空溫式氣化器氣化能力分析王朝暉深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司廣東深圳518000摘要:在西氣東輸?shù)膰咧敢?我國的天然氣事業(yè)得到了飛速的發(fā)展。空溫式氣化器是燃?xì)庠O(shè)備中重要的組成部分。本文通過研究空溫式氣化器的工作過程,分析了其氣化能力。并且進(jìn)行了數(shù)值分析,旨在加深人們對空溫式氣化器的了解。關(guān)鍵詞:空溫式氣化器;氣化能力;方式中圖分類號:P632文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:引言目前,天然氣因其安全、熱值高、潔凈等優(yōu)點被廣泛使用。在使用的過程中,液化天然氣要經(jīng)過氣化、回復(fù)至常溫兩步處理,才能投入使用。在系統(tǒng)中,空溫式氣化器是重要的核心部分,在燃?xì)庠O(shè)備中起了非常重要的作用2.空溫式氣化器的優(yōu)缺點和氣化過程2.1空溫式氣化器的優(yōu)缺點空溫式氣化器具有依靠自身顯熱和吸收外界大氣環(huán)境熱量而實現(xiàn)氣化功能,不消耗水、電等,運行成木較低的優(yōu)點。其缺點是:氣化器體積大,氣化量受氣溫的影響較大。在氣溫較低時(在北方)氣化量可能達(dá)不到額定值據(jù)統(tǒng)計,空溫式氣化器在0℃的氣化能力僅能達(dá)到其額定流量的65%.。為了解決這個問題,可以在溫度低的時候啟用備用設(shè)備。從經(jīng)濟(jì)上考慮,仍要比使用電熱式氣化器更合適。2.2空溫式氣化器氣化過程空溫式氣化器包含蒸發(fā)部與加熱部,蒸發(fā)部由端板管連接并排的導(dǎo)熱管構(gòu)成,加熱部由用彎管接頭串聯(lián)成一體的導(dǎo)熱管組成。導(dǎo)熱管是將散熱片和管材擠壓成型,其橫截面一般為星形翅片,翅片材質(zhì)采用鋁合金。LNG空溫式氣化器的安裝形式為立式、露天。氣化器中LNG的氣化過程是一個以沸騰換熱為主的傳熱傳質(zhì)過程。LNG在翅片管內(nèi)流動吸熱氣化,管外傳熱為自然對流換熱,熱量由空氣通過翅片及管壁傳給LNG。當(dāng)LNG溫度達(dá)到泡點時,液體開始沸騰氣化,氣相與液相處于平衡;隨后氣相中各組分所占比例隨時間不斷變化,并趨近于原料液化天然氣中各組分所占比例,最終氣體中各組分的比例與原料液體中各組分所占比例相同,此時的溫度稱為露點。泡點是液相段和氣液平衡段的分界點,露點是氣液平衡段和相段的分界點,二者是氣化器傳熱模擬中的關(guān)鍵參數(shù)。由于LNG在氣化器內(nèi)的氣化過程較復(fù)雜,為了更好地分析氣化器的傳熱性能,本文僅研究干空氣條件下的氣化器傳熱情況,且對氣化器的傳熱進(jìn)行如下簡化①剛進(jìn)入氣化器的低溫LNG與氣化器中原有LNG的混合是在一瞬間完成的,即氣化器中LNG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、氣液平衡段和氣相段,各段天然氣的熱物性參數(shù)采用相應(yīng)公式計算。③在氣液平衡段,氣化器中液化天然氣液體與氣體任意時刻均處于氣液平衡狀態(tài)。④管流采用一維近似,不考慮壓縮性和熱膨脹性⑤氣化器管壁僅考慮徑向?qū)?.空溫式氣化器工作過程的氣化能力分析氣化器的氣化模型和熱負(fù)荷計算在專業(yè)書籍和設(shè)計手冊中中國煤化工CNMHG化器的研究取得了一些成果。加熱部、蒸發(fā)部共同構(gòu)成了空溫式氣化器。其中的蒸發(fā)部是由端板管連接并排的導(dǎo)熱管組成的。彎管接頭串聯(lián)則構(gòu)成了加熱部。氣化過程是一個以沸騰換熱為主的傳熱傳質(zhì)過程。液化天然氣在翅片管內(nèi)不斷的吸收熱量,氣化,以自然對流的方式與管外傳熱。熱量以空氣和翅片管壁為媒介傳給液化天然氣。當(dāng)液化天然氣的溫度達(dá)到泡點時,液體開始沸騰氣化。然后氣相中各部分所占比例不斷變化,并逐漸趨于原始比例。達(dá)到最終狀態(tài)時,氣體中各成分的比例與原料中各個成分比例相同,該時刻下的溫度被稱為霸點?；旌衔镞M(jìn)入空溫式氣化器之后,沸點低,蒸汽壓高的組分會首先氣化,此時液體組分會發(fā)生變化。液體在氣化過程中,會因為和傳熱面接觸而氣化,液體被氣泡破裂會飛裂成飛沫而被氣化,以上原因致使各種組分的液體都得到了氣化,所以最后導(dǎo)出的氣體組分和原始的液體組分是相同的實際設(shè)備和設(shè)計中,重要的是確定設(shè)備的氣化能力。氣化能力的計算必定涉及到傳熱過程的總傳熱系數(shù)。傳熱過程包括熱煤〔熱水或蒸汽)與換熱管內(nèi)壁面的對流換熱、金屬管壁的導(dǎo)熱和液化天然氣與換熱外壁面的對流換熱(有相變)三部分。前兩個部分可以通過計算較準(zhǔn)確的得岀,而第三項由于液化天然氣是混合物,混合物的換熱沸騰非常復(fù)雜,因此其熱系數(shù)的計算公式中含有與特定二元物質(zhì)組合有關(guān)的實驗系數(shù)。因此,通過實驗測得總的傳熱系數(shù),來表示其設(shè)備的氣化能力是合理的由上述可知,整個氣化過程非常復(fù)雜,為了方便研究,我們做了以下簡化:(1)剛剛進(jìn)入氣化器的低溫液態(tài)天然氣與原有的液態(tài)天然氣的混合在瞬間完成,即忽略了兩者進(jìn)行熱傳遞的時間,認(rèn)為氣化器中液化天然氣的溫度及各個成分的比例是均勻的。(2)把一個復(fù)雜的過程根據(jù)狀態(tài)的不同分為三段:液相段、氣液平衡段和氣相段(3)對管流進(jìn)行一維近似,不考慮管流的壓縮性和熱膨脹。(4)僅僅考慮氣化管壁的徑向?qū)嵯旅嫖覀兙瓦M(jìn)行具體的分析。3.1傳熱模擬計算沿翅片管長度方向,每隔lcm取1個微元,建立傳熱模型。我們需要確定的數(shù)據(jù)有天然氣的組成、流量和環(huán)境溫度。天然氣的組成見表1。表1天然氣的組成氣相體積分?jǐn)?shù)(%)氣態(tài)密度液態(tài)密度氣態(tài)低熱值甲烷「乙烷「丙烷(Mj/m)(kg/m)(Mi/m)7.7615544700.824634039476液體天然氣空溫式氣化器在進(jìn)口的設(shè)計溫度為-196℃,運行溫度為-145~-162℃;在出口的設(shè)計溫度為-20-100℃C。工作壓力為10Mpa311單向流體對流換熱段的計算a.空氣與管壁間的對流換熱量關(guān)于自然對流換熱的計算,有研究者在整理大量資料的基礎(chǔ)上推薦使用公式:0.387RN={0.825+1+(0.492/Pr161-8/27YHa中國煤化工CNMHG式中:Mu—努塞爾數(shù)普利數(shù)Pr—普朗特數(shù)在用上述公式計算壁面平均的Mu時,壁面長度一半處的溫度與流體的溫度之差作為計算用的溫差。同時,以此處的邊界層平均溫度為定性溫度則定性溫度可以表示成式中:Tm—定性溫度(K)T0—微元段翅片管外壁的平均溫度(K)7—微元段天然氣初始的溫度(K)通過査數(shù)據(jù)包可得到空氣在溫度為Ra時的具體數(shù)據(jù),進(jìn)而可以求得Ra。具體見下式。Ra=8((3)式中:g——當(dāng)?shù)刂亓铀俣?m/s2)p—體積膨脹系數(shù)(1K)T——周圍環(huán)境的溫度(K)1—定性尺寸(m)空氣運動粘度(m2/s空氣與翅片管的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)a可由式中:a—空氣與翅片管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(W/(m2k)—空氣的熱導(dǎo)率(W/(mk)空氣與管壁間的對流換熱量可由下式求出式中:Φ—總的換熱量(W)A1—所選微元段的表面積(m2)b.氣化器翅片管管壁導(dǎo)熱量管壁的導(dǎo)熱量方程為中國煤化工CNMHG(na0-7n)12,(6)式中:n—鋁合金的導(dǎo)熱率(W/(mk))δ—壁厚(m)T;—內(nèi)壁的平均溫度(K)A,微元段管壁導(dǎo)熱面積(m2)c.天然氣與管壁間對流換熱量天然氣與管壁表面的傳熱系數(shù)為式中:a,—天然氣與管壁的傳熱系數(shù)(W/(m2k)λn-天然氣的導(dǎo)熱率(W/(mk)天然氣與管壁間的對流熱量為:①=a,(n-T)A2(8)式中:A4—管壁的內(nèi)表面積(m2)d.總傳熱系數(shù)KKR式中:K—總的傳熱系數(shù)(W/(m2k))R—污垢產(chǎn)生的熱電阻(g)B—肋化系數(shù)7肋化效率312氣液兩相段對流換熱計算在該過程中,流型為環(huán)形流動,熱量靠傳導(dǎo)和對流通過液膜傳遞,蒸汽在交界面上不斷的生成經(jīng)上述模型可以解得,當(dāng)氣化器出口溫度為-5℃時,液相段的長度是46.9m,氣相平衡段的長度是105.0m,氣相段的長度是225.5m,總的長度是377.4m按照《液化天然氣的一般特性》GB19204-2003,在0°,1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,1個單位的液化天然氣可以汽化成568-590個單位的氣態(tài)天然氣。經(jīng)過空溫式氣化的處船夾說,1m液化天然氣(LNG)可氣化600m3氣中國煤化工CNMHG結(jié)語本文通過建立模型,對空溫式氣化器的氣化能力進(jìn)行了分析,并用具體的模型、公式和藪值進(jìn)行了說明?？梢娍諟厥綒饣鞯膬?yōu)勢,并且為空溫式氣化器的選型提供了依據(jù)參考文獻(xiàn)[1]高華偉,段常貴,謝東來JNG空溫式氣化器氣化過程的數(shù)值分析叭煤氣與熱力.2008年2月第2期.[2]施林圓,馬劍林.LNG液化流程及管道輸送工藝綜述[冂.天然氣與石油,2010,28(5):3740[3]錢伯章,朱建芳.世界液化天然氣的現(xiàn)狀及展望[J].天然氣與石油,208,26(434-38[4]馬大猷,李沛滋,戴根華,等.高壓阻塞噴注的湍流噪聲[J,聲學(xué)學(xué)報,1979,(3):176-181[5]彥丹平,高順利,朱凌,等.天然氣調(diào)壓站的噪聲控制實踐[J]煤氣與熱力,200828(12):5-8.[6]聶廷晢,段常貴.高壓天然氣絕熱節(jié)流系數(shù)的確定[J],煤氣與熱力,2004,24(2):61-64中國煤化工CNMHG