尹全森 劉淼兒 李恩道 邰曉亮 張樹勛

(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100028)

丙烷預(yù)冷系統(tǒng)對(duì)FLNG晃動(dòng)條件的適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)研究*

尹全森 劉淼兒 李恩道 邰曉亮 張樹勛

(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100028)

尹全森,劉淼兒,李恩道，等.丙烷預(yù)冷系統(tǒng)對(duì)FLNG晃動(dòng)條件的適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)海上油氣，2017,29(4)：164-168.

YIN Quansen,LIU Miaoer,LI Endao,et al.Experimental study on the applicability of propane pre-cooling systems to FLNG shaking conditions[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(4):164-168.

通過建立一套帶有液位擾動(dòng)系統(tǒng)的丙烷預(yù)冷液化天然氣實(shí)驗(yàn)裝置，研究丙烷預(yù)冷系統(tǒng)對(duì)浮式液化天然氣裝置(FLNG)晃動(dòng)條件的適用性。實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)丙烷分離器不同液位進(jìn)行液位擾動(dòng)來(lái)模擬晃動(dòng)條件，分析丙烷預(yù)冷系統(tǒng)換熱器在晃動(dòng)條件下的溫度特性。結(jié)果表明：丙烷分離器液位較低時(shí)，液位擾動(dòng)對(duì)換熱器的溫度影響較大；隨著液位的升高，液位擾動(dòng)對(duì)換熱器的溫度影響不斷減??；當(dāng)液位達(dá)到一定高度后，液位擾動(dòng)對(duì)換熱器溫度影響很小。丙烷預(yù)冷系統(tǒng)適用于FLNG,但在FLNG上使用須提高丙烷分離器的液位高度或分離器的位置，以降低晃動(dòng)時(shí)液位波動(dòng)對(duì)換熱器的影響，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)須加強(qiáng)安全設(shè)計(jì)和危險(xiǎn)評(píng)估。

FLNG；晃蕩條件；丙烷預(yù)冷系統(tǒng)；適應(yīng)性；實(shí)驗(yàn)裝置；液位擾動(dòng)；換熱器；溫度

浮式液化天然氣(FLNG)技術(shù)是解決深海天然氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，但海上建設(shè)FLNG裝置面臨較大技術(shù)挑戰(zhàn)[1-3]，我國(guó)在FLNG技術(shù)研發(fā)和設(shè)計(jì)方面已開展較多研究但仍未進(jìn)入產(chǎn)品實(shí)質(zhì)建設(shè)階段[4-7]。FLNG技術(shù)方案中涉及的丙烷預(yù)冷天然氣液化技術(shù)具有制冷效率高、能耗較低，處理規(guī)模較大的特點(diǎn)[8-11]，但是由于丙烷預(yù)冷系統(tǒng)存儲(chǔ)的丙烷量較多，且工藝中需要進(jìn)行多次氣液分離，而氣液分離受晃動(dòng)影響較大[12]，氣液分離器液位發(fā)生波動(dòng)易引起丙烷預(yù)冷系統(tǒng)中的氣液分配不均，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q熱惡化。對(duì)于采用板翅換熱器的丙烷預(yù)冷系統(tǒng)，丙烷進(jìn)入換熱器采用熱虹吸的方式，液位產(chǎn)生的壓差和板翅換熱器內(nèi)的丙烷蒸發(fā)界面直接決定了丙烷進(jìn)入換熱器的流速；當(dāng)丙烷液位較低或丙烷節(jié)流分離器的位置較低時(shí)，液位產(chǎn)生的壓差較小，此時(shí)板翅換熱器內(nèi)的丙烷蒸發(fā)界面不穩(wěn)定，在晃動(dòng)情況下?lián)Q熱器的上部處于頻繁地升溫和降溫過程，引起換熱器熱應(yīng)力疲勞，導(dǎo)致其使用壽命降低。為了研究丙烷預(yù)冷系統(tǒng)受晃動(dòng)影響的程度是否適合用于FLNG，本文建立了一套丙烷預(yù)冷的雙氮?dú)馀蛎浺夯b置，并通過液位擾動(dòng)來(lái)模擬晃動(dòng)條件[13]，分析了不同液位擾動(dòng)對(duì)丙烷預(yù)冷系統(tǒng)換熱器溫度的影響，以期對(duì)FLNG技術(shù)的研發(fā)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)流程及裝置

丙烷制冷系統(tǒng)的液位擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。丙烷氣體經(jīng)過2級(jí)壓縮和冷卻后變成高壓液體丙烷，液體丙烷經(jīng)過緩沖罐V-04后分為2股：1股經(jīng)過節(jié)流閥后進(jìn)入1級(jí)丙烷分離器V-01；另1股進(jìn)入丙烷擾動(dòng)儲(chǔ)存罐V-03中，實(shí)驗(yàn)過程中將V-03中的液體快速添加到V-01中，對(duì)V-01的液位產(chǎn)生擾動(dòng)。V-01的液體又分為2股：1股進(jìn)入換熱器E-03中，為換熱器的上部提供冷量；另1股經(jīng)過節(jié)流閥進(jìn)入V-02中，V-02的氣相返回壓縮機(jī)的2級(jí)入口，實(shí)驗(yàn)過程中通過改變V-01至V-02的閥門開度可同時(shí)改變V-01和V-02的液位。V-02的液體進(jìn)入換熱器E-03中，為換熱器下部提供冷量，V-02的氣相返回壓縮機(jī)的1級(jí)入口。換熱器E-03的熱源為天然氣，實(shí)驗(yàn)過程中保持天然氣的壓力、溫度和流量不變，對(duì)丙烷液位分離器V-01和V-02進(jìn)行液位擾動(dòng)，監(jiān)測(cè)換熱器各截面的溫度和天然氣出換熱器E-03的溫度變化，分析擾動(dòng)對(duì)丙烷預(yù)冷系統(tǒng)的影響。

圖1 丙烷預(yù)冷系統(tǒng)液位擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)流程圖Fig .1 Level perturbed process diagram of propane pre-cooling experimental apparatus

具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，圖中右側(cè)為丙烷壓縮系統(tǒng)(包括丙烷壓縮機(jī)和空氣冷卻器)；左側(cè)為冷箱，丙烷分離器V-01、V-02、V-03和換熱器E-03都在冷箱內(nèi)部，V-03布置在最上部，冷箱采用珠光砂隔熱。

圖2 丙烷預(yù)冷系統(tǒng)液位擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置Fig .2 Level perturbed experimental apparatus of propane pre-cooling

2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

2.1 低液位下丙烷液位擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)

丙烷分離器的高度為1 500 mm，正常運(yùn)行時(shí)液位控制在600 mm左右。丙烷液位低，液位形成的壓力小，丙烷進(jìn)入換熱流量小。開展低液位下丙烷液位擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試低液位運(yùn)行工況下丙烷預(yù)冷系統(tǒng)受液位擾動(dòng)的影響。在液位擾動(dòng)過程中，丙烷分離器V-01初始液位是400 mm，通過V-03向V-01中快速添加丙烷，引起V-01液位波動(dòng)，如圖3所示，V-01中液位波動(dòng)增加，液位達(dá)到高點(diǎn)時(shí)V-03中液體已全進(jìn)入V-01中，此時(shí)關(guān)閉V-04進(jìn)入V-01的閥門，V-01中的液位逐漸降低。

圖3 初始液位為400 mm時(shí)V-01液位擾動(dòng) 對(duì)換熱器溫度的影響Fig .3 Effect of V-01 level perturbed on exchanger temperature when initial level is 400 mm

實(shí)驗(yàn)過程中，換熱器上部至下部截面的監(jiān)測(cè)溫度見圖3中的T1至T5曲線。液位擾動(dòng)前，T1和T2的溫度基本相同，接近天然氣進(jìn)入換熱器前的溫度，板翅換熱器的上半部基本沒有換熱。液位擾動(dòng)開始后，由于換熱器本身質(zhì)量較大，換熱器的溫度變化相對(duì)于液位變化有一定延遲。受液位擾動(dòng)的影響，T1、T2和T3溫度降至3 ℃左右，此時(shí)換熱器的上半部充滿丙烷，上半部換熱器基本冷卻到丙烷的蒸發(fā)溫度。隨著丙烷液位V-01下降，溫度T1開始出現(xiàn)波動(dòng)，主要是丙烷液位下降后進(jìn)入換熱器內(nèi)的丙烷流量波動(dòng)，換熱器中上部冷卻而造成溫度T1和T2出現(xiàn)波動(dòng)。隨著丙烷液位繼續(xù)下降，T1、T2和T3溫度升高，并接近天然氣進(jìn)入冷箱的溫度，此時(shí)換熱器上半部的換熱量較小，換熱器的溫度梯度達(dá)到初始擾動(dòng)的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)過程中溫度T5始終處于較穩(wěn)定狀態(tài)，這主要是由于換熱器的換熱面積較大，在換熱器上部換熱量較小的情況下，換熱器下部也能將天然氣溫度冷卻到設(shè)計(jì)溫度。但是，對(duì)于大型FLNG裝置來(lái)說，換熱面積不可能做到無(wú)限大，因此，當(dāng)丙烷液位出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，不僅影響換熱器上部的溫度，也會(huì)對(duì)冷卻溫度有一定影響，進(jìn)而影響整個(gè)液化工藝的平穩(wěn)運(yùn)行。 從丙烷液位擾動(dòng)中換熱器的溫度變化與丙烷的液位關(guān)系可以看到，當(dāng)丙烷初始液位較低時(shí)，液位擾動(dòng)增加后換熱器的熱端溫度波動(dòng)較大，對(duì)換熱器的整體換熱影響較大，如果FLNG中的丙烷系統(tǒng)在這種工況下運(yùn)行，換熱器頻繁處于升溫降溫過程，熱應(yīng)力引起應(yīng)力疲勞將降低換熱器的可靠性，縮短換熱器的使用壽命。因此，在FLNG上采用丙烷預(yù)冷系統(tǒng)時(shí)應(yīng)設(shè)法提高丙烷分離器的液位。

2.2 高液位下丙烷液位擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)

丙烷液位高，液位形成的壓力大，丙烷進(jìn)入換熱流量大。開展高液位下丙烷液位擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試高液位運(yùn)行工況對(duì)丙烷預(yù)冷系統(tǒng)液位擾動(dòng)的影響。調(diào)整丙烷分離器V-01的初始液位，監(jiān)測(cè)丙烷初始液位提高后擾動(dòng)對(duì)換熱器溫度的影響。V-01的初始液位設(shè)置為1 100 mm，待換熱器運(yùn)行平穩(wěn)后通過V-03向V-01中快速添加丙烷，引起液位波動(dòng)，如圖4所示，液位先波動(dòng)增加，然后波動(dòng)降低。

從圖4可以看出，擾動(dòng)開始前，換熱器中T1、T2和T3的溫度相差很小，接近V-01壓力下的丙烷蒸發(fā)溫度，T4和T5的溫度也相差很小，接近V-02壓力下的丙烷蒸發(fā)溫度。擾動(dòng)開始后，換熱器的溫度變化較小，液位波動(dòng)增加或降低也不能使T1和T2的溫度下降。這主要是由于丙烷液位較高時(shí)，液位產(chǎn)生的壓差較大，丙烷進(jìn)入換熱器的流量大，使得丙烷換熱器的冷量過剩，換熱器處于過冷狀態(tài)，此時(shí)液位波動(dòng)雖然對(duì)進(jìn)入換熱器的丙烷流量產(chǎn)生影響，但對(duì)換熱器溫度產(chǎn)生的影響較小?？梢?，丙烷液位較高時(shí)液位波動(dòng)對(duì)丙烷預(yù)冷系統(tǒng)的影響較小。

圖4 初始液位為1 100 mm時(shí)V-01液位擾動(dòng) 對(duì)換熱器溫度的影響Fig .4 Effect of V-01 level perturbed on exchanger temperature when initial level is 1 100 mm

2.3 氣液分離器液位同時(shí)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過程中，通過調(diào)整V-01至V-02的調(diào)節(jié)閥開度來(lái)改變V-01和V-02的液位，監(jiān)測(cè)V-01和V-02的液位同時(shí)變化時(shí)換熱器的溫度變化。增大調(diào)節(jié)閥的開度后，V-01的液位降低，V-02的液位升高，如圖5所示。

圖5 V-01和V-02同時(shí)進(jìn)行液位擾動(dòng)對(duì)換熱器溫度的影響Fig .5 Effect of exchanger temperature when the propane levels of V-01 and V-02 are perturbed at the same time

在丙烷液位擾動(dòng)前，換熱器中的溫度分布是：T1在30 ℃左右，T2和T3接近V-01壓力下丙烷的蒸發(fā)溫度，T4和T5接近V-02壓力下丙烷的蒸發(fā)溫度。隨著丙烷液位的擾動(dòng)開始，T1溫度出現(xiàn)一定的波動(dòng)，溫度先下降后升高，T2和T3基本保持不變；隨著V-01的液位繼續(xù)波動(dòng)下降，T2緩慢升高；T4在每次擾動(dòng)時(shí)均有短時(shí)間的升溫，隨后再降低，在V-02液位波動(dòng)增加的過程中T4的溫度緩慢下降，逐漸接近T5。這主要是由于每次擾動(dòng)時(shí)，V-02的液位出現(xiàn)峰值，在液位下降過程中短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入換熱器下半部的丙烷流量下降，導(dǎo)致?lián)Q熱器出現(xiàn)短時(shí)間的復(fù)溫，總體隨著V-02的液位增加，丙烷換熱器的下半部溫度接近V-02壓力下的丙烷蒸發(fā)溫度?？梢?，丙烷分離器中丙烷總量不變即V-01和V-02內(nèi)的丙烷總量不變時(shí)，丙烷的液位波動(dòng)對(duì)換熱器的換熱溫度影響較小。

3 結(jié)論

1) 丙烷預(yù)冷系統(tǒng)應(yīng)用于FLNG裝置時(shí)，晃動(dòng)條件對(duì)丙烷氣液分離有一定的影響。

2) 丙烷分離器的液位較低時(shí)，丙烷換熱器受晃動(dòng)影響較大；在液位較高時(shí)，受晃動(dòng)影響較小。

3) 提高丙烷分離器的布置位置或丙烷分離器液位可以增強(qiáng)丙烷預(yù)冷系統(tǒng)在FLNG上的適應(yīng)性，但這需要增加FLNG裝置上的丙烷存儲(chǔ)量，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須加強(qiáng)安全設(shè)計(jì)和危險(xiǎn)評(píng)估。

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(編輯：呂歡歡)

Experimental study on the applicability of propane pre-cooling systems to FLNG shaking conditions

YIN Quansen LIU Miaoer LI Endao TAI Xiaoliang ZHANG Shuxun

(CNOOCGasandPowerGroup,Beijing100028,China)

A set of experimental apparatus for propane pre-cooling process analysis was constructed, which was equipped with a liquid level disturbing mechanism, to simulate the FLNG shaking conditions.In the experiment the liquid levels in the propane separator were disturbed to simulate float shaking conditions, in order to analyze the heat exchanger’s temperature characteristics under the shaking conditions.Experiments results showed that the liquid level disturbance would greatly impact the heat exchanger temperature when the level was very low.But the higher the level, the less the impact.When the level reached certain height, there would be little effect.Propane pre-cooling systems are applicable on FLNG, but the liquid level or the position of separator used in FLNG has to be raised in order to reduce the impact on the heat exchanger during shaking.So the safety issue and risk assessment should be seriously considered in the design process.

FLNG; shaking condition; propane pre-cooling system; applicability; experimental apparatus; level disturbance; heat exchanger; temperature

尹全森，男，工程師，2010年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué),獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事天然氣液化及凈化技術(shù)研發(fā)和工程化推廣的工作。地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)太陽(yáng)宮南街6號(hào)院C座(郵編：100028)。E-mail：yinqs@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)04-0164-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.022

TE646

A

2016-05-31 改回日期：2017-03-27

*“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型FLNG/FLPG、FDPSO關(guān)鍵技術(shù)(編號(hào)：2011ZX05026-006)”部分研究成果。