浸没燃烧式气化器运行效率及能耗成本核算

焦月明陈 帅杨 力周 华王 哲李 强

(1.新疆华隆油田科技股份有限公司 2.中石油大连液化天然气有限公司)

浸没燃烧式气化器运行效率及能耗成本核算

焦月明1陈 帅2杨 力1周 华2王 哲2李 强2

(1.新疆华隆油田科技股份有限公司 2.中石油大连液化天然气有限公司)

浸没燃烧式气化器(SCV)作为LNG接收站运行成本最高的装置,其运行效率计算和能耗成本核算备受关注。为此,首先以BWRS方程为基础求得SCV入口LNG和出口NG的焓值。然后,在焓值计算基础上,根据正割迭代法确定外输高压天然气经绝热降压后作为燃料气的温度,以获得燃料气加热器所提供的能耗。之后,计算出燃料气发热量,并根据能量守恒定律求得SCV效率和能耗成本。最后,为了方便LNG接收站使用,将此计算方法设计成一款计算软件以满足其需求;同时,通过实际运行数据对其可靠性进行了验证,并给出了能耗成本核算实例。结果证明,软件能较为准确地计算SCV运行效率和能耗,可为SCV的运行计算提供相应帮助和指导。

浸没燃烧式气化器 LNG接收站 运行效率 能耗成本 核算 BWRS方程 计算软件

目前,国内LNG接收站主要采用开架式气化器(ORV)、液体介质气化器(IFV)和浸没燃烧式气化器(SCV)作为LNG气化装置[1-4]。ORV和IFV以海水作为气化媒介,因此其运行会受到海水温度和含沙量的影响。SCV虽然初期投资较低且运行不受环境温度影响,但其运行成本最高。所以,通常只有当ORV、IFV无法正常运行或无法满足外输所需天然气气化量时,才会选择使用SCV。

图1展示了SCV运行相关工艺流程[5]。在实际运行中,首先需要完成SCV的点火工作:①通过燃料气1、助燃空气2使用高压点火枪将火点燃;②通过燃料气2将火焰引至燃烧炉底部;③通过燃料气3、助燃空气2供气完成SCV的点火。点火完成后,燃料气在燃烧炉中燃烧产生的燃烧产物通过输气管线输送至水浴,对水浴进行加热并形成许多双相发泡混合液。混合液由于密度下降,而随SCV特设的挡堰上升,当混合液上升至其上方时,气泡开始扩散:水回落至挡堰上方,并通过换热管束进行再循环,以此方式在换热管束周围形成大范围的紊流和良好的再循环,从而确保其温度的稳定;气体则通过较矮的烟囱排放至大气中。同时,在燃烧过程中为了防止燃烧炉外壁温度过高,对其造成机械损坏,通过冷却水1对其进行持续冷却;而燃烧过程中为了防止NOx的产生,则通过冷却水2对燃烧火嘴进行冷却。并且由于燃烧产物主要为CO2和H2O,当CO2溶于水中后会产生弱酸性物质,所以为了保证水质的完好,设置了碱液罐。当p H1仪检测到水浴p H值较低时,则自动向水浴中添加碱液以提高其p H值。同时,由于水的产生,水槽内液位会不断上升,所以在适合位置设置了溢流口来保证液位的稳定。从图1可以看出,换热管束是全部浸没于水浴之下,有足够大的换热面积,同时燃烧生成的水蒸气被冷凝在水浴中,所以SCV具有很高的换热效率,一般在90%～99%之间。而图1中也显示,SCV所需的燃料气有两种供应方式:①将外输NG经绝热降压,并使用加热器加热后供SCV;②直接采用BOG压缩机出口气作为SCV燃料气。虽然两种方式对SCV运行效率影响较小,但对整体能耗却存在一定影响。由此,以下将对两种情况展开分析。

1 BWRS方程求解NG及LNG焓值

1.1 BWRS方程中各参数求解

BWRS方程形式如下:

式中,p为介质绝对压力,k Pa;ρ为介质密度,kmol/ m3;R为气体常数,kJ/(kmol·K);T为介质温度, K。

式(1)中的各参数A0、B0、C0、D0、E0、a、b、c、d、α、γ可通过文献[6]中的方法来求解;不同组分混合的二元交互系数则可通过查阅文献[7]中的表2获得;计算中所需各纯组分的临界参数可通过文献[8]中的表2查询而得。

1.2 NG及LNG密度求解

在给定介质组分后,通过1.1方法求解出BWRS方程的11个参数。将BWRS方程变形为以下函数形式:

在给定了温度T和压力p后,求解方程(2)便可求得介质密度。由于此方程为高阶非线性方程,直接求解难度非常大,所以采用正割法进行求解[6]。正割法对应迭代公式如下:

式中,k为迭代序号。而在用正割法求解时需要给定两个初值ρ0、ρ1(求解NG密度:ρ0=0 kmol/m3, ρ1=p/RT;求解LNG时:ρ0=40 kmol/m3,ρ1= 3 840 kmol/m3)。同时,当|ρk+1-ρk|≤ερ(其中, ερ=10-6)迭代收敛,ρk+1即为所求密度。

1.3 NG及LNG焓求解

1.3.1 天然气理想气体焓值求解

纯组分理想气体焓可按照式(4)线性回归式[9]求解:

根据纯组分理想气体焓混合规则(式(5))方可求解出天然气理想气体焓。

1.3.2 NG或LNG焓值求解

在求解出天然气理想气体焓后,可根据式(6)余焓式求解出NG或LNG的焓值。当求解NG焓值时,式(6)中的密度ρ为1.2中NG密度;求LNG焓值则为1.2中LNG密度。

式中,Hm为NG或LNG焓值,kJ/kmol。

由于实际生产中,焓值通常采用质量比焓来表示,所以通过式(7)将式(6)求得的焓值转换为质量比焓。

式中,Hqua为NG或LNG质量比焓,kJ/kg;Mmol为NG或LNG摩尔质量,kg/kmol;Mmol可以按照理想气体混合规则,通过各纯组分的Mmol_i和摩尔分数求得。

2 加热器加热燃料气所提供能耗计算

2.1 绝热降压后燃料气温度计算

由于绝热降压过程[10-12]可以近似地看作等焓过程,所以燃料气降压前和降压后的焓值是相等的。而降压前压力、温度和降压后的压力通常已设定。因此,可以通过1法直接求出降压前的焓值,对于降压后的温度则可采用正割迭代法来求解。具体求解方法为:

首先,按式(8)求解出节流前天然气焓值。

然后,以降压后温度为变量,建立降压前后焓差式,见式(9)。

式中,Te为加压后燃料气温度,K;pe为降压后燃料气压力,k Pa;Hfuel_e为降压后由Te、pe根据第1节计算得到的燃料气焓值,kJ/kmol。

最后,建立正割迭代式,见式(10)。

式中,k为迭代序号。给定的初值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时:ρ0=40 kmol/m3,ρ1=3 840 kmol/m3)。同时,当|Tek+1-Tek|≤ερ(其中,ερ=10-2)迭代收敛, Tek+1即为所求Te。

2.2 加热器所提供能耗计算

由于SCV要求燃料气温度必须大于0℃,而经过绝热降压后的燃料气温度是远远低于此温度的,所以必须使用加热器对其加热。而加热器所提供的能耗可按以下方式进行计算:

首先,由1节中方法求解出加热后燃料气质量比焓。

目前，地理国情监测成果已在各个领域发挥着不可或缺的作用，随着常态化地理国情监测工作的深入推进，各项规定内容的逐渐完善，监测成果质量必将稳步上升。作为一项对国民经济、国家决策具有指导性作用的项目，每一位测绘质检工作人员都应秉承科学实践、积极创新的工作态度，扬长避短，探索出一套更先进、可行的质量控制方法，使成果质量更加科学可靠，满足更多、更广泛的应用需求。

式中,Hfuel_qua_w为加热后燃料气质量比焓,kJ/kg; fh_qua为1节中求解天然气质量比焓的方法;Tw为加热后燃料气温度,K;pw为加热后燃料气压力(与加热前压力几乎相同),k Pa。

然后,用加热后质量比焓减去加热前质量比焓,求得质量比焓差。

式中,ΦHfuel_qua为燃料气加热后、前质量比焓差,kJ/ kg;Hfuel_qua_e为加热前燃料气质量比焓,kJ/kg。

最后,用焓差乘以燃料气质量求得加热器所提供能耗。

式中,Eele_htr为加热器最小功率(即每小时提供能耗),k W;Ffuel为燃料气流量,kg/h。

3 燃料气发热量计算

由于燃料气燃烧产物中的水蒸气会溶于水浴中,所以其燃烧发热量可看作高位发热量。以下所求的发热量均指其高位发热量。

理想气体纯组分在燃烧参比温度为293.15 K、288.15 K和273.15 K时的摩尔发热量可查阅参考文献[13]。根据查阅的数据通过式(14)方可求得天然气理想气体对应温度的摩尔发热量。研究表明,天然气理想气体摩尔发热量与真实气体摩尔发热量误差不会超过50 J/mol。所以,将理想气体摩尔发热量看作天然气真实气体的摩尔发热量。而对于273.15～293.15 K范围内非特定温度点对应的摩尔发热量,则根据线性插值法求解。最后通过式(15)求解出其质量发热量。

4 运行效率及能耗成本计算

4.1 SCV运行效率计算

虽然在不同工况、不同燃料气供应方式下,燃料气温度会有所差异,同时导致燃料气带入的显热也会不同,但实际运行中燃料气显热对SCV运行效率的影响是非常小的。所以,在此忽略此项对其效率的影响,从而得到SCV效率计算式如下[14]:

式中,η为SCV运行效率,%;FLNG为SCV入口LNG流量,t/h;HNG_qua为SCV出口NG质量比焓, kJ/kg;HLNG_qua:SCV入口LNG质量比焓,kJ/kg。(由于SCV运行时,其入口LNG压力与出口NG压力相差在0.2 MPa以内,此压力差内对焓值计算影响很小。所以,在计算其出口、入口焓值时都取入口LNG的压力。)

当然,若给出了SCV的效率,则只需对式(16)进行简单的变形,即可求解出气化一定流量的LNG所需的燃料气流量。

4.2 SCV运行能耗成本核算

SCV运行能耗成本主要包括两部分——气耗和电耗成本。气耗是SCV运行燃烧燃料气产生的成本;而电耗则是SCV运行所消耗的电能。

4.2.1 气耗成本

在已知SCV运行效率基础上,通过变形式(16)求解出所需燃料气流量,然后按式(17)求解气耗成本。

式中,Cgas为SCV运行每小时气耗成本,元/h; PriceLNG为每千克LNG的价格,元/kg。

4.2.2 电耗成本

SCV运行自身耗电包括:助燃风机、冷却风机、冷却水泵和其他耗电。表1列出了大连LNG接收站SCV运行的电耗情况。但由于接收站可采用两种方式供给SCV燃料气,若采用外输NG绝热降压,则需要加热器加热,会耗费电能;而采用BOG压缩机[15]出口气作为燃料气,由于其出口温度较高,无需加热器加热,不会耗费电能。由表1可计算出SCV运行电耗成本。

外输NG绝热降压作为燃料气:

式中,Cele_NG为外输NG作为燃料气时,SCV运行所需电耗成本,元/h;Priceele为每度电价格,元/度。

表1 SCV运行电耗情况Table 1 Power consumption of SCV running

BOG压缩机出口气作为燃料气:

式中,Cele_BOG为BOG压缩机出口气作为燃料气时, SCV运行所需电耗成本,元/h。

4.2.3 能耗成本

通过4.2.1和4.2.2则可求得SCV运行能耗成本。外输NG作为燃料气的能耗成本CNG=Cgas+Cele_NG;而BOG压缩机出口气作为燃料气的能耗

成本CBOG=Cgas+Cele_BOG。

5 软件设计及使用说明

由以上研究分析,在Forcecontrol V7.0[16]平台上利用计算机编程技术设计出相应计算软件(见图2)。在设计过程中,为了使软件人机界面更友好,使用更方便,对一些相关参数的单位进行了变换,使其更加接近于SCV真实情况;并且还设置了工艺流程简图窗和结果显示窗,让使用者可以更加形象地了解基本流程,同时也能更加清楚地查看计算结果。

使用过程中,首先点击“设置”按钮,弹出“SCV_参数设置”对话框。在对话框中选择“效率计算Fuel:NG”、“效率计算Fuel:BOG”、“燃料气流量Fuel:NG”或“燃料气流量Fuel:BOG”标签,对话框将显示对应计算所需输入的参数(图3中A、B、C、D)。对于个别的计算参数也可在“人机界面”工艺流程简图中直接输入。在完成参数输入后,点击“运算”按钮,则“工艺流程简图窗”会显示相应的流程状态和计算结果。同时“计算结果显示窗”也会给出相应的计算结果。

6 软件可靠性验证

为了验证软件的可靠性,首先通过软件计算出大连LNG接收站SCV实际运行中3种不同工况的SCV运行效率;然后再对计算结果进行分析;最后达到软件可靠性验证的目的。

6.1 软件计算SCV运行效率

表2为3种工况所对应LNG组分的摩尔分数。

表2 SCV效率计算所对应的LNG组分含量 (y/%)Table 2 LNG components of SCV efficiency calculation

表3为以BOG压缩机出口气为燃料气所对应的3种工况下的实际运行参数。同时,在其中也给出了由这些参数通过软件计算所得到的SCV运行效率。

表3 SCV实际运行参数及计算结果Table 3 Actual operating parameters of SCV and the results

6.2 计算结果可靠性分析

通过表3可以看出,3种工况下所计算的SCV运行效率都在95.43%左右,非常接近。同时,3种工况的计算结果也在SCV的设计效率要求范围90%～99%之间,且比理想效率设计值98.30%略低。通过以上分析可知,软件所计算的效率是非常接近SCV实际运行效率的,软件具有较高的可靠性。

7 软件扩展功能介绍及能耗成本核算实例

7.1 扩展功能介绍

软件除了能计算不同燃料气来源SCV的运行效率外,同时为了更好地满足LNG接收站的实际需求,也给出了不同燃料气来源时SCV气化LNG所需的燃料气流量;并且给出了以外输NG为燃料气时,NG绝热降压为燃料气时的温度和燃料气加热器所需提供的功率。而燃料气流量计算则将在7.2节能耗成本核算实例中体现。

7.2 能耗成本核算实例

表4列举出了大连LNG接收站实际运行时,以BOG压缩机出口气为燃料气和以外输NG为燃料气的供应方式时所对应的SCV入口LNG摩尔分数。

表4 能耗成本核算所对应的LNG组分含量 (y/%)Table 4 LNG components of cost check of energy consumption

能耗成本核算中,燃料气流量的计算将以6.1节中3种工况所计算的SCV运行效率的平均值95.43%为已知效率;而以外输NG为燃料气时加热器所需的电耗也能由软件直接求出;最后通过4.2节中相关公式求得两种情况的能耗成本(计算电耗成本时,电价为0.6元/度;气耗成本为每千克燃料气6元。)。表5中列举了两种燃料气供应方式所对应的实际运行参数,同时也给出了能耗成本核算的相关结果。

由表5可见:①SCV气化LNG的能耗成本主要来自于燃料气的燃料,而电耗成本在整个能耗成本中的所占比例较小,同时燃料气加热器所耗电能费用在整个电耗成本中也相对较少;②虽然采用外输NG作为燃料气需要燃料气加热器提供热量,但表5中每吨LNG气化成本却比采用BOG压缩机出口气为燃料气的成本低,说明SCV出口NG温度与入口LNG温度的差值才是影响其能耗成本的关键,而燃料气自身显热和电加热器是否加热对其影响却是非常小的。

表5 实际运行参数及能耗成本核算结果Table 5 Actual operating parameters and the results ofcost check of energy consumption

8 结论

(1)给出了SCV运行效率和能耗的计算方法,并设计成对应的计算软件。通过实际数据验证,软件在计算效率和能耗方面具有较高的可靠性,可满足LNG接收站SCV运行计算要求;对SCV运行分析和计算可起到一定的指导意义。

(2)SCV选择BOG压缩机出口气作为燃料气,虽然无需加热器加热燃料气,能节约一定的电耗成本,也可有效降低最小外输量,但削弱了SCV系统和BOG处理系统的独立性。若其中某个系统出现故障,必然影响另一个系统的稳定运行,从而增加了接收站全站停车的风险。而选择外输NG绝热降压作为燃料气,虽然需要加热器加热,但即使SCV连锁跳车,也不会影响其他系统和汽化器的运行;同时加热器提供电耗相对整个SCV运行能耗是非常小的。因此,如果接收站对最小外输量要求不是太低时,建议采用外输NG绝热降压来作为SCV燃料气。

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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;编辑:康 莉

焦月明(1963-),男,大学本科,工程师,毕业于中国石油大学工商管理专业。任职于新疆华隆油田科技股份有限公司,主要从事油田化学、数字油田、液化天然气等相关领域工程技术研究及管理工作。地址:(834000)新疆克拉玛依市金星路7号。E-mail:archno1@163.com