低温制冷系统应用案例：海上液化天然气（LNG）再液化装置（六）

二十、液化换热器和冷箱。

液化换热器和冷箱在液化天然气生产中扮演着至关重要的角色。铝板翅式热交换器，作为陆上冷冻天然气处理的传统选择，因其轻便、紧凑和高效的流体处理性能，在浮式液化应用中尤为理想。一些公司在高压交换器方面积累了丰富的经验，能够优化交换器设计和传热鳍的选择，通过综合考虑Chilton-Colburn j系数和Fanning f系数，同时调整氮循环的操作压力和性能，从而最大限度地提高LNG产量，并减少冷箱的占地面积和重量。

板翅式换热器位于冷箱内，经过全面绝缘和防风雨处理，确保在各种环境条件下都能稳定运行。冷箱设计灵活，可以容纳多个交换模块（“核心”），使得单个冷箱就能满足大约0.75万吨/年的液化天然气生产需求。其内部管道布置简洁明了，避免了复杂的机械设计和换热器支撑问题，降低了维护难度和成本。

然而，冷箱外部的大口径管道工程在技术上提出了一些挑战。特别是要解决从铝到不锈钢的材质过渡问题，以及确保在容器运动过程中，管道能够承受并适应所施加的力。这些技术难题的解决，对于保证整个液化系统的稳定运行和高效性能至关重要。

二十一、实用系统。

实用系统的选择对于海上液化天然气生产至关重要。虽然空气冷却方式节省了大量甲板空间，但这在实际操作中并不现实。通常，海水冷却方法是海上油气加工中的标准选择，但与石油加工和伴生气体压缩相比，液化天然气浮式生产储卸油装置（LNG FPSO）的冷却负荷要大得多。具体来说，一个年产量达到150万吨的LNG FPSO大约需要每小时15,000立方米的冷却水，这是在假设水温上升10°C（含预处理）的条件下得出的。由此可见，冷却系统对所需甲板空间的影响是不容忽视的。

在冷却系统的选择上，我们可以考虑开环系统和闭环系统两种方案。开环系统的工作原理是吸入海水，经过过滤和处理以避免污染，然后将其泵送通过氮循环压缩机、中间冷却器和后冷却器，最终排放回大海。在这种系统中，所有热交换器和管道必须使用无腐蚀性材料，通常是钛。而闭环系统则是将工艺级冷却水在闭环内循环，通过热交换器将压缩热排出，再利用海水冷却水热交换器将热量释放到海水中。此时，工艺级冷却水系统的交换器和管道可以采用碳钢材料。

尽管开环系统能够在海水温度下运行，但闭环系统必须在更高的温度下运行，以确保冷却水和用于冷却它的海水之间有一个合理的温度差。基于10°C的温差，闭环系统会导致工艺效率降低约6%，这相当于减少了LNG的产量。因此，尽管开环系统需要采用昂贵的冶金技术，大多数研究仍倾向于使用开环冷却。

然而，更深入的工程研究对开环冷却的使用提出了质疑。现代紧凑型热交换器能够在非常小的温度驱动力下提供高效的氮循环冷却，而且它们的体积和重量远远小于传统的壳管式换热器。因此，尽管开环系统需要更高级的材料和技术，但上层重量的减少可能足以弥补其较高的工艺效率。此外，如前所述，机械制冷引入了一个冷水循环，而制冷系统则通过主冷却水系统进行冷却。通过综合考虑这些因素，我们可以更全面地评估不同冷却系统的优劣，并选择最适合特定应用场景的解决方案。

二十二、加热过程。

在加热过程中，分子筛预处理、酸气去除系统以及凝结水稳定等环节都需要相应的热能供应。经过评估，我们发现从燃气轮机中获取的废热量远超过了工艺的实际需求，因此，这种废热利用方式不仅成本效益高，还能实现出色的热效率，成为工艺加热的优选方案。

在热源的选择上，热油通常比蒸汽更为理想。这是因为热油具有较高的热效率，所需设备更少，且操作更为便捷。然而，蒸汽也有其独特的优势，比如可以驱动涡轮机进行发电，从而进一步提高整体热效率。如果船舶上已经有高压蒸汽或冷凝物可用，那么利用这些资源将是非常有利的，也是优化液化天然气浮式生产储卸油装置（LNG FPSO）设计的一个重要考虑因素。

综上所述，我们应根据实际情况综合考虑热油和蒸汽两种热源的优势，选择最适合的工艺加热方案，以实现成本效益和热效率的最优化。

二十三、工厂设计，环境和安全。

在工厂设计过程中，我们特别关注环境和安全因素。鉴于含氮制冷剂的成分稳定且制冷系统相对简单，评估和调整制冷循环参数以优化性能、最大化LNG产量就变得相对直接。此外，小型低温液化装置和LNG装置的运行经验为我们提供了宝贵的参考。

值得注意的是，海上LNG生产对环境的影响远小于陆上生产，这主要得益于避免了大规模的陆上建设活动。因此，环境影响评估并非潜在的瓶颈，且这些评估工作可以在陆上安全、高效地进行。

在方案评估方面，我们坚持采用“最佳可用技术”的方法，以确保最大程度地减少潜在的制裁延迟。主要的排放物包括二氧化碳和燃气轮机废气。其中，AGRU产生的二氧化碳排放物含有少量碳氢化合物，我们会在确保安全的前提下，将其排放到大气中，并通过散度研究确定最低的安全通风高度。

燃气轮机废气主要由氮、二氧化碳和水组成，含有少量的CO以及微量的NO和SO。与工业重型燃气轮机相比，航空衍生燃气轮机的高热效率意味着，尽管液化过程的效率可能稍逊于大多数陆上LNG工厂，但其燃料消耗和总废气排放量却相当接近。值得一提的是，干式低排放技术在航空衍生燃气轮机上得到了广泛应用，如今已能实现低于25ppm的排放，未来这一数字还有可能进一步降低。

此外，火炬气的管理也是我们关注的重点。在正常操作条件下，除了标称的吹扫流量外，我们避免了碳氢化合物的燃烧。同时，我们采用高完整性压力保护系统（HIPPs）来监控工厂入口，这与所有使用进气放气阀的燃气工厂的做法一致。这一措施不仅避免了“全流量救济情况”的发生，还直接减少了火炬的负荷，从而降低了燃烧和火炬塔高度对环境的影响。

下图为低温再液化系统现场图

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