.第28卷第2期煤氣與熱力Vol. 28 No. 22008年2月GAS & HEATFeb.2008液化天然氣LNG空溫式氣化器氣化過程的數(shù)值分析高華偉'，段常貴'，解東來”，王垣'(1.中燃哈工大燃氣技術(shù)研究院，廣東深圳518033; 2.華南理工大學(xué)，廣東廣州510641)摘要:根據(jù)傳熱機理的不同,將低溫LNG在空溫式氣化器內(nèi)的流動過程分為3段,建立了各段內(nèi)天然氣傳熱的模型,進行了數(shù)值計算。建立的模型可為LNG氣化站氣化器選型及運行管理提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞:空溫式氣化器; 傳熱模型; 數(shù)值計算; LNG 氣化中圖分類號: TU996文獻標(biāo)識碼: A文章編號: 1000 - 4416(2008 )02 -0B19 -04Numerical Analysis of Vaporization Process in LNGAir-heated VaporizerGAO Hua-wei,DUAN Chang-gui,XIE Dong-lai ,WANG XuanAbstract:According to different heat transfer mechanisms, the flow process of low temperatureLNG in air-heated vaporizer is divided into three sections. 'The models for natural gas heat transfer of eachsection are established, and the numerical calculation is performed. The established model can providetheoretical basis for lectotype，operation and management of vaporizers in LNG vaporization station.Key words : air-heated vaporizer; heat transfer model; numerical calculation; LNG vaporiza-tion1概述2空溫式氣化器 氣化過程的分析我國已建成的LNG氣化站規(guī)模不一，供應(yīng)用戶空溫式氣化器包含蒸發(fā)部與加熱部，蒸發(fā)部由有居民用戶,也有工業(yè)用戶和商業(yè)用戶。在實際應(yīng)端板管連接并排的導(dǎo)熱管構(gòu)成,加熱部由用彎管接用中,液化天然氣總是要氣化并恢復(fù)到常溫以后才頭串聯(lián)成一體的導(dǎo)熱管組成。導(dǎo)熱管是將散熱片和使用,空溫式氣化器是整個供應(yīng)系統(tǒng)的核心設(shè)備。管材擠壓成型,其橫截面一-般為星形翅片,翅片材質(zhì)空溫式氣化器的優(yōu)點是直接吸收大氣中熱量,采用鋁合金。LNG空溫式氣化器的安裝形式為立不消耗水、電等,運行成本低;缺點是氣化器體積大,式、露天。在冬季氣化器出口天然氣溫度較低。目前,對于氣化器中LNG的氣化過程是- -個以沸騰換熱LNG空溫式氣化器的研究還比較少,一般是依據(jù)現(xiàn)為主的傳熱傳質(zhì)過程。LNG在翅片管內(nèi)流動吸熱有的相關(guān)經(jīng)驗來進行設(shè)計制造,實際使用偏差較大。氣化， 管外傳熱為自然對流換熱,熱量由空氣通過翅研究空溫式氣化器的傳熱是-項十分重要的技術(shù)基片及管壁傳給LNG。當(dāng)LNG溫度達到泡點時，液體礎(chǔ)性工作,可為合理選擇空溫式氣化器及其經(jīng)濟評開始沸騰氣化,氣相與液相處于平衡;隨后氣相中各價提供理論依據(jù),也可作為工程設(shè)計的參考,具有現(xiàn)組分所占比例隨時間不斷變化，并趨近于原料液化實意義。天然氣中各組分所占比例，最終氣體中各組分的比●B19.第28卷第2期煤氣與熱力www. watergasheat. com例與原料液體中各組分所占比例相同，此時的溫度相段的對流換熱計算。LNG 的物性參數(shù)(黏度、熱稱為露點。泡點是液相段和氣液平衡段的分界點，導(dǎo)率密度等)的計算,可采用《氣液熱物性估算手露點是氣液平衡段和氣相段的分界點,二者是氣化冊》中推薦的公式"。器傳熱模擬中的關(guān)鍵參數(shù)。①空氣與管壁間的對流換熱量由于LNG在氣化器內(nèi)的氣化過程較復(fù)雜,為了關(guān)于自然對流換熱的計算,有研究者在整理大更好地分析氣化器的傳熱性能,本文僅研究干空氣量文獻數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上推薦了豎壁的自然對流準(zhǔn)則關(guān)條件下的氣化器傳熱情況，且對氣化器的傳熱進行聯(lián)式2]:如下簡化:0.387Ra'6①剛進入氣化器的低溫LNG與氣化器中原Nu=f0.825 +-[1 +(O.42//>/01有LNG的混合是在一瞬間完成的,即氣化器中LNG(1)的溫度與各組分的比例在液體內(nèi)部處處均勻。②沿管程分為3段:液相段、氣液平衡段和氣式中Nu-- 努塞爾數(shù)相段,各段天然氣的熱物性參數(shù)采用相應(yīng)公式計算。瑞利數(shù)③在氣液平衡段， 氣化器中液化天然氣液體Pr--普朗特數(shù)與氣體任意時刻均處于氣液平衡狀態(tài)。把式(1)用于定熱流邊界條件下求取壁面的平④管流采用一維近似,不考 慮壓縮性和熱膨均Nu時,應(yīng)取壁面長度--半處的壁面溫度與流體脹性。溫度之差作為計算溫差,以此處的邊界層平均溫度⑤氣化器管壁 僅考慮徑向?qū)帷槎ㄐ詼囟?。則定性溫度可表示為:3傳熱模擬計算Two+TTm=- 2(2)經(jīng)研究LNG在氣化器中的流動過程及傳熱特點,為便于分析,可把氣化器傳熱看作一根翅 片管傳式中.-定性溫度,K熱,低溫LNG從翅片管底部進入,上部出去,這對傳T.一微元段翅片管外壁 平均溫度,K熱模擬結(jié)果影響很小。T一微元段天然氣起始溫度,K3.1邊界條件查空氣熱物性數(shù)據(jù)包，可得空氣在溫度為T。從翅片管人口處開始算起，沿著翅片管長度方時的熱物性數(shù)據(jù),從而可求得Ra,見下式:向,每隔1 cm取1個微元,建立氣化器氣化過程的Ra_Bgo(T。-T.)B(3)傳熱模型。所需要確定的邊界條件有:天然氣組成、D氣化器工作壓力、天然氣流量及環(huán)境溫度等。天然式中g(shù)- -重力加速度,m/s2氣組成及參數(shù)見表1,空溫式氣化器的主要技術(shù)參體積膨脹系數(shù),K -數(shù)見表2。T。一環(huán)境溫度,K表1天然氣組成及參數(shù)定型尺寸,m氣相體積分?jǐn)?shù)/%氣態(tài)密度液態(tài)密度 氣態(tài)低熱值,一-空氣運動黏度 , m?/s|甲烷乙烷丙烷|(MJ.m°)(kg.m°3)(MJ.m-2)空氣與翅片管的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)a可由式(4)確77.7617.544. 700.82463.4039. 476定:表2 LNG 空溫式氣化器主要技術(shù)參數(shù)進口設(shè)計溫度/C- 196.Nu(4)運行溫度/-145~ - 162式中a-微元段空氣與翅片管的表面?zhèn)鳠嵯党隹?20~ 100數(shù),W/(m2●K)運行溫度/C≥環(huán)境溫度的數(shù)值-5最高工作壓力/MPa1.0λ。一空氣熱導(dǎo)率,W/(m. K)氣化量/(m’●h1)1 250空氣與管壁間的對流換熱量可由下式求出:3.2單相流體對流換熱段計算φ=a(T。- T.0)A(5)單相流體對流換熱段的計算適用于液相段及氣式中 φ換熱量,Wwww. watergasheat. com高華偉,等:LNG空溫式氣化器氣化過程的數(shù)值分析第28卷第2期A-微元段翅片管外表面積,m2線性增加,二者之間的差值慢慢減小，只是減小趨勢②氣化器翅片管管璧導(dǎo)熱量不很明顯。圖2為氣相段天然氣溫度和翅片管外壁管壁的導(dǎo)熱量方程式是:溫度隨翅片管長度的變化曲線。翅片管外壁溫度與(6氣體溫度隨著翅 片管長度的變化趨勢基本一一致。φ=-(T.o-T.,)A2155式中λ。-鋁合金的熱導(dǎo)率，W/(m. K)1501458-翅片管壁厚,m140- 微元段翅片管內(nèi)壁平均溫度,K著135微元段管壁導(dǎo)熱面積,m2d 130. 翅片管外壁溫度125③天然氣與管壁間對流換熱量---.天然氣溫度120天然氣與翅片管管壁間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)ar可115由下式求出:110103050翅片管長度/ma=一A. Nu(7)圖1液相段天然氣溫度和翅片管外壁溫度隨翅片管式中a--天然氣與翅片管管壁的表面?zhèn)鳠嵯甸L度變化曲線數(shù),W/(m2. K)270 tλ.一天然氣的熱導(dǎo)率，W/(m. K)260天然氣與翅片管管壁間的對流換熱量為:250一翅片管外壁溫度----天然氣溫度φ=a(Tw- T)As(8)式中A3一 微元翅片管內(nèi)表面積,m2唱230④傳熱系數(shù)220LNG空溫式氣化器的傳熱包括管內(nèi)LNG的對210流換熱、管壁的導(dǎo)熱、管外空氣的無限空間對流換熱200200 250及污垢的傳熱,總傳熱系數(shù)計算式為:圖2氣相段天然氣溫 度和翅片管外壁溫度隨翅片管(9)ar λa aβη195p式中K-總傳熱系數(shù),W/(m2 ●K)R一-污垢熱阻 ,取0.002 m? . K/w(2l; 190β肋化系數(shù)嘉185-η- -肋化效率3.3氣液兩 相段對流換熱計算180-在兩相強制對流傳熱區(qū)域中,流型主要為環(huán)狀流動,熱量靠傳導(dǎo)和對流通過液膜傳遞,而蒸氣則在17520氣核和液膜的交界面上不斷生成。在此區(qū)中傳熱系翅片管長度/m .數(shù)很高,可高達200kW/(m2●K)”。對于低溫流圖3液相段傳熱系數(shù)隨翅片 管長度變化曲線體而言,管內(nèi)沸騰的局部傳熱系數(shù)比較精確的計算圖3為液相段氣化器傳熱系數(shù)隨翅片管長度的式是由Klinenko 所歸納的關(guān)系式41。變化曲線。在液相段,傳熱系數(shù)成線性單調(diào)降低,傳4模型計算結(jié)果與分析熱系數(shù)為175~190 W/(m2●K)。圖4為氣相段氣模型計算結(jié)果見圖1 ~6。圖1為液相段天然化器傳熱系數(shù)隨翅片管長度的變化曲線。在氣相氣溫度和翅片管外壁溫度隨翅片管長度變化曲線。段,傳熱系數(shù)按- -定 規(guī)律單調(diào)降低,此時氣相段的傳翅片管外壁溫度和天然氣溫度隨翅片管長度幾乎成熱系數(shù)為70~145 W/(m2●K)。第28卷第2期煤氣與熱力www. watergasheat. com50p圖5為液相段氣化器單位長度傳熱量隨翅片管t 140長度的變化曲線。氣化器單位長度傳熱量線性降e 130低，傳熱量為1 300~2 000 W/m。圖6為氣相段氣巨120化器單位長度傳熱量隨翅片管長度的變化曲線。傳盛110熱量沒有液相段下降的速度快，但仍是單調(diào)降低,傳1000t熱量為0~ 600 W/m。0經(jīng)模型求解,當(dāng)氣化器出口溫度為-5 C時,液相段長度為46.9 m,氣液平衡段長度為105.0 m,氣5150200250翅片管長度/m相段長度為225.5 m,總長度約377.4 m。圖4氣相段傳 熱系數(shù)隨翅片管長度變化曲線5結(jié)論建立模型模擬氣化器換熱，模擬結(jié)果直觀地顯廣2000示了氣化器內(nèi)部天然氣溫度場和外壁面溫度場的分品1800布、氣化器傳熱系數(shù)的大小及液相段.氣液平衡段、氣相段在翅片管中的分布。同時,模型可為LNG氣業(yè)1600化站氣化器選型及運行管理提供理論依據(jù)。1 500參考文獻:[1] 趙紅玲.氣液熱物性估算手冊[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)0￥203010、50出版社,2005.圖5液相段氣化器 單位長度傳熱量隨翅片管[2] 章熙民，任澤霈,梅飛鳴.傳熱學(xué)(第3版)[M].北長度變化曲線京:中國建筑工業(yè)出版社,1993.[3] 楊強生.對流傳熱與傳質(zhì)[M].北京:高等教育出版社,1985.它500陳國邦，張鵬.低溫絕熱與傳熱技術(shù)[M].北京:科學(xué)美40業(yè)出版社,2004.300作者簡介:高華偉(1983- )， 男，河南西華人，，100碩士生，主要研究方 向為城市LNG氣化站氣化器傳熱模擬研究。200 250電話:(0755 )82966246圖6 氣相段氣化器單位長度傳熱量隨翅片管E - mai:ghw200406@ 126. com收稿日期:2007 -02-12;修回日期 :2007 -04-20. 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范簡訊●《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布2007年10月23日,建設(shè)部發(fā)布了《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》國家標(biāo)準(zhǔn),編號為GB 50424-2007,自2008年5月1日起實施。該標(biāo)準(zhǔn)由建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額研究所組織中國計劃出版社出版發(fā)行。(本刊通訊員供稿)。B22.