第28卷第2期煤氣與熱力Ⅴol.28No.22008年2月gas heatFeb.20088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2,王烜(1.中燃哈工大燃?xì)饧夹g(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(jī)理的不同,將低溫LNG在空溫式氣化器內(nèi)的流動(dòng)過程分為3段,建立了各段內(nèi)天然氣傳熱的模型,進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。建立的模型可為L(zhǎng)NG氣化站氣化器選型及運(yùn)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(jì)算;LNG氣化中圖分類號(hào):TU996文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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 temperatureING 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 stationKey words: air-heated vaporizer; heat transfer model numerical calculation; LNG vaporiza1概述2空溫式氣化器氣化過程的分析我國(guó)已建成的LNC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(shí)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?dú)饣⒒謴?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(gè)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(diǎn)是直接吸收大氣中熱量,采用鋁合金。ING空溫式氣化器的安裝形式為立不消耗水、電等,運(yùn)行成本低;缺點(diǎn)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(duì)于氣化器中LNG的氣化過程是一個(gè)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。ING在翅片管內(nèi)流動(dòng)吸熱有的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)制造,實(shí)際使用偏差較大。氣化,管外傳熱為自然對(duì)流換熱,熱量由空氣通過翅研究空溫式氣化器的傳熱是一項(xiàng)十分重要的技術(shù)基片及管壁傳給LNC。當(dāng)LNG溫度達(dá)到泡點(diǎn)時(shí),液體礎(chǔ)性工作,可為合理選擇空溫式氣化器及其經(jīng)濟(jì)評(píng)開始中國(guó)煤化工衡;隨后氣相中各價(jià)提供理論依據(jù),也可作為工程設(shè)計(jì)的參考,具有現(xiàn)組分CNMHG趨近于原料液化實(shí)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(shí)的溫度相段的對(duì)流換熱計(jì)算。LNG的物性參數(shù)(黏度、熱稱為露點(diǎn)。泡點(diǎn)是液相段和氣液平衡段的分界點(diǎn),導(dǎo)率、密度等)的計(jì)算,可采用《氣液熱物性估算手露點(diǎn)是氣液平衡段和氣相段的分界點(diǎn),二者是氣化冊(cè)》中推薦的公式1器傳熱模擬中的關(guān)鍵參數(shù)①空氣與管壁間的對(duì)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(duì)流換熱的計(jì)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(xiàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上推薦了豎壁的自然對(duì)流準(zhǔn)則關(guān)條件下的氣化器傳熱情況,且對(duì)氣化器的傳熱進(jìn)行聯(lián)式1如下簡(jiǎn)化0.387Ra°①剛進(jìn)入氣化器的低溫LNG與氣化器中原0.825+有LNG的混合是在一瞬間完成的,即氣化器中LNG+(0.492/Pr)的溫度與各組分的比例在液體內(nèi)部處處均勻。(1)②沿管程分為3段:液相段、氣液平衡段和氣式中M-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(jì)算Ra—瑞利數(shù)③在氣液平衡段,氣化器中液化天然氣液體P普朗特?cái)?shù)與氣體任意時(shí)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Mn時(shí),應(yīng)取壁面長(zhǎng)度一半處的壁面溫度與流體脹性。溫度之差作為計(jì)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)?。為定性溫度。則定性溫度可表示為:3傳熱模擬計(jì)算T經(jīng)研究LNG在氣化器中的流動(dòng)過程及傳熱特點(diǎn),為便于分析,可把氣化器傳熱看作一根翅片管傳式中T—定性溫度,K熱,低溫LNG從翅片管底部進(jìn)入,上部出去,這對(duì)傳T.—微元段翅片管外壁平均溫度,K熱模擬結(jié)果影響很小。T微元段天然氣起始溫度,K3.1邊界條件査空氣熱物性數(shù)據(jù)包,可得空氣在溫度為T從翅片管入口處開始算起,沿著翅片管長(zhǎng)度方時(shí)的熱物性數(shù)據(jù)從而可求得Ra,見下式:向,每隔1cm取1個(gè)微元,建立氣化器氣化過程的has(T。-TPr傳熱模型。所需要確定的邊界條件有:天然氣組成2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φ—體積膨脹系數(shù)K數(shù)見表2。T——環(huán)境溫度,K表1天然氣組成及參數(shù)1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)低熱值空氣運(yùn)動(dòng)黏度,m2/s甲烷乙烷丙烷(M·m3)/(kg·m3)(M·m3空氣與翅片管的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)a可由式(4)確777617544700.824634039476表2LNG空溫式氣化器主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)溫度/℃-196·Nu(4)進(jìn)口行溫度/℃-145--162設(shè)計(jì)溫度/℃式中a微元段空氣與翅片管的表面?zhèn)鳠嵯党隹趇行溫度/℃≥環(huán)境溫度的數(shù)值-5數(shù),W/(m2·K最高工作壓力/MPa1.0氣化量/(m3h1中國(guó)煤化工)可由下式求出3.2單相流體對(duì)流換熱段計(jì)算CNMHG(5)單相流體對(duì)流換熱段的計(jì)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A1-微元段翅片管外表面積線性增加,二者之間的差值慢慢減小,只是減小趨勢(shì)②氣化器翅片管管壁導(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(zhǎng)度的變化曲線。翅片管外壁溫度與中=(7.。-7.,)A2(6)氣體溫度隨著翅片管長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)基本一致。式中A?！X合金的熱導(dǎo)率,W/(m·K)δ——翅片管壁厚,mT—微元段翅片管內(nèi)壁平均溫度,KA2微元段管壁導(dǎo)熱面積,m2翅片管外壁溫度③天然氣與管壁間對(duì)流換熱量天然氣溫度天然氣與翅片管管壁間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)ax1可由下式求出翅片管長(zhǎng)度/mcr=",·NVu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(zhǎng)度變化曲線數(shù),W/(m2·K)A天然氣的熱導(dǎo)率,W/(m·K)天然氣與翅片管管壁間的對(duì)流換熱量為翅片管外壁溫度天然氣溫度中=ar(T.-T)A38)還240式中A3微元翅片管內(nèi)表面積,m2④傳熱系數(shù)LNG空溫式氣化器的傳熱包括管內(nèi)LNG的對(duì)流換熱、管壁的導(dǎo)熱管外空氣的無限空間對(duì)流換熱及污垢的傳熱,總傳熱系數(shù)計(jì)算式為翅片管長(zhǎng)度/m圖2氣相段天然氣溫度和翅片管外壁溫度隨翅片管K=16+1(9長(zhǎng)度變化曲線式中K—總傳熱系數(shù),W/(m2·K)R——污垢熱阻,取0.002m2·K/W2B肋化系數(shù)n肋化效率33氣液兩相段對(duì)流換熱計(jì)算,E.E一在兩相強(qiáng)制對(duì)流傳熱區(qū)域中,流型主要為環(huán)狀流動(dòng),熱量靠傳導(dǎo)和對(duì)流通過液膜傳遞,而蒸氣則在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(zhǎng)度/m數(shù)很高,可高達(dá)200kW/(m2·K)13)。對(duì)于低溫流圖3液相段傳熱系數(shù)隨翅片管長(zhǎng)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(jì)算圖3為液相段氣化器傳熱系數(shù)隨翅片管長(zhǎng)度的式是由 Klinenko所歸納的關(guān)系式。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(jì)算結(jié)果與分析熱系w//w2圖4為氣相段氣模型計(jì)算結(jié)果見圖1~6。圖1為液相段天然化器中國(guó)煤化工化曲線。在氣相氣溫度和翅片管外壁溫度隨翅片管長(zhǎng)度變化曲線。段,YHECNMHG,此時(shí)氣相段的傳翅片管外壁溫度和天然氣溫度隨翅片管長(zhǎng)度幾乎成熱系數(shù)為70-145W/(m2·K)。B21第28卷第2期煤氣與熱力www.watergasheat.com150圖5為液相段氣化器單位長(zhǎng)度傳熱量隨翅片管長(zhǎng)度的變化曲線。氣化器單位長(zhǎng)度傳熱量線性降130低,傳熱量為1300~2000W/m。圖6為氣相段氣化器單位長(zhǎng)度傳熱量隨翅片管長(zhǎng)度的變化曲線。傳熱量沒有液相段下降的速度快,但仍是單調(diào)降低,傳100熱量為0~600W/m。經(jīng)模型求解,當(dāng)氣化器出口溫度為-5℃時(shí),液相段長(zhǎng)度為46.9m,氣液平衡段長(zhǎng)度為105.0m,氣翅片管長(zhǎng)度/m相段長(zhǎng)度為225.5m,總長(zhǎng)度約377.4m。圖4氣相段傳熱系數(shù)隨翅片管長(zhǎng)度變化曲線5結(jié)論≈2000建立模型模擬氣化器換熱,模擬結(jié)果直觀地顯示了氣化器內(nèi)部天然氣溫度場(chǎng)和外壁面溫度場(chǎng)的分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(shí),模型可為ING氣化站氣化器選型及運(yùn)行管理提供理論依據(jù)1400參考文獻(xiàn)1300[1]趙紅玲.氣液熱物性估算手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)翅片管長(zhǎng)度/m圖5液相段氣化器單位長(zhǎng)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(zhǎng)度變化曲線京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1993[3]楊強(qiáng)生.對(duì)流傳熱與傳質(zhì)[M].北京:高等教育出版社,19[4]陳國(guó)邦張鵬.低溫絕熱與傳熱技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,200420作者簡(jiǎn)介:高華偉(1983男,河南西華人碩士生,主要研究方向?yàn)槌鞘蠰NG氣化站化器傳熱模擬研究。翅片管長(zhǎng)度/m電話:(0755)82966246圖6氣相段氣化器單位長(zhǎng)度傳熱量隨翅片管E-mail:ghw200406@126.com長(zhǎng)度變化曲線收稿日期:2007-02-12;修回日期:2007-04-20標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范簡(jiǎn)訊《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布007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(guó)家標(biāo)準(zhǔn),編號(hào)為GB50424-2007,自2008年5月1日起實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)由建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定H中國(guó)煤化工:出版發(fā)行。CNMHG本刊通訊員供稿)