LNG接收站SCV能耗计算方法及节能技术研究

摘要：在LNG接收站项目中浸没式燃烧气化器（SCV）是燃烧加热型气化器中使用最多的一种;浸没式燃烧法实现了高温烟气与水浴之间能量的直接传递，燃烧器产生的高温烟气在水中形成大量气泡，气液之间混合搅动强烈，因此大大加强了气液的接触传热面积，使传热过程增强。本篇结合中石化天津LNG接收站SCV运行现状，给出了SCV的燃料消耗、风机送送风量和风机能耗计算方法。通过与工程运行实际参数对比，文中给出的计算方法对于特定条件下的生产耗能分析和工艺参数估算是有用的，也可以用于工程规划阶段的能耗核算，但对于详细的工程设计过程不推荐使用本篇的计算方法。通过多组计算结果对比分析降低SCV出口天然气温度可有效降低燃料气的消耗，同时也降低了压缩空气的消耗量，降低风机能耗;同时降低SCV出口天然气的温度可以大量减少燃料天然气的消耗，最终减少了燃烧过程CO2的排放量，降低生产过程对大气造成的污染。现归纳总结如下，供同行参考。

关键词：液化天然气;接收站;浸没式燃烧气化器;空压机;节能;排放

在LNG接收站项目中浸没式燃烧气化器（SCV）是燃烧加热型气化器中使用最多的一种。它使用一个直接向水中排出烟气的燃烧器，由于烟气与水直接接触，烟气激烈地搅动水，热效率非常高。浸没燃烧式气化器的特点是：结构紧凑、节省空间;初始成本低;传热效率非常高;适合于负荷突然增加的要求，可快速啟动;适合于紧急情况或调峰使用。

浸没式燃烧法实现了高温烟气与水浴之间能量的直接传递，燃烧器产生的高温烟气在水中形成大量气泡，气液之间混合搅动强烈，因此大大加强了气液的接触传热面积，使传热过程增强[1]。烟气的排烟温度接近水温（20℃左右），烟气中的水汽冷凝热得到全部回收，燃烧热效率高达95%以上。与此同时SCV采用低NOx燃烧器，烟气中NOx含量很低，减少了对大气的污染。因为SCV要消耗燃料，操作费用高，SCV主要用于调峰或紧急状态。当冬季海水温度较低时IFV和ORV两种气化器无法使用，此时在LNG接收站SCV常被用做基本负荷气化器。

1、SCV工艺简介

1.1 工艺流程

鼓风机来的空气与燃料气在燃烧器混合、点燃，在燃烧室充分燃烧。所产生的高温烟气，经烟气分配器均匀分配至堰流箱下方，高温烟气在上升过程中加热堰流箱内的软化水和LNG盘管，烟气经混凝土水浴池上方的集气室从烟囱排出。

自高低压外输泵来的LNG流经LNG盘管过程中，经堰流箱内的高温烟气和软化水同步加热后，温度升至1℃以上外输。

1.2 SCV的结构和工作原理

浸没燃烧式气化器（SCV）工作原理及结构示意图如图1所示。SCV气化器主要由天然气管束、燃烧器、燃烧室、烟气分布器、堰流箱、烟囱、鼓风机、循环水泵、混凝土水浴池（槽）、燃气管道、供风管道、监控仪表、控制系统等部分组成[2]。

液化天然气管束置于水浴池液位以下，将燃料天然气（NG）与鼓风机输送来的空气送入燃烧器在炉膛内燃烧，燃烧后生产的高温烟气经过烟气分布器直接排入水浴池中。高温烟气通过分布器的鼓泡管进入水浴与水直接接触换热，大量气泡搅动水浴，促进了气水之间的传热和水浴与管束的换热，换热效率很高。这种气/水混合物同时产生上升作用，在围堰的限制下，在换热管外形成自下而上的循环流动，强化了水与管束的换热。加热后的水通过管束与管内的液化天然气（LNG）换热，管内的液化天然气被加热气化并过热到要求的外输温度。烟气从水面逸出后经烟囱排入大气。循环水泵把冷却水送入炉膛和燃烧器水夹套对其冷却。SCV的运行是在燃烧控制管理系统的自动控制下进行的。

2、能耗指标的计算方法

2.1燃料气性质及燃烧方程

天津LNG接收站在开车阶段和停产检修阶段，一般采用来自LNG储罐的BOG经增压后作为燃料气，正常生产过程中主要采用气化后的商品气作为燃料气，表1给出了中国石化天津LNG接收站的典型的气质组成。

表1中天然气的组成主要是饱和烷烃，含有少量氮气，基本不含水和硫化物。为简化计算，本篇所涉及燃烧计算均指饱和烷烃的计算。烷烃燃烧化学方程式如下（式e1）。

2.2空气压缩机能耗计算

根据燃烧化学方程e1，燃料气燃烧所需空气量按公式（1）计算。

空气空压机功耗按公式（2）计算：

2.3 LNG气化和加热过程中焓变计算

在气液平衡计算过程中，采用Peng-Robinson状态方程及其演变方程，可以较好地计算液体的蒸发焓变[4]。

通过PR方程可推导出，液化天然气气化蒸发段的焓变计算按式（4）计算。

因天然气气化外输过程中基本保持恒定的外输压力，气化后天然气加热段焓变简化计算按式（5）计算[5]。

2.4燃料天然气的热值计算

燃料天然气的热值采用公式（6）计算。根据SCV工作原理（1.2）燃料天然气热值应选取高热值。

2.5 能量损失计算

SCV的能耗损失主要是包括SCV壳体的热辐射、凝结水外排和废气排放3个部分的热量损失。为简便计算，本篇暂不计入SCV壳体热辐射引起的热量损失;凝结水外排和废气外排热量损失参照公式（5）计算。

3、能耗和燃料消耗指标计算

3.1 SCV能量守恒关系和热物料平衡

在LNG接收站工程生产过程中，SCV是LNG气化和加热的关键核心设备，一旦装置建成投用其LNG入口温度和工作压力基本稳定，可变参数为出口温度;SCV工作过程中燃料其燃烧释放出的热量，除部分能量损失（2.4）外，其余全部共给LNG气化和加热，能量平衡可按公式（7）计算。

根据公式（1）至公式（7），我们可以推导出燃烧气消耗量和风机能耗的特出对应SCV出口端提案燃气温度的对应函数关系如下：

3.2 能量消耗指标计算结果

表2给出了不同出口端天然气温度对应条件下中石化天津LNG接收站SCV能耗和燃料消耗指标计算结果。

4、工程应用及操作实践

表2和图3、图4数据显示，随着SCV出口天然气温度的增加，燃料气消耗量和风机耗电量呈线性增加;图4显示随着SCV出口天然气温度的增加，冷凝水和燃烧废气外排引起的能耗损失呈线性大幅度急剧增加。LNG接收站在生产运行过程中根据天然气下游用户需求，

在保证下游用户用气安全的条件下，应及时调低SCV出口天然气温度，降低燃料气消耗量和风机耗电量，达到节能减排双重目的。

2019年进入冬季，中石化天津LNG接收站工程共开启SCV 4台，根据下游用户需求和配套输气管网运行实际，公司及时将出口天然气温度调低至5-10℃，水浴槽温度约15℃燃料气消耗和风机电耗都有大幅度的降低。

5、结论

SCV作为LNG气化外输的核心设备，其热能主要来自燃料气的燃烧释放的热能，燃料气消耗量与SCV出口天然气的温度密切相关。降低SCV出口天然气温度可有效降低燃料气的消耗，同时也降低了压缩空气的消耗量，降低风机能耗。

燃料天然气燃烧产物中水将凝结成液态水，并经溢流口不间断排出;燃烧产物CO2和空气中压缩空气中不燃烧的氮气N2从SCV烟囱连续排除。凝结水和废气排放都携带了一定量的热能，降低SCV出口天然气的温度和水浴池淡水的水温可以有效降低这部分能量的损失。

降低SCV出口天然气的温度可以大量减少燃料天然气的消耗，最终减少了燃烧过程CO2的排放量，降低生产过程对大气造成的污染。

本篇使用的计算方法对于特定条件下的生产耗能分析和工艺参数估算是有用的，也可以用于工程规划阶段的能耗核算，但对于详细的工程设计过程不推荐使用本篇的计算方法。

参考文献：

[1].尹星懿，浸没燃烧式气化器原理分析及方案优化[J]，燃气技术，204年总第468期，9-12;

[2].芦德龙等，液化天然气浸没燃烧式气化器工艺计算，石油化工设备，2017年，第46卷，第4期，17-22

[3].李芳运，天然气燃烧及应用技术[M]，石油工业出版社，2002年，38

[4].董军航、徐南平等，PR状态方程推算液体多种热力学性质，南京化学院学报，199年，第17卷，第3期，1-5;

[5].[美]卡爾L.约斯注，陶鹏万等译，气体数据手册[M]，化学工业出版社，2003年，870。

作者简介：

王保庆，男，1973.12出生，大学硕士，高级工程师，从事专业：石油及天然气工程建设