=p/RT;求解LNG時:ρ0=40 kmol/m3,ρ1=3 840 kmol/m3)。同時,當|Tek+1-Tek|≤ερ(其中,ερ=10-2)迭代收斂, Tek+1即為所求Te。

2.2 加熱器所提供能耗計算

由于SCV要求燃料氣溫度必須大于0℃,而經(jīng)過絕熱降壓后的燃料氣溫度是遠遠低于此溫度的,所以必須使用加熱器對其加熱。而加熱器所提供的能耗可按以下方式進行計算:

首先,由1節(jié)中方法求解出加熱后燃料氣質(zhì)量比焓。

目前，地理國情監(jiān)測成果已在各個領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用，隨著常態(tài)化地理國情監(jiān)測工作的深入推進，各項規(guī)定內(nèi)容的逐漸完善，監(jiān)測成果質(zhì)量必將穩(wěn)步上升。作為一項對國民經(jīng)濟、國家決策具有指導(dǎo)性作用的項目，每一位測繪質(zhì)檢工作人員都應(yīng)秉承科學實踐、積極創(chuàng)新的工作態(tài)度，揚長避短，探索出一套更先進、可行的質(zhì)量控制方法，使成果質(zhì)量更加科學可靠，滿足更多、更廣泛的應(yīng)用需求。

式中,Hfuel_qua_w為加熱后燃料氣質(zhì)量比焓,kJ/kg; fh_qua為1節(jié)中求解天然氣質(zhì)量比焓的方法;Tw為加熱后燃料氣溫度,K;pw為加熱后燃料氣壓力(與加熱前壓力幾乎相同),k Pa。

然后,用加熱后質(zhì)量比焓減去加熱前質(zhì)量比焓,求得質(zhì)量比焓差。

式中,ΦHfuel_qua為燃料氣加熱后、前質(zhì)量比焓差,kJ/ kg;Hfuel_qua_e為加熱前燃料氣質(zhì)量比焓,kJ/kg。

最后,用焓差乘以燃料氣質(zhì)量求得加熱器所提供能耗。

式中,Eele_htr為加熱器最小功率(即每小時提供能耗),k W;Ffuel為燃料氣流量,kg/h。

3 燃料氣發(fā)熱量計算

由于燃料氣燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣會溶于水浴中,所以其燃燒發(fā)熱量可看作高位發(fā)熱量。以下所求的發(fā)熱量均指其高位發(fā)熱量。

理想氣體純組分在燃燒參比溫度為293.15 K、288.15 K和273.15 K時的摩爾發(fā)熱量可查閱參考文獻[13]。根據(jù)查閱的數(shù)據(jù)通過式(14)方可求得天然氣理想氣體對應(yīng)溫度的摩爾發(fā)熱量。研究表明,天然氣理想氣體摩爾發(fā)熱量與真實氣體摩爾發(fā)熱量誤差不會超過50 J/mol。所以,將理想氣體摩爾發(fā)熱量看作天然氣真實氣體的摩爾發(fā)熱量。而對于273.15～293.15 K范圍內(nèi)非特定溫度點對應(yīng)的摩爾發(fā)熱量,則根據(jù)線性插值法求解。最后通過式(15)求解出其質(zhì)量發(fā)熱量。

4 運行效率及能耗成本計算

4.1 SCV運行效率計算

雖然在不同工況、不同燃料氣供應(yīng)方式下,燃料氣溫度會有所差異,同時導(dǎo)致燃料氣帶入的顯熱也會不同,但實際運行中燃料氣顯熱對SCV運行效率的影響是非常小的。所以,在此忽略此項對其效率的影響,從而得到SCV效率計算式如下[14]:

式中,η為SCV運行效率,%;FLNG為SCV入口LNG流量,t/h;HNG_qua為SCV出口NG質(zhì)量比焓, kJ/kg;HLNG_qua:SCV入口LNG質(zhì)量比焓,kJ/kg。(由于SCV運行時,其入口LNG壓力與出口NG壓力相差在0.2 MPa以內(nèi),此壓力差內(nèi)對焓值計算影響很小。所以,在計算其出口、入口焓值時都取入口LNG的壓力。)

當然,若給出了SCV的效率,則只需對式(16)進行簡單的變形,即可求解出氣化一定流量的LNG所需的燃料氣流量。

4.2 SCV運行能耗成本核算

SCV運行能耗成本主要包括兩部分——氣耗和電耗成本。氣耗是SCV運行燃燒燃料氣產(chǎn)生的成本;而電耗則是SCV運行所消耗的電能。

4.2.1 氣耗成本

在已知SCV運行效率基礎(chǔ)上,通過變形式(16)求解出所需燃料氣流量,然后按式(17)求解氣耗成本。

式中,Cgas為SCV運行每小時氣耗成本,元/h; PriceLNG為每千克LNG的價格,元/kg。

4.2.2 電耗成本

SCV運行自身耗電包括:助燃風機、冷卻風機、冷卻水泵和其他耗電。表1列出了大連LNG接收站SCV運行的電耗情況。但由于接收站可采用兩種方式供給SCV燃料氣,若采用外輸NG絕熱降壓,則需要加熱器加熱,會耗費電能;而采用BOG壓縮機[15]出口氣作為燃料氣,由于其出口溫度較高,無需加熱器加熱,不會耗費電能。由表1可計算出SCV運行電耗成本。

外輸NG絕熱降壓作為燃料氣:

式中,Cele_NG為外輸NG作為燃料氣時,SCV運行所需電耗成本,元/h;Priceele為每度電價格,元/度。

表1 SCV運行電耗情況Table 1 Power consumption of SCV running

BOG壓縮機出口氣作為燃料氣:

式中,Cele_BOG為BOG壓縮機出口氣作為燃料氣時, SCV運行所需電耗成本,元/h。

4.2.3 能耗成本

通過4.2.1和4.2.2則可求得SCV運行能耗成本。外輸NG作為燃料氣的能耗成本CNG=Cgas+Cele_NG;而BOG壓縮機出口氣作為燃料氣的能耗

成本CBOG=Cgas+Cele_BOG。

5 軟件設(shè)計及使用說明

由以上研究分析,在Forcecontrol V7.0[16]平臺上利用計算機編程技術(shù)設(shè)計出相應(yīng)計算軟件(見圖2)。在設(shè)計過程中,為了使軟件人機界面更友好,使用更方便,對一些相關(guān)參數(shù)的單位進行了變換,使其更加接近于SCV真實情況;并且還設(shè)置了工藝流程簡圖窗和結(jié)果顯示窗,讓使用者可以更加形象地了解基本流程,同時也能更加清楚地查看計算結(jié)果。

使用過程中,首先點擊“設(shè)置”按鈕,彈出“SCV_參數(shù)設(shè)置”對話框。在對話框中選擇“效率計算Fuel:NG”、“效率計算Fuel:BOG”、“燃料氣流量Fuel:NG”或“燃料氣流量Fuel:BOG”標簽,對話框?qū)@示對應(yīng)計算所需輸入的參數(shù)(圖3中A、B、C、D)。對于個別的計算參數(shù)也可在“人機界面”工藝流程簡圖中直接輸入。在完成參數(shù)輸入后,點擊“運算”按鈕,則“工藝流程簡圖窗”會顯示相應(yīng)的流程狀態(tài)和計算結(jié)果。同時“計算結(jié)果顯示窗”也會給出相應(yīng)的計算結(jié)果。

6 軟件可靠性驗證

為了驗證軟件的可靠性,首先通過軟件計算出大連LNG接收站SCV實際運行中3種不同工況的SCV運行效率;然后再對計算結(jié)果進行分析;最后達到軟件可靠性驗證的目的。

6.1 軟件計算SCV運行效率

表2為3種工況所對應(yīng)LNG組分的摩爾分數(shù)。

表2 SCV效率計算所對應(yīng)的LNG組分含量 (y/%)Table 2 LNG components of SCV efficiency calculation

表3為以BOG壓縮機出口氣為燃料氣所對應(yīng)的3種工況下的實際運行參數(shù)。同時,在其中也給出了由這些參數(shù)通過軟件計算所得到的SCV運行效率。

表3 SCV實際運行參數(shù)及計算結(jié)果Table 3 Actual operating parameters of SCV and the results

6.2 計算結(jié)果可靠性分析

通過表3可以看出,3種工況下所計算的SCV運行效率都在95.43%左右,非常接近。同時,3種工況的計算結(jié)果也在SCV的設(shè)計效率要求范圍90%～99%之間,且比理想效率設(shè)計值98.30%略低。通過以上分析可知,軟件所計算的效率是非常接近SCV實際運行效率的,軟件具有較高的可靠性。

7 軟件擴展功能介紹及能耗成本核算實例

7.1 擴展功能介紹

軟件除了能計算不同燃料氣來源SCV的運行效率外,同時為了更好地滿足LNG接收站的實際需求,也給出了不同燃料氣來源時SCV氣化LNG所需的燃料氣流量;并且給出了以外輸NG為燃料氣時,NG絕熱降壓為燃料氣時的溫度和燃料氣加熱器所需提供的功率。而燃料氣流量計算則將在7.2節(jié)能耗成本核算實例中體現(xiàn)。

7.2 能耗成本核算實例

表4列舉出了大連LNG接收站實際運行時,以BOG壓縮機出口氣為燃料氣和以外輸NG為燃料氣的供應(yīng)方式時所對應(yīng)的SCV入口LNG摩爾分數(shù)。

表4 能耗成本核算所對應(yīng)的LNG組分含量 (y/%)Table 4 LNG components of cost check of energy consumption

能耗成本核算中,燃料氣流量的計算將以6.1節(jié)中3種工況所計算的SCV運行效率的平均值95.43%為已知效率;而以外輸NG為燃料氣時加熱器所需的電耗也能由軟件直接求出;最后通過4.2節(jié)中相關(guān)公式求得兩種情況的能耗成本(計算電耗成本時,電價為0.6元/度;氣耗成本為每千克燃料氣6元。)。表5中列舉了兩種燃料氣供應(yīng)方式所對應(yīng)的實際運行參數(shù),同時也給出了能耗成本核算的相關(guān)結(jié)果。

由表5可見:①SCV氣化LNG的能耗成本主要來自于燃料氣的燃料,而電耗成本在整個能耗成本中的所占比例較小,同時燃料氣加熱器所耗電能費用在整個電耗成本中也相對較少;②雖然采用外輸NG作為燃料氣需要燃料氣加熱器提供熱量,但表5中每噸LNG氣化成本卻比采用BOG壓縮機出口氣為燃料氣的成本低,說明SCV出口NG溫度與入口LNG溫度的差值才是影響其能耗成本的關(guān)鍵,而燃料氣自身顯熱和電加熱器是否加熱對其影響卻是非常小的。

表5 實際運行參數(shù)及能耗成本核算結(jié)果Table 5 Actual operating parameters and the results ofcost check of energy consumption

8 結(jié)論

(1)給出了SCV運行效率和能耗的計算方法,并設(shè)計成對應(yīng)的計算軟件。通過實際數(shù)據(jù)驗證,軟件在計算效率和能耗方面具有較高的可靠性,可滿足LNG接收站SCV運行計算要求;對SCV運行分析和計算可起到一定的指導(dǎo)意義。

(2)SCV選擇BOG壓縮機出口氣作為燃料氣,雖然無需加熱器加熱燃料氣,能節(jié)約一定的電耗成本,也可有效降低最小外輸量,但削弱了SCV系統(tǒng)和BOG處理系統(tǒng)的獨立性。若其中某個系統(tǒng)出現(xiàn)故障,必然影響另一個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,從而增加了接收站全站停車的風險。而選擇外輸NG絕熱降壓作為燃料氣,雖然需要加熱器加熱,但即使SCV連鎖跳車,也不會影響其他系統(tǒng)和汽化器的運行;同時加熱器提供電耗相對整個SCV運行能耗是非常小的。因此,如果接收站對最小外輸量要求不是太低時,建議采用外輸NG絕熱降壓來作為SCV燃料氣。

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Operation efficiency and cost check of energy consumption of submerged combustion vaporizer

Jiao Yueming1,Chen Shuai2,Yang Li1,Zhou Hua2,Wang Zhe2,Li Qiang2
(1.Xinjiang Hualong Oilfield Technology Company Limited)
(2.PetroChina Dalian Liquefied Natural Gas Com pany Limited)

Submerged Combustion Vaporizer(SCV),as an equipment with the highest operating costs of LNG terminal,its calculation of operation efficiency and cost check of energy consumption are of much concern.Therefore,firstly,the enthalpy of inlet LNG and outlet NG of SCV was obtained based on BWRS function.Then,based on enthalpy calculation,according to Secant Iteration Method to confirm the temperature of fuel gas achieved from transportation highpressure natural gas through adiabatic buck,the energy consumption supplied by fuel gas heater is obtained.Afterwards,the calorific value of fuel gas is calculated and according to the law of energy conservation,efficiency and energy costs of SCV are acquired.Finally,in order to facilitate the use of LNG terminal,this calculation method is designed to a calculation software to meet the needs;simultaneously,its reliability with the actual operating data and examples of costing accounting of energy consumption are verified.The results proved that the software can calculate SCV operation efficiency and energy consumption accurately,and provide help and guidance for SCV operation and calculation.

submerged combustion vaporizer,LNG terminal,operation efficiency,energy consumption,cost check,BWRS function,calculation software

TE626

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2014.05.009

2014-01-20;

2014-03-18;編輯:康 莉

焦月明(1963-),男,大學本科,工程師,畢業(yè)于中國石油大學工商管理專業(yè)。任職于新疆華隆油田科技股份有限公司,主要從事油田化學、數(shù)字油田、液化天然氣等相關(guān)領(lǐng)域工程技術(shù)研究及管理工作。地址:(834000)新疆克拉瑪依市金星路7號。E-mail:archno1@163.com