海水开架式气化器的运行与维护

郭勇男

中石油江苏液化天然气有限公司 江苏 南通 226000

近年来，液化天然气（LNG）作为一种绿色清洁能源，发展迅猛，我国先后建立了大量的沿海LNG接收站，其中海水开架式气化器（ORV）是LNG接收站中负责气化外输的关键设备。ORV是一种以海水为热媒气化LNG的热交换器，世界上首台ORV安装在英国的坎维岛，在此之后，日本东京燃气在和住友精密工业株式会社的合作帮助下，开发出了性能更高的ORV。

目前，用于接收站的气化器除ORV，还有浸没燃烧式气化器（SCV）、中间介质气化器（IFV）及环境空气气化器（AAF）[1]。而在这其中，使用最广泛的便是ORV。其相比于SCV，ORV的换热介质海水更易获取且节约能量，但是海水会随着大气温度的变化而变化，所以在海水温度较低时，ORV的换热效率会大幅下降；相比于IFV，IFV的约束条件更多，流程更为复杂，投资和操作费用更高；相比于AAF，AAF虽然不需要换热介质，但其气化能力相对较弱且对大气环境有更高的要求[2]。综上原因，目前国内LNG接收站大多数都选用了ORV进行气化。

1 ORV 的结构和工作原理

ORV主要由海水供应总管、海水分配支管、海水水槽、换热管束板、LNG入口汇管、LNG分配管线、天然气（NG）出口汇管、NG分配管线等组成。其核心结构为管束板，是由一组内部具有星形断面，外部有翅片的铝合金管组成，管内有螺旋杆，以增加LNG流体的传热[3]。管内为LNG，管外为喷淋的海水。为防止海水的腐蚀，外层喷涂防腐涂层。海水从海水总管进入海水水槽，水槽海水入口处设有除泡器，可以将海水中的泡沫消除，在水槽内部设有数块挡水板，目的是为了防止海水喷溅[4]。海水从水槽中溢流出，沿着翅片表面自上而下流动，之后流入海水沟排入大海。LNG经过高压泵加压后，进入LNG集管后经每根管束自下向上流动，流动过程中与翅片外的海水进行换热，完成由LNG气化为NG的过程后进入NG出口管线，从而外输至管网。

ORV一般采用铝合金支架固定安装，气化器的基本单元是传热管，由若干传热管组成板状排列，两端与集气管或集液管焊接形成一个管板，再由若干个管板组成气化器。LNG从下部总管进入，在管束板内由下向上垂直流动，海水将热量传递给LNG，使其加热并气化；气化器顶部有海水喷淋装置，海水从管束板外自上而下喷淋，从上部进入后经分布器分配，成薄膜状均匀沿管束下降，使管内LNG受热气化[5]。

2 ORV 的运行控制

ORV运行时工艺流程如图1所示。由高压泵加压后的LNG自LNG入口经由入口切断阀XV01进入气化器，由FCV01对其进行流量调节，与海水换热气化后，经出口切断阀XV02输出至管网。FCV01在自动模式下，开度受入口流量及NG出口温度串级控制，当NG出口温度高于设定值时，FCV01开度由入口流量进行控制，当NG出口温度过低，低于设定值时，FCV01开度由出口温度进行控制。LNG进入气化器后，与海水进行换热，海水由HCV02进行控制，当海水流量过低时，系统会联锁自动关闭XV01，从而保护翅片避免冻伤。为了防止在特殊工况下对设备、人员、环境造成损害，ORV设有集散控制系统（DCS）连锁和安全仪表系统（SIS）连锁。其中DCS连锁包括：（1）启动ORV前，FCV01未关闭禁止打开XV01；（2）ORV入口XV01打开情况下禁止关闭出口XV02。

图1 ORV流程图

3 ORV 的加压预冷和启动

备用ORV启动前，需先投入海水，后对ORV及前后管线进行加压预冷，达成启动条件后方可启动。首先对ORV海水分配蝶阀、海水水槽塞子进行检查，确认无误可向ORV引入海水，海水投用后应对海水分布情况进行检查，确认海水供应正常，海水分布均匀，海水水槽无异物，无堵塞，翅片无异物，水流流动无异常。而后检查现场仪表供电和阀门仪表风均供应正常，确认现场管线及阀门无泄漏，检查无误，可对ORV进行加压预冷操作。操作步骤如下：（1）打开LNG入口XV01及NG出口XV02；（2）小开度打开MV02及MV05，将LNG引入气化器系统，进行ORV的加压，当系统压力与外输压力一致时，表示冲压完成；（3）调节MV02及MV05的开度，对ORV进行冷却，冷却速率需控制在2～3℃/min，冷却至-100℃时，需开启MV01小开度对该阀门进行冷却，当入口温度降至-130℃，冷却完成；（4）全开MV01，关闭MV02及MV05；（5）通过FCV01控制增加LNG流量，增加负荷速率需控制在每分钟不超过ORV额定负荷的10%，此时ORV启动完成。

4 ORV 的停车

对ORV进行停车时，操作步骤如下：（1）在手动模式下缓慢关闭FCV01，同时需注意其他在运ORV及上游流量及压力是否稳定；（2）关闭LNG入口XV01和MV01，在完全关闭XV01后，海水需继续供应15 min，使残留在系统内的LNG得到充分气化，避免冻伤翅片，观察ORV管束是否结冰；（3）15 min后，关闭海水入口HCV02，停止海水供应；（4）ORV停车完成，处于备用状态。

5 ORV 运行经验总结

5.1 夏季运行经验

ORV在运行过程中，因海水中存在大量的异物质及海洋生物，在与LNG进行换热的过程中，可能会吸附附着在翅片上及水槽中，以江苏LNG为例，历年统计的异物质以藤壶等甲壳类为主，壳体悬挂于星型翅片缝隙，影响水流分布[6]。吸附过多时，会导致海水分布不均，无法对LNG进行完全换热，会导致翅片异常结冰，甚至可能冻坏翅片，造成严重经济损失，所以当发现在运ORV出现水流异常时，应及时停止该ORV并对其异物质进行清理，防止翅片损伤，运行ORV若无异物质吸附，也需定期停止维护，对涂层进行检查修复。

夏季ORV运行时，水槽中常常长出绿苔。绿苔多出现在阳光充足而且比较潮湿的地方，如果环境、温度、湿度适宜，便会大量生长。而在切断水源，干燥的环境下，青苔是难以生长的。因此，对于备用的ORV，可将水槽中的塞子拔出，将水槽中的水排掉，能够有效避免水槽中的绿苔生长繁殖。

5.2 冬季运行经验

冬季ORV在运行过程中，会因为外界温度、海水温度及LNG冷能而导致翅片结冰，翅片的结冰也会影响ORV的气化能力。以江苏LNG为例，通过近年来ORV冬季运行参数及海水温度的关系，结果见图2。

图2 相同结冰高度下ORV负荷与海水温度关系

图2分析了控制平均结冰高度在0.5～1.0m时，ORV负荷和海水温度之间的关系，根据图中曲线可知，当海水平均温度达到极限温度（即2.5℃）时，ORV负荷不宜过高，否则会导致结冰过高，不利于换热且对ORV翅片有一定的损伤，当负荷超过120t/h时，结冰已经达到1m，严重影响ORV的气化能力；若控制ORV结冰高度在1m以下的前提下，使ORV满负荷运行，则海水温度需大于5℃。所以在冬季，ORV因海水温度无法长时间维持满负荷运行，为保证接收站外输及管网LNG供应，常需与SCV进行联运。

6 ORV 日常巡检与定期维护

ORV在投用过程中，为保证其平稳运行，需操作员每日对其进行现场巡检及运行参数检查，且ORV不宜长时间连续投用，也需定期停机对其进行检查及维护。

6.1 ORV 的日常巡检

操作员以每4h一次的频率对ORV进行现场巡检，在冬季及低温环境下，巡检频次变更为1h一次，现场巡检内容如下：（1）检查管束有无异物质，水流分布是否均匀，有无腐蚀，有无结冰，若存在结冰，需观察结冰高度多高，是否均匀，若存在异常，需根据海水温度及实际结冰情况适当降低ORV负荷，防止冻坏翅片；（2）检查水槽中是否存在异物质，检查挡水板是否牢固，海水是否能通过水槽正常溢流而无堵塞；（3）检查海水排水沟排水正常，无堵塞，无异物；（4）需对运行参数进行检查，检查参数包含LNG流量、海水流量、LNG入口压力、LNG出口压力、海水入口压力、NG出口温度、海水入口温度、海水出口温度[7]。当以上参数出现异常时，首先应判断是否是仪表远传显示错误，需与现场操作员配合验证，若确实出现错误，则需对设备进行降低负荷或者停车处理；（5）检查各法兰连接处、阀门有无泄漏现场；（6）检查管线是否存在变形，管托位置是否有位移，管线是否存在异常振动。

6.2 ORV 的定期检查及维护

定期检查项目如下，如有需要，需进行维修操作：（1）目视检查管束板。ORV的管束板一般使用热喷涂的锌铝合金涂层。使用清水对管束板进行冲洗，检查管束板表面的腐蚀情况。当局部的金属喷涂厚度低于70μm时，需要在下一年重新进行金属喷涂；（2）检查管束板变形情况。正常的运行工况下，最大的失真应低于0.4cm。因为海水的堵塞会引起管束板的曲率，所以定期检查海水的堵塞情况可以有效防止管束板曲率的产生。当曲率状况严重的时候，需要进行敲击修正曲率；（3）检查水槽堵塞情况。检查水槽中是否存在泥沙、绿苔及海洋生物，如有需及时清理，若吸附严重，需检查水槽腐蚀情况，若腐蚀严重，则需要重新喷涂涂层；（4）检查制氯系统的加药浓度，若海水中的微生物不足以被制氯系统的加药杀死时，需要增大用药的浓度，从而避免影响ORV的传热效率，导致翅片异常结冰及变形；（5）目视检查顶部框架及海水分布情况。

7 结束语

目前，国内LNG接收站大多数选用了ORV进行LNG的气化。ORV与海水换热进行气化，节约能源且利于环保。ORV的结构、运行操作及换热原理比较简单，但生产建造成本较高，且对冬季海水温度有一定的要求。由高压泵加压的LNG在管束板内自下而上流动，由海水泵来的海水在管束板外自上而下流动，LNG与海水换热气化为NG，输出至NG总管。ORV由ORV出口温度、海水流量及LNG入口流量共同控制其平稳运行。NG出口温度过低、海水流量过低均会对ORV进行保护，导致ORV联锁停车。ORV的平稳运行需要日常巡检及定期检查，通过对管束、翅片、水槽腐蚀情况及海水分布的检查，对运行参数的持续监控，对发现问题的及时维修，都可以使ORV运行更加稳定。