粤东LNG汽化器ORV的方案选择及技术要素的分析
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摘 要：汽化工程是接收站最主要功能之一。文章分析并利用了粤东站址的热源海水的有利条件，从结构和传热、流体工艺、材料应用等主要的技术要素分析，为针对本项目采用汽化器ORV方案的选取和设计提供了合理依据。粤东气温较高，水质优良，因地制宜，最大限度地、尽可能地利用开架式气化器，节约淡水资源，保护环境，促进了节能技术进步。
关键词：粤东；lng；ORV；方案；选择；技术要素；分析
中图分类号：U473.2+4 文献标识码：A
1 前言
汽化工程是接收站最主要功能之一。粤东气温较高，水质优良，因地制宜，最大限度地、尽可能地利用开架式气化器，节约淡水资源，保护环境，促进了节能技术进步。
2.1 汽化器数量的初步方案
低压泵、高压泵、汽化器、海水泵的数量应该做到互相对应，这是正常运行的必然条件。粤东项目一期工程中安装3个储罐，并且各泵及汽化器初选数量较大时，不考虑设置备用，直接按照3的倍数进行设计，一期采用三台汽化器。
2.2 介质流程的确定与经济性
粤东项目初步设计的热力技术方案,海水走壳程、LNG走管程。海水走壳程能充分发挥海水大流量对传热的强化作用,提高壳程的雷诺数。海水走壳程、LNG走管程,壳程不用考虑低温,只需要考虑耐海水的腐蚀。从整体的经济性而言，比LNG走壳程,海水走管程更合理。
LNG接收站的汽化处理量很大，采用空温式汽化器和强制通风式汽化器都需要很大的模块，占地面积大，效率低，因此目前主要选择液态加热型汽化器，而液体加热型汽化器的热源因地制宜地选择了海水。
2.3.1 粤东地区气候及水温条件分析
粤东气候温度属亚热带海洋性气候，气候较为温和，年平均温度25.7℃，年平均最低温度19.0℃。根据统计资料显示，海水温度年平均温度22.3，年最高温度27.33℃，年最低温度22.92℃，最低温度9.9℃，最高温度32.2℃。相对于浙江宁波海域，年平均水温18.84，极端最低水温为7.8℃而言温度较高。在保证汽化NG外输设计温度一定的情况下，水温高提高了热传递的速率和效率，减少了海水的用量，节省了电能的耗，减少了设备投资。
由于LNG在汽化器管道内受热汽化，伴随着相变的过程，为保证传热的高效、稳定和操作安全，对汽化管材质和海水的条件提出了更高的要求。
2.3.2 粤东水质条件分析
通过对粤东现场海水（样本1、 样本2）采样分析结果主要如表2：
从国外汽化器的现状看,利用海水作为热源必须进行杀菌处理；海水中固体颗粒的直径必须限制在2 mm以下；海水中的重金属离子的含量有明确限制：Cu2+
2.4 汽化器ORV最终选定方案
2.4.1 LNG汽化器有下列几种型式：开架式汽化器、浸没燃烧式汽化器、立式管壳式汽化器和三元流体式汽化器。在上述型式的汽化器中，大量采用的是开架式汽化器和浸没式燃烧汽化器。
2.4.2 开架式汽化器使用大量的天然热源（海水），对海水的品质有一定要求，投资、安装费用较高，但操作费用比较低的特点。与浸没式燃烧汽化器（简称：SCV）相比，开架式汽化器是利用海水，操作消耗主要是海水泵的电耗，所以它的优越点在于操作费用很低，两者之间的运行费用比为1：10。浸没式燃烧汽化器优越性在于整体投资和安装费用很低，外型较小，操作灵活。但浸没式燃烧汽化器的致命缺点是操作费用很高。
2.4.3 显然在海水环境条件允许的情况下，使用开架式汽化器（ORV）是最为可靠和经济的。采用ORV时应注意海水的水质情况，如悬浮物，铜，汞，硫磺，氨和PH值对其热翅管表面的防腐涂层材料都存在负面影响。
3 设计条件下汽化器的初步设计
3.1 汽化器ORV初步设计输入数据选择
设计条件输入采用：LNG分子量采用16.06（轻组分）/19.05（重组分）；LNG液态整体流量输入180吨/hr,气态输出100mol%；海水整体流量6800吨/hr。汽化器可在0%~100%的负荷范围内安全运行，可以根据需求的变化遥控调整汽化量。
3.2汽化器ORV初步设计数据输入与输出参数的关系
粤东LNG项目选取汽化器ORV计算选取的海水流量-LNG流量性能曲线如图1，海水入口温度-NG出口温度关系示意图2；根据曲线的变化，热交换机材料的影响必须满足各种条件下汽化器ORV输出参数要求。
3.3初步设计汽化器ORV设备参数
开架式汽化器材料选择上遵循ASMESectionPartBandC,热交换器设计结果主要结构：模块/单元材2blocks/unit，面板/模块4panels/block，管束/面板78tubes/panel。热传递管材质5052Aluminum，汇管及总管材质5083Aluminum，计算压力降0.22MPa。根据汽化器ORV输入设计参数，汽化器ORV输出数据与初步设计设计参数相匹配，工业化具有可实施性。
3.4汽化器ORV结构和传热与流体工艺设计
如何保证大量的海水均匀地分配到每个板型管束的每根换热管上，因此结构和传热与流体工艺的结合，巧妙的喷淋结构设计显得尤为重要。汽化器的基本元件单元是传热管，由若干传热管组成板状排列，两端由集气管或集液管焊接形成一个板型管束，再游若干个板型管束组成汽化器。汽化器顶部有海水喷林装置，海水喷林在板型管束外表面上，依靠重力的作用自上而下流动。LNG在管内向上流动，海水将热量传递给LNG，使其加热并汽化。
尽量减少ORV运行时在板型管束的下部尤其是集液管外表面的结冰。水膜下降是具有较高的换热系数，但是由于冰层的导热系数大约是铝合金管材导热系数的1/40,因此也会使汽化器的传热性能下降。采用了双层机构的传热管应用，有效地改善了结冰的状况，LNG从底部的分配器先进入内管，然后进入内外管之间的环状间隙。间隙内的LNG直接被海水加热并立即汽化，内管内流动的LNG是通过间隙内已经汽化的天然气气体来加热，使汽化逐渐进行。间隙虽然不大，但能提高传热管的外表面温度，因而能抑制传热管的外表结冰，保存所有的传热面积都是有效的，因此提高了海水和LNG之间的传热效率。
3.5汽化器ORV材料和传热设计
ORV材料的选用应与传热研究相结合，由于传热管内侧LNG蒸发时的换热系数相对较低，SuperORV设计时采用了一些强化措施，传热管分为气化区和加热区，采用管内肋片来增加换热面积和改变流道的形状，增加流体在流动过程的挠动。所有与天然气接触的组件都用铝合金制造，可承受很低的温度，所有与海水接触的平板表面镀以铝锌，防止锈蚀
和传统的ORV(KobelSteel制造)相比，单根换热管的蒸发能力提高3倍左右，海水量减少15%，建造成本减少10%，安装所需空间减少40%。
4LNG汽化器选材的研究
低温、高压、抗腐蚀性三大因素决定了LNG汽化器材料的选择。低温、高压和耐腐蚀的特点，普通碳钢、低合金钢都无法满足要求。ORV的选材对装置长周期及安全运营具有重要意义。
4.1 铜及铜合金
铜合金材料在海水中使用时表现出良好的耐腐蚀性能。影响铜合金的抗污损能力的因素包括其溶下的铜离子、表面的氧化亚铜膜及表面腐蚀产物膜的性质与粘附程度等。铜合金的暴露程度、海水流速等对其污损也有影响。铁白铜为结构铜镍合金,有良好的力学性能,在海水、淡水和蒸气中具有高的耐蚀性,但不能用于-162℃工况,所以在本项目中不适用。
4.2 钛
钛是具有强钝化倾向的金属。钛及钛合金在大部分介质中均具有良好的抗腐蚀性能;钛还具有非常良好的低温性能,使用温度可达-269℃;钛的强度也较高，设计压力可达35MPa。在静止滞流的海水中,钛比铜镍合金及不锈钢有更好的抗点蚀和缝隙腐蚀的能力；在高的海水流速度下,并经得起涡流区(如阀门、弯头)的冲蚀作用。钛是用作海水换热器的最佳材料。钛材料在IFV换热器上得到较好的应用，与海水接触的换热管选择钛材；与LNG接触的换热管和管箱部分选择奥氏体不锈钢，但本项目考虑到工业纯钛的经济性未予推荐。
4.3 铝
铝及铝合金在海洋环境中,通常因局部腐蚀而受到破坏,主要的局部腐蚀形式有点蚀、缝隙腐蚀、剥落腐蚀或应力腐蚀开裂等。铝及铝合金的点蚀往往发生在材质薄弱或材质不均匀且保护膜受到破坏处。一般使用防锈铝作为换热器的传热元件。铝合金管表现出的优点就是导热系数高,能够持续一定的使用时间,并且造价相对较低。
由于温差的限制，汽化器要求的海水量很大，换热管束的材料的选择及表面处理，必须保证能够承受低温及大流量海水的冲刷。目前ORV中换热管常用的材料为铝合金，并在外层渗锌处理。
4.4316型不锈钢
316型不锈钢在海洋和化学工业环境中的抗点腐蚀能力较强。但316钢种的综合强度和机械性能较弱。根据项目的输出压力,所需材料厚度将超出国内不锈钢材料标准要求60mm的限制。因此在本项目中不适用。
4.5双相不锈钢
双相不锈钢会在结构曲率变化处存在各种约束产生的结构应力以及焊接产生的残余应力,焊接接头处又可能存在各种缺陷,在海水环境中导致氯离子环境的点蚀和应力腐蚀。双相不锈钢由于含有相比均匀的铁素体和奥氏体,因而具有一定的抗点蚀能力。由于其含有一定数量的铁素体,所以其脆性转变温度并不很低,也就是在低温下将会变脆,限制了在LNG上的应用。双相不锈钢具有良好的抗氯化物应力腐蚀性能、抗点腐蚀性能和较高的强度,但其适宜工作温度为-40℃～250℃,因此也不适用。
5LNG汽化器ORV铝合金板防腐的研究
ORV铝合金板的应用条件在-162℃的周边环境中的应用，（肋片管材质：3003或5052，汇管材质5083），在海水工况下，受物理冲刷和操作部分的温变的影响，铝合金板会被腐蚀，采用Al98%-Zn2%涂上200mm的阳极保护层的涂层，经过测试能保证5到10年的铝合金板不受腐蚀。随着高密度的金属方法的涂层的开发，其应用将得到更广泛的应用。
6结论
6.1粤东地区海水热源温度高、海水条件优越等条件，气候器汽化能力大，以海水为热源合理，综合效益显著。
6.2汽化器和主低温换热器的结构和工艺紧密结合，换热器设计输入条件的精确度高；强化传热的方式及流通分配的均匀，介质之间的特热特性及流体阻力特性符合性良好。
6.3本项目ORV选材在安全性、经济性合理。对汽化器材料进行拓展研究，尤其是有色金属材料。
6.4采用Al98%-Zn2%涂层的阳极保护层，应对进口换热器的实际运行进行全面跟踪。研究高密度的金属方法的涂层的开发及应用，提高单台汽化器的设计能力使用寿命。
参考文献
[1]粤东LNG项目接收站工程可研报告[Z]
[2]顾安忠，鲁雪生，汪荣顺，等．液化天然气技术[M]．北京：机械工业出版社，2003．
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