【LNG接收站开架式海水气化器的设计13000字（论文）】

LNG接收站开架式海水气化器的设计摘要LNG接收站广泛采用开架式海水气化器ORV进行液化天然气的气化。ORV的结构不复杂，翅片管束是主要组成元素，利用海水和LNG的换热实现LNG的气化。ORV的运行控制通过LNG的流量控制、海水的流量控制和ORV出口温度控制来实现。海水流量过低、ORV出口温度过低、ORV入口压力过低都会导致ORV联锁停车，由SIS关闭ORV入口、出口切断阀。ORV运行期间主要关注管束的腐蚀、开裂、变形、海水的分布情况和温度、压力、流量的变化。ORV只要定期维护，根据实地海水情况调整参数，加强巡检，就能平稳运行。关键词：LNG接收站；开架式气化器；运行控制目录TOC\o"1-3"\h\u283821绪论 1120571.1研究背景和研究意义 1174941.1.1LNG产业 157011.1.2LNG接收站 2289831.2课题国内外研究现状 474421.2.1国外研究现状 457841.2.2国内研究现状 5228361.3论文的研究内容 6206212LNG开架式海水气化器设计选材 617682.1气化器的工作原理 6165962.2影响气化器选材的因素 796122.2.1材料传热性能 79242.2.2材料低温性能 8147722.2.3材料耐腐蚀性能 819912.3常用材料性能比较 8268562.4气化器材料选择 9200053LNG接收站开架式海水气化器的设计 1011533.1工作原理 10285193.2海水净化加热子系统 1110803.2.1丙烷加热器 1117663.2.2管壳式换热器 12139283.2.3海水管路 12205963.3丙烷循环子系统 12233063.3.1LNG蒸发器 13311773.3.2超临界流体 13184253.3.3印刷电路板式换热器 14277283.4LNG气化子系统 15266323.4.1BOG再冷凝器 16149403.4.2LNG吸入罐 16132773.5辅助子系统 17294563.5.1泄放管路系统 17314253.5.2水喷淋系统 18313614结束语 1817082参考文献 201绪论1.1研究背景和研究意义1.1.1LNG产业LNG（LiquefiedNaturalGas），是液化天然气的英文缩写。LNG是通过天然气开采设备在气田中开采出来的可燃气体，它是一种混合气体。天然气与现有的化石燃料（石油、煤炭）等其他燃料相比，具有高效、清洁的特点，天然气在燃烧过程中，产生的一氧化碳和可吸入悬浮微粒物极少，不易产生影响人类呼吸系统健康的有害气体，温室效应较低，有利于防止酸雨的产生，正因如此天然气成为21世纪重要的清洁能源。主要发达国家均把提高LNG在一次能源消费中的比例，作为优化能源结构的重要解决方案。LNG需求量也随之稳定增长，潜在需求至2020年达到4.5亿吨/年。对于LNG资源匮乏的国家，进口LNG有助于弥补本身能源不足问题，保障本国能源安全，而出口LNG有助于生产国开发天然气资源，促进国民经济发展，增加外汇收入，因而LNG产业正成为全球能源市场的热点。很多国家都将LNG列为首选清洁燃料，天然气在能源供应中的比例也迅速增加，全球LNG的贸易和生产日趋活跃，LNG已成为稀缺清洁资源。为改善能源利用结构和保证消费能源多样化，一些能源消费大国更加重视LNG的引进，日本、欧洲、美国、韩国等都在大规模建设LNG接收站。LNG产业的发展对船舶这个传统行业也起到了一定的促进作用。国际海事组织（IMO）在2011年7月通过的MARPOL附则Ⅵ中明确提高了船舶的氮、硫量排放标准。附则Ⅵ要求到2020年船舶燃料油含硫量必须低于0.5%，其中进入波罗的海、北海和北美沿海水域、加勒比海设计的排放控制区的船舶到2015年期燃油含硫量必须低于0.1%。结合长期投资的安全性和经济性，各方研究结果均倾向于使用LNG作为清洁燃料，且具有明显的优势。2012年，中国LNG进口量达到1480×104t，2015年上半年，中国LNG进口量952×104t，预计到2020年，中国海上LNG进口量将有望达到6000×104t。LNG的主要优势LNG体积比同质量的天然气小625倍，所以液态天然气可方便地通过轮船、火车、汽车等很将LNG运到能源紧缺的地方使用。国际贸易的天然气，以液体方式运输的可达25%。（2）LNG储存效率高，占地少，投资省。10×104m3LNG储存量就可提供1万户居民一天的生活用气。（3）LNG作为车用燃料与柴油汽油相比，具有辛烷值高、抗爆性能好。燃烧充分发动机寿命长，燃料费用低，环保性能好等优点。它可将汽油汽车尾气中HC减少70%，NOx减少38%，CO减少91%，Pb、SOx降为零。（4）LNG汽化潜热高，过程中的冷量可回收利用。（5）由于LNG气化后密度很低，密度在空气的一半左右，若发生天然气泄漏可立即扩散，降低了爆炸的可能性。（6）LNG成分主要是碳氢，充分燃烧后会生成水和二氧化碳，对环境影响较小，减少城市污染。经过深冷过程，天然气中的硫成分可以固体形式析出、分离，比普通燃料更利于清洁。1.1.2LNG接收站LNG接收站的主要功能是接收和存储LNG，工作时，是将LNG进行并进行输送，一般接收站会与LNG码头毗邻而建，LNG接收站种类从LNG接收站所建设的位置划分可分为两类，一种是陆地式LNG接收站；另一类是近海离岸式LNG接收终端，即浮式LNG接收站，又被称为LNG，其船体外形与LNG运输船相似，但自身不具自航能力可进行LNG。国外LNG接收站应用1959年，美国开始开发应用LNG，搭建了世界第一个LNG储罐。1971年美国第一座LNG接收站投入使用，该接收站设有2座LNG储罐，存储能力达15.5×104m3。经过半个多世纪的发展，世界各国已经建成的LNG接收站已达80多座。欧美地区，目前为止，美国在用LNG接收站共10座，其中季节性接收站有2座。西班牙建设LNG接收站有6座，在建接收站为3座。拉丁美洲地区，主要进口LNG的国家是阿根廷和巴西，由于这两个国家LNG需求具有季节性，两国在进口利用LNG上均采用了LNG装置。至于亚洲，1968年，日本首个天然气接收站开始接收美国进口的LNG。因日本国土面积狭小资源匮乏，是世界最大的LNG进口国家，最高阶段，日本的天然气进口量曾占世界总量的百分之六十。目前，日本已建成LNG接收站30座，是世界上拥有LNG接收站最多的国家，总存储能力达到1514.4×104m3。由于日本不同地区对LNG的需求量不同，LNG接收站总罐容大小不一，最大的为Sodegaura接收站，拥有储罐35座，建成于1973年，存储能力为267×104m3。最小的是长崎接收站，拥有储罐1座，建成于2003年，存储能力为3.7×104m3。韩国目前在用的LNG接收站为4座，存储能力比较大，其中平泽、仁川和统营接收站的存储能力都超过了200×104m3。印度目前建设有3座LNG接收站，总存储能力达到145×104m。图1.1日本LNG接收站分布图国内LNG接收站应用我国现阶段在运营的LNG接收站共有9座。我国首座LNG接收站为深圳大鹏接收站，建于2006年。该站的储罐和接收站由寰球公司设计，设计方案参考法国，共有储罐2座，存储能力为48×104m3。福建秀屿港接收站于2008年建成，设计储罐2座，存储能力32×104m3，总体初步设计由法国公司完成，美国CBI公司和中国成达工程公司对实施建设进行总承包；上海LNG接收站在2009年完工，设计储罐为3座，总存储量49.5×104m3，由中海油和申能集团投资建设；江苏如东LNG接收站和大连LNG接收站在2011年建成，设计储罐各2座，存储能力均为32×104m3，由寰球公司负责工程设计。目前为止，正在建设中的LNG接收站共有有9座。其中，中石油承担建设广西和河北唐山LNG接收站，设计储量分别为16×104m3和32×104m3；中国石化承担建设山东青岛LNG接收站由，设计储量为16×104m3；天津、海南、广东汕头、浙江宁波、广东珠海和辽宁营口LNG接收站由中海油建设，设计总存储能力达144×104m3。表1.1中国LNG接收站分布1.2课题国内外研究现状LNG气化模块中气化过程是给用户输送前的关键步骤，模块气化系统的选择关系到整个浮式LNG接收终端的气化量。对于海上接收终端，一般采用中间介质换热，通过LNG蒸发器把LNG加热气化。1.2.1国外研究现状对于新建LNG，上部模块跟船体一般选用两个独立的承包商，分别进行设计和建造。上部模块和船体的设计和建造均采用不同的规范要求，设计上所遵循的设计标准/规范也沿用两个体系，LNG船体部分设计采用的是世界上主要船级社的专用规范和相关的指导性文件，LNG上部模块设计则以海上平台生产系统的设计规范作为设计的主规范，因此LNG设计是船舶工程与海洋平台工程的有机结合，是综合性海上工程的体现。LNG上部模块是构成LNG生产系统的重要部分，上部模块总体布置方案涉及到工艺流程、结构规划、上部模块的分块、安全和生产操作、建造方案、模块安装设备起吊能力和上部模块的安装方式等各个环节，国外对于LNG的建造主要集中在韩国，Young-ShikKim研究讨论了FSRU在浅水区系泊系统响应的试验研究，讨论了两种不同的系泊系统：悬链线式和塔轭式系泊系统不同的动态响应。YoungsoonSohn提出的LNG上部系统设计研究中，讨论了系统在船用甲板上的设备布局以及系统布置，为LNG气化模块系统布置提供了理论支持。DonghyukKim在LNGBOG设计开发中确定从LNG储罐中的BOG最佳的处理方法，以及确定了BOG生产的最坏的工况，确定了模块中BOG再冷凝工作的处理方法。SeokkyuCho在FSRU和LNGC并排停泊晃动影响的实验研究中，通过实验的方法模拟了并排卸料时，两船货舱内液体晃动对运动和漂移的影响，从而提供了LNG在卸料时避免发生意外状况的可靠实验数据。Kyoung-WanLee在进行LNG模型试验中，通过船体模型对北美东海岸波浪进行模拟，分析LNG的单点系泊系统的水动力性能，ArindomGoswami在分析FSRU模块上的两相流体循环动力中分析了LNG增压泵的工作效率以及图示说明了LNG增压泵内部构造，为LNG增压泵的设计提供参考。1.2.2国内研究现状2013年12月10日，中海油总公司宣布，中国首个浮式LNG项目—中海油天津LNG项目开始为天津市供应天然气，这引发国内能源业和船舶业的高度关注。该项目首次在中国浮式LNG气化装置终端，主体装置由法国GDFSuez公司的一艘14.5×104m3LNG船“CapeAnn”号改装而成，日气化量为3.5×104m3天然气。对于FSRU上部模块的结构设计，主要参考设计成熟的FPSO以及多功能钻井船功能模块进行设计，廖红琴在FPSO上部模块结构设计中，探讨了上部模块作业海况条件、总体布置、模块安装方案和模块支点对模块结构设计的影响，并对渤海与南海海域FPS0模块结构设计及各种安装方案进行对比，指出上部模块结构设计所要考虑的主要问题，为相关上部模块结构设计提供了参考。张利军等在对深水钻井船上部模块结构强度分析中，考虑船舶运动影响和模块支撑结构位移变化的前提下，对正常作业、海上拖航、风暴自存工况下模块主结构的强度进行了计算分析，为相关的结构强度校核提供了数值分析参考。李新鑫在浮式生产储油轮上部模块支撑结构设计中，讨论了上部模块支撑结构的设计方法固定支撑与滑动支撑相结合的方法。孙大魏在多功能钻井船大型功能模块支撑结构设计中，介绍了上部大型功能模块支撑结构的设计思路，主船体变形对上部模块及其支撑结构设计的影响及模块支撑架构设计的相关要求，为船上部大型功能模块支撑结构设计提供工程方案。陈少耿在两种上部建筑模块建造方法的比较中，通过对比“文昌13-1/2上部模块”和“东方1-1上部模块”的建造方案，介绍两种海洋固定平台上部模块的建造方案和特点。这些研究成果都为LNG气化模块的结构设计体统了参考依据。赵英年在海洋石油生产平台平面布置设计原则中，介绍了海洋石油生产平台平面布置设计的一般原则，对区域划分和设备的布置等方面，指出了一些值得注意的问题，对合理布置平台设备压缩平台的面积，降低平台造价，具有一定的参考价值。1.3论文的研究内容文章以LNG气化模块为研究对象，分析LNG气化模块的工作原理及组成要素，在考虑船舶运动以及海洋中风浪流影响的前提下，依靠有限元软件工具对模块的吊装工况、正常作业工况、极端工况、海上拖航等工况下的模块主要结构强度进行计算分析，并对主结构进行优化。针对单组气化模块中主要设备的布局调整，提高气化装置的性能，降低生产成本，提升市场竞争力。2LNG开架式海水气化器设计选材气化器是保证接收站功能的关键设备，在很大程度上决定了接收站的成本。大型LNG接收站采用的气化器基本上都是开架式海水气化器，其具有工作稳定、气化量大的优点，但国内不能制造，主要难度是设计选材、焊接和加工等难题。通过对LNG开架式海水气化器（ORV）设计选材进行分析，确定气化器的选材原则，论证各种适用条件下的气化器部件材料，为LNG开架式海水气化器设计提供理论依据。2.1气化器的工作原理通过对LNG开架式海水气化器设计选材进行分析，确定气化器的选材原则，论证各种适用条件下的气化器部件材料，为LNG开架式海水气化器设计提供理论依据。气化器换热管内部介质是LNG，外部介质是流动的海水，海水在气化器换热管外流动时将换热管内的LNG介质气化并将其加热到海水的温度。为避免影响周围海区生态平衡，海水进、出口温差不得超过7℃，实际常控制在不超过4~5℃；由若干个换热管组成的管束板一般在低温下要求有良好的机械性能、焊接性能、传热性能，且有优良的耐海水腐蚀性。气化器的选材包括管束、集管和海水槽的选材。由于开架式气化器海水槽为常压工况，只是提供海水来源，海水槽的材料只要能够满足耐海水腐蚀即可，因此选择304不锈钢。而管束板作为气化器的主体，它是开架式气化器选材的关键和核心。因此，开架式气化器的选材设计主要是换热管、集管等。2.2影响气化器选材的因素根据开架式海水气化器的工作原理及操作条件，气化器的选材要考虑以下因素：①由于换热管内部介质LNG的操作温度为-162～+3℃，所以需要耐低温材料，国产常用普通碳钢、低合金钢都无法满足要求；设计压力为12MPa，属于高压设备，所以选择的材料强度不能太低，否则难以满足制造和检验要求；LNG主要成分为甲烷，另有少量乙烷、丙烷等烃类，几乎不含水、硫、二氧化碳等物质，LNG对材料腐蚀性很小。②由于气化器为开架式，换热管外部介质海水为常压，操作温度为5~12℃，属于常温范围，因此海水的温度和压力对材料要求不高。③由于海水中的Cl-对金属材料的腐蚀性较强，所以换热管必须选择具有抗海水腐蚀性能较好的材料。④通过对LNG开架式海水气化器设计选材进行分析，确定气化器的选材原则，论证各种适用条件下的气化器部件材料，为LNG开架式海水气化器设计提供理论依据，因此，材料换热性能的好坏直接影响到气化器的效率。⑤为增大换热面积，提高气化器的效率，选取换热管为星型翅片换热管，因此，在选择换热管材料的时候，要考虑换热管翅片的加工工艺是否可行。综上所述，主要有三大因素决定了开架式气化器的材料选择：低温、耐海水腐蚀性和传热性能。2.2.1材料传热性能气化器中LNG与海水的换热以对流传热为主，同时在管壁上有热传导发生。对气化器的设计选材来讲，材料的导热系数越高，气化器的换热效率就越高。在热流密度和厚度相同时，物体高温侧壁面与低温侧壁面间的温度差，随导热系数增大而减小。在金属材料中，银的导热系数最高，然后依次是纯铜、金、铝。由于金和银成本高，作为气化器的换热材料不现实，因此不予考虑。在海水与LNG通过换热管进行换热的过程中，为了提高气化器的换热效率，应选用金属材料作为换热管，金属材料的优选顺序为：铜>铝>铁>钛。铜的可氧化性是铜作为气化器换热管最大的弊病，铜合金的导热性下降很大，此外，铜的挤压性能不如铝合金。而铁和钛的导热系数比铝和部分铝合金差得较多，因此，从材料的传热性能分析，优先选择铝或铝合金。2.2.2材料低温性能LNG气化器的设计温度为-170～65℃，因此，气化器换热管、下集管、上下汇管都需满足耐低温（-170℃）的要求。材料中，可用的材料只有304L、316L、铝合金、铜镍合金BFe30—1—1及钛合金TA7。2.2.3材料耐腐蚀性能由于开架式气化器外部介质是海水，而换热管又长期处于流动海水的包覆中，因此，在气化器选材上就要考虑耐海水腐蚀。海水中含量最多的盐类是氯化物，其次是硫酸盐。海水中Cl-的含量约占总离子数的55%，因而使海水对大多数的金属结构具有较高的腐蚀活性。钛及钛合金在海水中的耐腐蚀性最好；不锈钢是易钝金属，靠表面形成的钝化膜抵抗海水腐蚀，随着Ni、Cr含量的提高，耐蚀性增加，降低C含量可提高不锈钢的耐蚀性，不锈钢中加入Mo能提高钝化膜对Cl-的抵抗力；铜镍合金钝化能力较强，但有随温度降低腐蚀敏感性增强；铝合金在海水中腐蚀仍以局部腐蚀为主，经过冷加工和稳定化处理的Al—Mg系合金被认为是最耐海水腐蚀的铝合金。2.3常用材料性能比较316型不锈钢抗点腐蚀能力优于304不锈钢，如低碳不锈钢316L、含氮高强度不锈钢316N及合硫量较高的易切削不锈钢316F，316L不锈钢抗晶界腐蚀性好；铜镍合金具有良好的力学性能，在海水中具有高的耐蚀性，但是可切削性较差；铝及铝合金与其他金属材料相比，具有密度小、强度高、耐蚀性好、易加工，如5083属于Al—Mg系合金，有较高的抗蚀性、良好的可焊性和中等强度；6061属于Al—Mg—Si系合金，具有一定强度、可焊性、抗蚀性高，6063铝合金是Al—Mg—Si系中具有中等强度的可热处理强化合金，耐海水腐蚀优良，其工作温度可以达到-269℃，同时具有良好的加工性能，挤出性、电镀性及韧性好，阳极氧化效果优良，是典型的挤压合金，如果作为翅片换热管使用，采用挤压工艺，制造难度将会大大降低；钛具有优异的耐蚀性能和耐低温性能（可用到-253℃）。但是6063铝合金有一个致命的缺点：该材料遇到汞液可以引起金属脆化，导致铝合金材料对接焊缝处发生穿壁开裂。这种脆裂失效对5083—O、5083H112、6063—T5铝合金材料都存在影响。另外，有试验表明，溶液中存在的微量重金属铜离子（10-9级）会在铝合金表面沉积，使铝合金自腐蚀电位正移，但却不会破坏铝合金表面自然氧化膜，使点蚀电位保持不变。因此，使用这类铝合金材料时，一般要求所接触的介质，如海水不能含有汞离子，同时铜离子含量≤1×（10-10～10-9）。2.4气化器材料选择在材料的传热性能方面，气化器优先选择6063T5铝合金；在材料的耐低温性方面，碳素钢、低合金钢和双相钢S31803都无法满足-170℃的低温设计要求，可用的材料只有304L、316L、铝合金、铜镍合金BFe30—1—1及钛合金，在材料的耐海水腐蚀性方面，钛及其合金的耐海水腐蚀性最好，经过冷加工和稳定化处理的Al—Mg系合金是最耐海水腐蚀的铝合金，表面再经过喷涂处理后，可以大大提高使用寿命；在材料的低温、强度方面，铝合金、钛及不锈钢都可以满足要求，铝合金材料中5083和6063都属于中等强度的铝合金，5083的低温强度高于6063，3003铝合金的强度较低；在材料的加工性能和经济性能方面，铝合金比纯铝的加工性能要好，并且成本比钛和铜镍合金要低。采用挤压工艺制造星型翅片换热管，将会降低制造难度和成本。综上所述，优先选择6063铝合金作为换热管材料。在热处理可强化型铝合金中，Al—Mg—Si系合金是唯一没有发现应力腐蚀开裂现象的合金。Al—Mg系合金5083是非热处理强化的铝合金，具有很好的耐腐蚀性和理想的强度。5083—O（退火态）焊接后，焊接区域的硬度和焊前比较变化不大，而5083—H112焊接区域中的硬度有明显的升高。6063铝合金是AL—Mg—Si系中具有中等强度的可热处理强化合金、具有良好的塑性、适中的热处理强度、良好的焊接性能等优点；6063—T5由高温成型过程冷却，然后进行人工时效的状态，焊接性能和耐蚀性优良，无应力腐蚀开裂倾向。设计选材：开架式气化器的星型翅片换热管材料为6063—T5铝合金；气化器的汇管和封头管板采用5083—O、5083H112铝合金材料。3LNG接收站开架式海水气化器的设计3.1工作原理LNG气化模块是具有配备完整的能将LNG进行加热到可向用户输送气体所需的各种设备管系结构的一套气化系统。LNG气化模块系统可划分为海水净化加热子系统、丙烷循环子系统、BOG(boiloffgas)子系统、LNG气化子系统，辅助子系统，其中辅助子系统又包括水喷淋系统、泄放系统、空气系统、电缆托架系统等。图3.1LNG气化模块安装位置LNG气化模块的工作原理主要是将温度为-165℃的液态天然气通过海水作为热源通过丙烷作为中间介质进行加热，最终形成气体天然气输向用户的系统。气化模块主要工作流程是，LNG吸入罐从LNG存储液舱内抽取部分LNG暂时存储以备气化使用，工作时，通过LNG增压泵从LNG吸入罐中将液体LNG增压输入LNG蒸发器中，同时，丙烷通过丙烷加热器与海水进行换热升温，加热后的丙烷在LNG蒸发器中，加热液体天然气，最终输出温度在5℃的气体天然气。图3.2LNG气化模块工作原理图海水汽化啊流程图3.2海水净化加热子系统海水净化加热系统主要包括海水净化单元，海水净化加热管路，丙烷加热器，丙烷预加热器等。由于LNG在近海海域，不可避免的海水中存在各种藻类，人类污染物，或潮汐带起来的沙土等，为了防止将杂物带入管道及设备中丙堵塞引起故障，必须将抽取上来的海水预先进行过滤净化处理。净化后的海水通过海水管道进入气化模块中，作为热源进行加热。图3.3海水净化加热子系统示意图3.2.1丙烷加热器丙烷加热器是气化模块进行热源交换的重要设备，目标LNG工作地点为热带地区，考虑经济性及环境污染可直接提取海水作为热源。丙烷加热器处于第一级热交换，工作时要从海水中传递大量热量以满足后续气化的热量需求，考虑到整体工作效率以及经济性，故选取具有较大的传热面积以及传热效果较好的管壳式换热器，丙烷加热器便为此类管壳式加热器。图3.4丙烷加热器示意图3.2.2管壳式换热器本模块采用开环加热模式，海水通过管壳式换热器与丙烷进行热交换。在目前化工能源产业中，管壳式换热器在工程应用中是最广泛的一种换热设备，跟其它各类换热器相比本身的优势为，单位体积下具有更大的换热面积，传热效率较高。管壳式换热器结构简单，材料选择面广，制造容易，操作弹性较大等，还具有，生产成本低，利于清洗，换热量大，适应性强，工作可靠等一系列优点，在大型装置上和高温高压条件下也多采用此类换热器。因此，管壳式换热器在石油、化工、能源等行业的应用处于主导地位。3.2.3海水管路LNG气化模块中海水净化加热系统管路主要可分为海水输送管道和海水返回管道，采用ASMEB36.10M无缝碳钢管标准，由于海水管道温差小且处于常温状态，安全系数高，考虑到成本采用高强度碳钢管，为防止腐蚀，钢管内镀线性低密度聚乙烯，海水管道因其具有流量大的特点，致使其直径可达40〞（外径1016mm）。LNG气化模块中涉及到LNG和丙烷的管路，受自身液体低温的影响，均采用不锈钢作为材料。3.3丙烷循环子系统丙烷循环系统主要包括丙烷缓冲罐、丙烷泵、丙烷预加热器、补偿加热器、丙烷加热，LNG蒸发器、以及丙烷循环管路等。丙烷储存在再气化模块系统中的丙烷罐和船上大型丙烷罐中，模块工作时，根据气化所需的热量，通过丙烷增压泵控制丙烷的流量。当丙烷循环系统中丙烷长时间不使用或储量过多时，再由丙烷增压泵将过量丙烷输送回船上大型丙烷罐中。用气高峰时，若丙烷罐储存的丙烷量不足，再通过船上大型丙烷罐来进行补充。通过LNG蒸发器气化后的NG，在进行输送前要通过补偿加热器进行进一步升温，从而到达规定输出温度，而丙烷预加热器的主要功能是将加热后的丙烷再通过补偿加热器对NG进行升温。图3.5丙烷循环子系统3.3.1LNG蒸发器LNG蒸发器是再气化系统中最关键、最重要的设备，其功能就是把LNG加热再气化。LNG蒸发器在超临界压力工作，其超临界流体状态的热传递机理和设计与常规的热交换器不同，高压、高温差、超低温以及用丙烷或其它中间介质作为加热介质，这就需要在热传递、材料的选择、机械设计和制作方面给与特别的考虑。为避免船体运动产生不利于气化的影响，通常选择印刷版式蒸发器。工程中，船用再气化系统通常由3至6个相互独立的具有相同气化功能的蒸发系列并列组合而成，其中一个系列可作备用使用。在正常气化作业时，也可隔离任一蒸发系列以便与进行保养、维修。图3.6LNG蒸发器三维实体示意图3.3.2超临界流体为了提高LNG气化效率，LNG在气化过程中选择印刷电路板式换热器，LNG在LNG蒸发器中将以超临界流体的形态与丙烷进行换热。超临界流体是物质处于其临界压力和临界温度以上状态时，对该状态下的气体进行加压，此时气体不会液化，而只是密度增大，同时气体会具有类似液态的性质，但还保留气体性能，处于这种状态的流体被称为超临界流体SCF(SuperCriticalFluid)。超临界流体状态下的气体密度是其常温的几百倍，与液体相当。此状态下流体粘度仍呈现气体性质，与液体相比，要小2个数量等级，其扩散系数介于气体和液体之间——约为气体的1/100，比液体要大几百倍。LNG基本参数天然气的主要成份为甲烷（CH4），还会掺杂较少的乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）以及氮等其他成份。临界温度为-82.3℃。临界压力：4.60MPa气态密度为：0.68-0.75kg/m3，液态密度为0.420～0.46T/m3。着火点为：650℃，沸点为：-161.25℃。气态热值38MJ/m3，液态热值50MJ/kg。爆炸范围：上限为15%，下限为5%。3.3.3印刷电路板式换热器由于再气化模块受整体重量和上部平台空间限制，在LNG气化过程中选用排列紧凑的印刷电路板式换热器。印刷电路板式换热器PCHE（PrintedCircuitHeatExchanger）是一种传热性能优越、效率极高的紧凑式换热器。PCHE被广泛应用于化学工艺、电力能源、制冷换热等工业领域。PCHE内部的流体通道排列紧凑，是在金属薄板上由光电化学刻蚀工艺形成的，通道截面形状一般为1~2mm的半圆，上下板块之间的连接是通过扩散焊接叠置在一起形成的该型换热器芯体。PCHE能够满足高效、高压、低（高）温、排列紧凑、泄漏少等严苛的换热要求。换热器整体承受的最高温度能达900℃，最高压力可为60MPa，热传递效率超过90%，甚至可达到97%。在相同的换热条件下，印刷电路板式换热器的体积是传统管壳式换热器的1/6~1/4。PCHE的具体优点为：制造工艺上，能够根据具体需求形成不同排列方式的各种通道形状，换热单元材料构成单一，不需要多余的垫圈和焊接，整体为密封效果好，可减少泄露损失和振动，提高使用安全性及设备寿命；从内部构造上来说，PCHE流体通道的连续性能有效降低压降，减小因流体压力差带来不必要的影响；传热面积密度高，传热面积密度是指换热器一侧的总传热面积与热交换器总体积之比。传热面积密度大于700m2/m3时，一般可看做紧凑式换热器，而PCHE的传热面积密度能高达2500m2/m3是传统紧凑式换热器的三倍；通过不同的通道可以实现一台换热器中满足两种以上的介质同时换热，能有效地节省整体空间和重量，也可大大减少连接换热器的管道和阀门数量。图3.7PCHE芯体示意图海洋工程设备因受空间限制往往需要采用尺寸小、重量轻、传热效率高的紧凑式换热器，PCHE 所具有的的高效、耐压、耐低温、紧凑、体积小等特点能很好的满足此类海洋工程对换热设备的要求。3.4LNG气化子系统LNG气化子系统包括LNG吸入罐、LNG增压泵、LNG蒸发器、补偿加热器、BOG再冷凝器、计量装置以及LNG气化管路，BOG管路和NG管路。LNG气化子系统功能主要是完成对LNG进行气化和输送的过程。为了对BOG气体进行回收利用，在向LNG气化器输送LNG前，会用过冷的LNG对液舱和管路中的BOG气体进行再液化，液化后的LNG会一同进行气化。图3.8LNG气化子系统3.4.1BOG再冷凝器LNG通常在常压下-160℃低温储存，液罐内外的温差可高达190℃，因此，LNG的存储需要面临的一个问题就是LNG船上液罐的漏热，随着漏热的产生LNG就会挥发出大量气体，即BOG(boil-offgas)。虽然科研上一直在努力的寻找更好的存储方式，但漏热问题目前还是难以避免。以往的做法是把漏热产生的气体直接向大气排出或者作为船的燃料烧掉。由于LNG船体越来越大，存储量也越来越大，把BOG排空不仅浪费资源，从经济的角度来看，这种浪费是极其不可取的。因此现在的LNG船制造商都会在LNG船上配置BOG再冷凝装置。陆地LNG接收站对BOG的处理方法通常有两种，即直接压缩工艺和再冷凝工艺。直接压缩工艺主要用于短距离输气的气源型接收站和调峰型接收站。直接压缩工艺较为简单，通过BOG压缩机增压直接将接收站产生的气体输送到管网。一般气源型接收站主要采取的是再冷凝工艺。基本原理就是，把卸货过程中产生的BOG和储罐中产生的BOG先气旋分离，再通过加压用过冷的LNG将其液化，然后再用泵将其增压到LNG气化管网进行气化，和直接压缩工艺相比，再冷凝工艺具有的优点就是节能。图3.9BOG再冷凝器模型图示3.4.2LNG吸入罐LNG吸入罐是LNG再气化流程中位于甲板上的第一个重要设备，它是是LNG增压泵吸入端的一个缓冲器，LNG吸入罐可从LNG液舱里抽取部分LNG暂时存储，以备下阶段气化使用。若没有它，LNG增压泵的性能就会不稳定；另外，吸入罐还用来处置整个LNG液舱和管路系统中所产生的BOG气体和减压流体。吸入罐的工作压力一般不低于0.3MPa，按规范规定吸入罐应由耐低温的材料制成，其上设有安全阀和减压阀，其内的液位、温度和压力应进行有效的监控。图3.10LNG增压泵3.5辅助子系统因为整个再气化模块是一个安全系数极高的系统，一旦出现事故将会产生灾难性后果，所以辅助系统在整个LNG再气化模块中起到至关重要的作用。辅助系统需对模块的工作状态实时监控，保证模块工作安全，在出现危险时，及时有效地将损失减到最小化。辅助系统主要包括泄放管路系统、氮气系统、水喷淋系统、透气系统、空气管路系统等。其中，LNG蒸发器的控制和监控对保证安全相当重要，因此，在加热介质进口宜设压力、温度低报警和压力、温度超低关断；加热介质出口宜设温度低报警和温度超低关断以及压力低报警；LNG进口压力宜设高、低报警；天然气出口宜设压力高、低报警，温度低报警和温度超低关断以及温度高报警。3.5.1泄放管路系统安全泄放管路是一种保证压力容器安全运行，防止超压引起容器爆炸而装设在压力容器上的附属机构，是压力容器的安全辅助系统之一，安全泄放原理及作用主要有两点：一是正常工作运行时，能保证严密不漏；当容器超过限定压力时，能迅速自动地排泄出容器内介质，使容器内的压力能在规定的压力范围。二是报警作用。在排空气体时，介质会高速喷出，发出较大的蜂鸣声，相当于报警讯号，泄放管道主要分为三种类型：放空与放净管道；可燃气体排放管道；可燃液体排放管道。3.5.2水喷淋系统水喷淋系统是LNG再气化模块上非常重要的安全辅助保护系统之一，水喷淋系统在LNG再气化模块中主要应用于压力设备、工艺管汇、和结构冷却，保护围蔽处所内的灭火、控火和起到水帘隔离的作用。工作原理是在模块系统安装报警装置，可以在发生火灾时自动发出警报。通过喷头喷水形成水雾，对保护区域冷却和灭火。可以分为人工控制和自动控制两种形式：人工控制是指在发生火灾时人工打开消防泵为主管道提供压力水，喷淋头在水压的作用下开始工作。自动控制是指消防喷淋系统可以自动喷水并能与其他消防设备同时联动工作，因此能够有效的控制和扑灭初期火灾。本章以目标LNG气化模块为研究对象，总结出了LNG气化模块的工作原理、工作流程以及基本组成，根据设备功能把LNG气化模块划分为海水净化加热子系统、丙烷循环子系统、LNG气化子系统、辅助系统四个子系统。通过模块工作中各流体相互之间的换热的方式，对不同类型的换热器进行对比分析，总结各自的优势与缺点。由于LNG的低温环境，不同的钢材质会对低温产生不同的物理特性反应，根据模块结构中涉及到的高强度钢和奥氏体不锈钢，对两种钢材进行描述，并对模块中重要设备进行阐述，为研究其布置及结构强度分析打下基础。4结束语由于LNG动力船的应用越来越广泛，船用LNG气化功能模块在LNG产业环节中的作用更加凸显。LNG气化功能模块主要由国外的一些设计公司和船企进行设计与制造，国内在这方面研究较欠缺。通过对LNG气化模块的资料积累和相关文献规范学习，进行了船用LNG气化功能模块的设计优化研究，主要完成了以下研究工作：总结出船用LNG气化模块的工作原理及工作流程，通过对LNG气化模块设备和管系的功能划分，总结出LNG气化模块中可分为海水净化加热子系统、丙烷循环子系统、LNG气化子系统、辅助子系统四个子系统功能模块。根据模块工作状态所涉及的换热方式阐述了管壳式换热器和印刷电路板式换热器两种不同的换热原理。由LNG气化模块所需考虑的诸多安全因素，得出再气化模块中结构、设备和管系选取高强度钢和奥氏体不锈钢作为材料的意义。确定LNG气化模块主结构进行强度校核及优化设计时所需考虑的载荷及大小，通过阅读规范得出在考虑船体运动状态下，模块在各个工况下各基本载荷的组合方式及其影响系数。在满足规范和留有适当冗余度的前提下，对主结构进行优化设计，使主结构整体重量得到减轻，提高工程中的经济性。参考文献[1]祁宁，程硕等.浅谈天然气行业发展前景及天然气市场分析.[J].商品与质量·建筑与发展，2014（5）：267-268.[2]李博洋，邱力强等.船用LNG燃料的应用与分析[J].船电技术，2014（10）：77-80.[3]郑涛.新疆西部公司LNG项目经济分析[D].北京：对外经济贸易大学硕士学位论文，2002.[4]刘刚.LNG接收站建设综述[J].油气田地面工程，2013(7):100-101.[5]韩广忠.中国新建LNG接收站的经营困境及其对策[J].天然气工业，2014（5）:168-173[6]JorgenEide,etal.Systemforoffshoretransferofliquifiednaturalgas.USPatent:6637479.2003.[7]江涛.浮式LNG接收终端(FSRU)靠泊方案及码头设计研究[D].大连：大连海事大学学位论文，2012.[8]李源.LNG-FSRU技术动向[J].中国船检，2013（8）：77-80.[9]DonaldPrible,etal.LNGfloatingproduction,storageandoffloadingscheme..USPatent:6889522.2005.[10]AprilChan,JanaHartline,RobHurley,etal.EvaluationOfLiquefiedNaturalGasReceivingTerminalsForSouthernCalifornia.EvaluationofLNGTerminals:Spring2004,1-4.[11]GolarFSRUconversionsjustthestart[J]offshoreLNGsupplement，2011(7):12-13.[12]艾绍平，张奕.浮式LNG接收终端技术及发展[J].世界海运，2012(9):32-34.[13]冯庆斌，刘纯青.天津浮式LNG项目特点及发展规划[J].石油和化工设备,2013(12):35-36.[14]都大永，王蒙.浮式LNG接收站与陆上LNG接收站的技术经济分析[J].天然气工业，2013（10）:122-124.[15]吴宛青，郑庆功.谈浮式储存气化船舶的安全管理[J].中国海事，2013（8）：12-15.[16]黄群.浮式海上接收终端方案研究[J].海洋技术，2010(1)：112-116.[17]廖红琴.FPSO上部模块结构设计[J].中国造船，2008(2):232-238.[18]Young-ShikKim.A