石油与天然气化工  2015, Vol. 44 Issue (3): 118-123
LNG接收站次氯酸钠投加量确定及产生装置选择
焦月明 1, 陈帅 2, 杨力 1, 敬兴龙 1     
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
收稿日期：2014-09-10
作者简介：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。现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。E-mail：archno1@163.com.
通信作者：陈帅(1986-)，男，大学本科，助理工程师，测控技术与仪器专业。现任职于中石油大连液化天然气有限公司，主要从事LNG接收站运营、管理工作。E-mail:64336992@qq.com.
摘要：LNG接收站通常采用海水作为气化LNG的热媒, 但实际运行中, 却存在海洋微生物滋生、附着管道及设备的风险。因此，LNG接收站通常会在海水取水口处投加次氯酸钠(NaClO)，但NaClO投加量及产生装置却是其必须考虑的问题。首先, 分析了投加量的影响因素及评价标准，并以大连LNG接收站为例说明投加量的具体确定方法；其次，分析了电解海水制NaClO装置及NaClO溶液直接投加装置，并计算了二者的运行成本；最后，就两种装置的优劣进行对比分析。结果显示，电解海水制NaClO装置具有运行成本低、NaClO即产即用的优点；而NaClO溶液直接投加装置则具有前期投资费用低、装置简单和建造面积小的优点。
关键词：LNG接收站    海洋微生物    次氯酸钠    投加量    电解海水    
Sodium hypochlorite dosage determination and generation unit selection of LNG terminal
Jiao Yueming1 , Chen Shuai2 , Yang Li1 , Jing Xinglong1     
1. Xinjiang Hualong Oilfield Technology Company Limited, Karamay 834000, China;
2. PetroChina Dalian Liquefied Natural Gas Company Limited, Dalian 116600, China
Abstract: LNG terminals usually use seawater as heat medium to gasify LNG. But in the actual operation, there are risks that marine microbes multiply and adhere to pipes and units. Therefore, LNG terminals usually add sodium hypochlorite at the seawater intake, but the dosage and generation units are questions needed to be answered. Firstly, the factors affecting the dosage and its evaluation criteria were analyzed and the dosage determination process was illustrated with Dalian LNG Terminal as a case study. Then, two types of generation units, seawater electrolysis system and sodium hypochlorite solution direct dosing system, were introduced and each running cost was calculated respectively. Finally, the advantages and disadvantages of the two systems were analyzed. From the comparison, seawater electrolysis system had the benefits of lower running costs and could be used immediately after production; on the other hand, sodium hypochlorite solution direct dosing system had the advantages of lower front-end costs, more simple device, and less footprint.
Key Words: LNG terminal    marine microbe    NaClO    dosage    electrolysis seawater    

开架式气化器(ORV)作为LNG接收站最重要的气化装置, 采用海水与LNG换热来气化LNG。海水由ORV换热管束面板顶部紧贴管束外壁往下流，将管束内部由下往上的LNG气化为天然气，而海水则从接收站海水取水口进入海水泵泵井；之后由海水泵加压经海水管线送入ORV, 气化LNG；换热后的海水经接收站海水排放渠排至大海(见图 1)。在整个海水流动过程中，都存在海洋微生物滋生、附着于设备及海水管线的风险。当海藻在海水泵吸入口滋生并附着，就会影响海水吸入量，而贝类被海水泵吸入时则可能损坏其叶片，导致海水泵的损坏；而海水管道内的微生物则可能影响海水流动的畅通，严重时可能会损伤海水管道。ORV海水槽若滋生并吸附了微生物，则会直接导致换热面板海水分布不均匀，损坏ORV；而换热管束面板吸附的微生物则会降低ORV的换热效率[1-3]。因此，为了防止微生物滋生，LNG接收站通常会在海水取水口投加NaClO。NaClO投加量的确定及产生装置的选择是接收站需要考虑的重点问题。

图 1     海水流动工艺简图 Figure 1     Diagram of seawater process

1 NaClO投加量确定
1.1 影响投加量的因素

LNG接收站NaClO投加量主要受海洋生物种类、数量、海水流量、海水管线长短及海水温度变化的影响[4]。

(1) 海洋生物种类、数量的影响。海域不同，海洋生物的种类及数量也有较大差异。海水质量较好的地区，微生物的种类相对较少，且数量也较少，对NaClO的消耗量也较少。反之，海水质量较差的地区，对NaClO的消耗量则明显较大。所以，不同LNG接收站，其他因素相同的情况下，NaClO的投加量也存在差异。

(2) 海水流量的影响。抑制海水微生物滋生的效果主要取决于海水中NaClO的浓度，而浓度的大小直接受到海水流量的影响。当海水流量较大，需要的投加量也自然较大，反之，则较小。而海水流量则主要取决于海水泵额定流量及海水泵的运行台数。

(3) 海水管线长短的影响。海水在管线内流动时，NaClO也会随之流动而自然分解。若海水管线较长，则流至ORV处的时间也较长，使得ORV处NaClO浓度较低，取水口处投加量也自然较大；反之，若海水管线较短，则ORV处的NaClO浓度较高，投加量也相对较少。

(4) 海水温度变化的影响。当海水温度较高时，海洋中的微生物数量也较高；温度较低时，微生物数量则较低。因此，当海水温度较高时，NaClO的投加量会比海水温度较低时多。

1.2 投加量评价标准

NaClO投加量过低，会导致设备及管道微生物的滋生、附着，影响设备的正常运行，严重时更可能损坏设备或管道；而投加量过大，不仅增加能耗成本，也会污染环境，还可能降低设备及管道的使用寿命。所以，投加适当量的NaClO非常重要。而评价LNG接收站NaClO投加量的合理性，主要看其是否满足如下标准：

(1) 该投加量能够有效抑制海洋生物的滋生与附着。评价标准：检查ORV海水槽及换热管束面板无海洋生物。同时，每年海水管道检修，检查管道内无海洋生物附着。

(2) 投加量属于设备运行要求的范围。评价标准：观察设备及管道内无明显NaClO氧化迹象。同时，定期对设备及管道内海水进行化验分析，检测其余氯浓度正常。

(3) 排海口处海水余氯浓度在环保要求范围内。评价标准：余氯质量浓度不得超过0.2 mg/L。

1.3 投加量确定

在整个海水取水、换热和管输过程中，LNG接收站通常设置4个余氯浓度监测点(见图 2)。分别为：产生装置出口AI1、投加点出口AI2、ORV出口AI3和排海口AI4。AI1主要用于检测NaClO产生装置是否达到设计要求；AI2则用于检测投加后海水泵出口管线处余氯；AI3主要用于确定ORV无海洋微生物滋生、附着时的余氯浓度；AI4则是用于保证排海口处海水余氯达到环保要求。实际操作中，AI1、AI3处的余氯浓度通过手动取样、化验分析获得[5]；AI2、AI4则通过在线余氯检测表实时监测。投加量的计算如下：

图 2     余氯浓度监测点 Figure 2     Monitoring points of residual chlorine concentration

(1) 根据1.2所述，在满足ORV海水槽及换热管束面板无海洋生物，同时排海口余氯质量浓度小于0.2 mg/L的条件下，由设备自身特性计算出AI1处的余氯浓度。

(2) 根据设备每小时产生的NaClO溶液量确定NaClO投加量。

下面以大连LNG接收站为例，说明电解海水NaClO装置投加量的具体确定方法。

1.3.1 由电流求解余氯浓度

电解海水制NaClO装置的关键设备为NaClO发生器，而NaClO发生器的主要设备为电解槽。电解槽的阳极为钛涂层，阴极为钛板，在两极间通上直流电解电流(以下简称电流)。此时，电解槽中的海水即在其内发生电化学反应(见表 1)。通过改变电流的大小可控制电化学反应的速度，即通过控制电流调节NaClO产生量(实际运行中则表现为海水NaClO溶液中余氯浓度的变化)。表 2所列为大连LNG接收站电解海水制NaClO装置设备验收时，两台NaClO发生器(G-2301A、G-2301B)在不同电流下运行，实测的NaClO溶液余氯浓度与电流的对应情况。

表 1    电解海水制NaClO电化学反应 Table 1    Electrochemical reaction of sodium hypochlorite production by seawater electrolysis system

表 2    电流与余氯浓度对应表 Table 2    Corresponding table of electric current and residual chlorine concentration

根据表 2数据和该设备厂商给出的“电流与余氯浓度呈线性关系的结论”，通过MATLAB作出其散点图(见图 3)，并通过线性拟合得出电流与余氯浓度的关系式，见式1。

图 3     电流与余氯浓度关系曲线 Figure 3     Relationship between electric current and residual chlorine concentration

$ \left\{ \begin{array}{l} {n_1} = 1.635\;2 \times I-44\\ {n_2} = 1.697\;5 \times I-27.6 \end{array} \right. $ (1)

式中，n1为G-2301A产生NaClO的余氯质量浓度，mg/L；n2为G-2301B产生NaClO的余氯质量浓度，mg/L；I为发生器电流，A。

1.3.2 确定NaClO投加量

根据1.2所述，NaClO投加量会受到海水流量的限制。因此，下面以一台海水泵运行(海水泵额定流量为9 000 m3/h)为例计算NaClO投加量。

大连LNG接收站单台NaClO发生器运行时，装置每小时产生的NaClO溶液量为16 m3/h。据1.3.1节得到的余氯浓度，再由式(2)计算出NaClO投加量。

$ \left\{ \begin{array}{l} {m_1} = \frac{{{v_1} \times {n_1}}}{{{{10}^3}}}\\ {m_2} = \frac{{{v_2} \times {n_2}}}{{{{10}^3}}} \end{array} \right. $ (2)

式中，m1为G-2301A运行时NaClO投加量，kg；m2为G-2301B运行时NaClO投加量，kg；v1为G-2301A运行时NaClO溶液量，16 m3/h；v2为G-2301B运行时NaClO溶液量，16 m3/h。

由于海水中余氯浓度的需求受到季节变化(海水温度)的影响，所以导致不同季节AI3处的目标值也不一样(即投加量不同)。因此，根据以上方法，大连LNG接收站确定了不同季节(海水阶段温度)所对应的NaClO投加量。表 3给出了2014年5月1日和8月1日的实际运行数据及情况。

表 3    大连LNG接收站NaClO投加量分析具体数据 Table 3    Analysis data of sodium hypochlorite dosage system in Dalian LNG Terminal

2 NaClO产生装置分析

LNG接收站NaClO产生装置主要包括电解海水制NaClO装置(国内普遍使用)和NaClO溶液直接投加装置(国外有使用)，两装置各有其优缺点。不同的LNG接收站怎样根据自身的情况，选择适合的装置是其建设期面临的重要问题。下面对两种装置进行介绍、分析及对比，以便为接收站的选择提供参考和依据。

2.1 电解海水制NaClO装置

电解海水制NaClO装置的工艺流程图如图 4所示。从海水管道引入海水至装置，经海水增压泵加压后通过过滤器送入NaClO发生器电解出NaClO溶液。NaClO溶液进入储罐储存，经投加泵(冲击投加泵)送至海水投加点(图 1取水口处)。在整个过程中，海水增压泵将通过FT1流量计变频控制其出口流量。当一台NaClO发生器运行时，控制其出口流量为17 m3/h, 而两台NaClO发生器一起运行则控制出口流量为34 m3/h。投加泵以FT2为目标流量，通过变频来保证其出口流量稳定。若一台NaClO发生器运行，则其出口流量为16 m3/h，两台则为32 m3/h；冲击投加泵则根据储罐液位来启停。同时，在电解海水制NaClO的过程中会产生氢气。因此，风机抽入的空气将有效控制其浓度在爆炸极限(4%~75.6%，体积分数)之下[6]，保证设备的安全正常运行。

图 4     电解海水制NaClO装置监控画面 Figure 4     Monitor screen of the sodium hypochlorite generation unit by seawater electrolysis process

电解海水制NaClO装置的运行成本主要为耗电所产生的费用，而电耗又包括变动部分与固定部分。变动部分是指由于NaClO需求量不同，而使得加载于NaClO发生器上的电流也不同(正常运行时，其两端电压为110 V)，最后导致其耗电量也不一样。以表 3中5月1日的数据为例，可推算出运行多台泵时的功率(见表 4)；而固定部分则是装置运转时其功率几乎保持不变的耗电设备(主要为机泵、机柜、照明等)，表 5列出了对应设备的额定功率。以当前工业用电价格0.7元/kW·h来计，得出不同台数海水泵运行电解海水制NaClO装置的运行成本(见表 6)。

表 4    不同台数海水泵运行时NaClO发生器功率 Table 4    Power of different numbers of seawater pumps for sodium hypochlorite generator

表 5    设备额定功率 Table 5    Rated power of the equipments

表 6    不同台数海水泵运行电解海水制NaClO装置运行成本 Table 6    Operating costs of sodium hypochlorite generating units via seawater electrolysis process with different number of seawater pump

2.2 NaClO溶液直接投加装置

若购买NaClO溶液进行投加，则在LNG接收站设立直接投加装置即可。直接投加装置的工艺流程如图 5所示。装置中设置了一台NaClO储液罐，用于储存直接购买的10%~12%的NaClO溶液，购买的溶液通过加注口直接注入储液罐内。储液罐设置了溢流口、排净口和液位计，用于保证系统安全运行。正常投加时，通过开启阀门MV03，分别调节MV04、MV05、MV06、MV07阀门开度，将10%~12%的NaClO溶液投加至取水口处。

图 5     NaClO直接投加装置 Figure 5     Direct sodium hypochlorite dosing unit

当前, 10%~12%的NaClO溶液价格为750~1 000元/t，以11%溶液的平均价格875元/t计算，NaClO价格为7.95元/kg。由此得出不同台数海水泵运行所对应的成本(见表 7)。

表 7    不同台数海水泵运行成本 Table 7    Operating costs of different numbers of seawater pumps

2.3 对比分析

(1) 从上述分析可以看出，电解海水制NaClO装置明显比NaClO溶液直接投加装置复杂得多。因此，其维护费用和故障风险也比较大。

(2) 根据电解海水制NaClO装置设备厂商的要求，当海水温度低于2.5 ℃，电解电流不得超过200 A，超过此电流值会导致电解槽阳极钛涂层的损坏。但从大连LNG接收站的运行经验来看，当海水温度低于2.5 ℃时，若两台NaClO发生器同时运行，能满足4台海水泵运行的NaClO需求；但如果接收站按计划增加海水泵台数至7台，则需至少再增加一台NaClO发生器才能满足。而若采用NaClO溶液直接投加装置则不会面临此问题。

(3) 由于NaClO稳定性较差，所以让NaClO无分解保存是采用NaClO溶液直接投加装置所面临的重要问题[7-8]，而电解海水制NaClO装置则无此问题。

(4) 根据2.1节和3.1节的运行成本估算，采用电解海水制NaClO装置的运行成本比较低，若运行1台海水泵则每年可节约15万元左右，运行4台海水泵每年则可节约85万元左右。同时，随着海水泵台数的增加，节约的费用也会增加。

(5) 电解海水制NaClO装置的运行成本较低，但其前期投资却远远大于NaClO溶液直接投加装置(见表 8)，同时建造面积也远远大于NaClO溶液直接投加装置。

表 8    两装置前期投资对比 Table 8    Comparison of front-end investments between two types of sodium hypochlorite generating sytems

表 9列出了NaClO两种产生装置的对比情况。

表 9    NaClO产生装置对比 Table 9    Comparison of two types of sodium hypochlorite generation units

3 结论

(1) LNG接收站在确定NaClO投加量时，关键是找到不同海水温度ORV海水槽及换热管束面板无微生物滋生及附着时的最小余氯浓度，并保证排海口的余氯浓度小于环保要求。

(2) 电解海水制NaClO装置具有运行费用低和NaClO即刻生产即刻使用的优点，但同时存在装置复杂、低温海水时可能损害发生器电解阳极涂层的风险和前期投资成本高、占地面积大的缺陷。

(3) NaClO溶液直接投加装置具有装置简单、NaClO投加量不受环境影响和前期投资少、占地面积小的优点，但存在NaClO溶液保存条件苛刻和运行费用高的缺点。

(4) 对于外输量大(即海水流量大)、同时有足够建造面积的LNG接收站，可选择电解海水制NaClO装置；反之，外输量小、建造面积较小的LNG接收站则可采用NaClO溶液直接投加装置。

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