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?？諟厥綒饣魇侨?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:1.引言目前，天然氣因其安全、熱值高、潔凈等優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)和氣化過程2.1 空溫式氣化器的優(yōu)缺點(diǎn)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(yùn)行成本較低的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)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"C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- -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(diǎn)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(diǎn)。泡點(diǎn)是液相段和氣液平衡段的分界點(diǎn)，露點(diǎn)是氣液平衡段和氣相段的分界點(diǎn)，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)帷?.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)計手冊中介紹不多，但對氣化過程、氣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(diǎn)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(diǎn)?；旌衔镞M(jìn)入空溫式氣化器之后，沸點(diǎn)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)確的得出，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)?。下面我們就進(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1cm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/m3 )(kg/ m3 )77.76 15.54 4.700.82463.4039.476液體天然氣空溫式氣化器在進(jìn)口的設(shè)計溫度為-196°C,運(yùn)行溫度為-145~-162C;在出口的設(shè)計溫度為-20~ 100C。工作壓力為1.0Mpa3.1.1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:0.387Ra/6Nu = {0.825 +[1+ 0.4929/1968127(1)式中: Nu-努 塞爾數(shù)Pr一普朗特數(shù)在用上述公式計算壁面平均的Nu時，壁面長度--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: .T. +T,Tm=-(2)式中: Tm一定性溫度 (K)T.一微元段翅 片管外壁的平均溫度(K)微元段天然氣初始的溫度(K)通過查數(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=gφ(。-Twy3Pr(3)V。式中: g- 當(dāng)?shù)刂亓铀俣?m/s2 )φ_體積膨脹系數(shù)(1/K)To一周圍環(huán)境的溫度(K)I一定性尺寸 (m)v。一-空氣運(yùn)動粘度(m2 1s)空氣與翅片管的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)a可由:a=a Nu(4)式中: a-空氣與翅片管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(W/ (m2k ))n-空氣的熱導(dǎo)率 (W/ (m k))空氣與管壁間的對流換熱量可由下式求出:φ=a-Tw,0)4 (6)式中: φ一總的換熱量(W)A- -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:φ=°a(.mo-.)4, (6)式中: ha鋁合金的導(dǎo)熱率(W/ (m k))δ一 壁厚(m)T一內(nèi)壁 的平均溫度(K)A,一 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:a,=""N(7)式中: a,一天然氣與管壁的傳熱系數(shù)(W/ (m-k ))名一天然氣的導(dǎo)熱率 (W/ (m k))天然氣與管壁間的對流熱量為:φ=a{(-T;)4, (8)式中: A;-管壁的內(nèi)表面積 ( m2)d.總傳熱系數(shù)1K=-T (9)R, 2。aBη式中: K一總的傳熱系數(shù) (W/ (m2k ))一污垢產(chǎn)生的熱電阻(Q )β- -肋化系數(shù)η一-肋化效率3.1.2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"C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)過空溫式氣化器的處理，一般來說，1 m3液化天然氣(LNG)可氣化600 m氣4.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、公式和數(shù)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.LNG空溫式氣化器氣化過程的數(shù)值分析[J].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[J] .天然氣與石油，2010， 28(5): 37-40.[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，2008, 26 (4):34-38.[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): .[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，2008,28 (12): 5-8.[6]聶廷哲，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.