LNG空温式气化器综述

1　概述

LNG一般要在气化站经过气化器气化为大然气后才能供用户使用。目前常用的LNG气化器主要有开架式气化器、空温式气化器[1]、浸没燃烧式气化器和带有中间传热介质的气化器。简单的结构和低廉的运行费用使得LNG空温式气化器使用十分广泛。在运行过程中，翅片管表面温度很低，最低可达到-120℃左右，空气中的水分会在低温的翅片管表面析出凝固成冰晶然后积累形成霜层，影响气化器传热。

本文针对LNG空温式气化器传热特性，根据基于能量守恒及质量守恒，建立用于空温式气化器传热管传热特性预测的分布参数计算模型，采用不同的离散方程组，分别描述了在结霜和未结霜条件下传热管的传热方程。旨在为我国空温式气化器传热管结构及性能优化设计提供一定的理论依据[2]。

本论文研究的主要内容如下：

1）针对空温式气化器的关键传热单元-传热管的整体换热过程进行研究分析，基于能量守恒规律，建立传热管的分布参数模型，模型中分别采用不同离散方程组描述在结霜和未结霜条件下气化段和加热段的传热过程。

2）根据焓差将传热管沿流动方向划分为不同的传热单元，根据传热区间选择相应的经验公式进行传热系数计算，编写基于FROTRAN语言的计算程序进行空温式气化器传热管传热特性计算。

3）对不同尺寸的空温式气化器传热管传热性能进行数值计算分析，分析超临界压力下空温式气化器传热管的传热特性，分析不同运行参数和强化传热措施对其传热特性的影响。

2　模型建立

在进行换热模拟计算时，为了进行计算的简便，进行了如下假设：

1）在所有时刻，霜层的所有物性参数在厚度方向上是均匀的。

2）只考虑霜层厚度方向上参数的变化，将霜层生长过程看做是一维的。

3）双层的生长过程是动态变化的，但是在某一时刻，或者很短的时间变化内，可以看作是稳态。

4）环境空气温度和低温表面温度均匀恒定不变。

5）水蒸气在渗透吸收凝结所用的时间忽略不计。

6）管外空气侧换热按大空间自然对流换热处理。2.1　物理模型建立

在实际运行中，温度为-161℃的LNG由下部总管进入，分别流入每根换热管，在单根换热管完成气化，并将低温大然气加热至-10℃，最后经上部汇管流出。该空温式气化.器单台设计气化量为5000 m3/h，工作压力为1.6 MPa，为加压型气化器。每台气化器包含72根换

doi：10.3969/j.issn.1004-275X.2018.09.099

LNG空温式气化器综述

王　杰

（西安石油大学，陕西　西安　710065）

摘　要：在现今的AAV研究工作中，主要使用数值编程模拟与数值模拟模拟的方法研究流体流动和传热特性，模拟出的流场和温度场为进一步强化翅片管传热能力，可以提高空温式气化器的换热性能，并且在抑制剂结霜，研究最佳运行工况，最佳几何尺寸方面也提供了理论依据。沿管程的LNG流体的温度、冷壁面壁面温度、任意时刻的结霜厚度以及换热系数的分布也可以的计算出来。综述可以为AAV的设计提供参考。

关键词：LNG空温式气化器；传热传质；编程模拟

中图分类号：TU996 文献标识码：A 文章编号：1004-275X（2018）09-218-02

Summary of LNG air temperature vaporizer

Wang Jie

（Xi’an Petroleum University，Xi’an 710065，China）

Abstract：In the current study of AV，numerical programming simulation and numerical simulation are mainly used to study the fluid flow and heat transfer characteristics.The simulated flow field and temperature field can improve the heat transfer performance of the air-temperature gasifier to further enhance the heat transfer capability of finned tube，and the inhibitor frosting is used to study the optimum operating conditions.It also provides a theoretical basis for the best geometric size.The temperature of LNG fluid along the tube，the wall temperature of cold wall，the frosting thickness at any time and the distribution of heat transfer coefficient can also be calculated.This review can provide a reference for the design of AAV.

Key words：LNG air temperature vaporizer；heat and mass transfer；programming simulation

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热管，每根换热管均为12翅片结构。单根翅片管长度为13.316 m，内径d1取10 mm，外径d2取14 mm，翅片高度y取80 mm，翅片厚度δ取2 mm，翅片管的材质为铝合金[3]。

根据能量守，通过霜层表面的总热量=空气与霜层表面之间的自然对流+水蒸气凝华传热+环境辐射传热，传入翅片管的能量，将被用来提高LNG冷流体的温度。

2.2　求解方法

根据微元法，已知空温式气化器结构参数，运行参数，环境参数。已知流体入口温度，确定微元段数目和微元段长度，确定时间间隔和计算次数；根据工作压力计算出泡点（T b）露点（T d），采用定义式来计算泡点露点。以泡点和露点作为三个区段划分的结点，换热计算分为管内换热计算和管外换热计算。

t时刻，根据入口温度（T

in

=-162℃），计算第一个微元段内的流体物性参数，（计算LNG的流体物性参数：计算出流体LNG的温度T、压力P、导热系数λ、粘度µ、定压比热容c p、密度ρ）由流体的物性参数计算出流体侧的换热表面系数，代入能量守恒方程求出霜层表面温度、霜层厚度等参数和t时刻的霜层热阻R（霜层热阻和导热系数的关系），进而计算出总传热系数（K）。根据公式计算出单相液段的换热量，并计算出口温度，作为下一单元的进口温度。重复该过程直至T f=T b，液相段计算结束。

计算两相段的换热时，通过Klimenk模型计算翅片管的换热表面系数，用计算单相液段类似的方法计算出总的换热系数，并假设总的换热量被LNG吸收使得LNG在泡点温度（T b）饱和沸腾汽化NG，汽化后的NG 再吸热过热达到露点温度（T d），两相段结束。

2.3　结果讨论

根据以上物理模型及其求解方法等条件，运用IVF 软件进行编程模拟，结合以往的研究结果进行综合分析，得到以下结果为AAV的设计提供参考。

2.3.1　不同时间翅片管内外温度分布

对于空温式气化器来说，研究出口NG尤为重要，它代表是否NG可以满足外输需求，涉及到AAV的性能，在不同的运行时间下，管内流体在两相段温度不会升高，在单相段，温度会有升高，单项液段温度升高速率近乎支线，单相气段温升先快后慢。单相液区入口处，流体与管壁有较大的温差，在气相区的出口段则不然，温差近乎于无。两相区没有温升的原因是采用了纯物质处理，通过Klimenk模型计算两相区的换热量，温度处于泡点一直不变。到达缺液区温度升至露点。对于不同的结霜时间，显示出了相似的趋势线。

2.3.2　不同运行时间霜层厚度在翅片管表面的分布

不同结霜时间霜层厚度沿管长的分布，结霜主要发生在液相段和两相段，翅片管的表面全部覆盖着霜层，而单相气段只有部分覆盖着霜层。随着时间的堆叠，霜层厚度不断增加，在到达一定时间后，霜层的积累到达一定的稳定状态。液相段根部结霜会最严重，如果不考虑环境温度的变化，结霜会到达稳定状态。霜层物性趋于稳定。这时候就需要对结霜过后的地方进行机械处理，因为致密的霜层会对换热器的换热性能产生严重的影响。

2.3.3　不同运行时间换热系数沿管长的分布

由于结霜的积累，在液相段和两相段，结霜会使这两段的传热系数减小效应十分显著。而在某些区域，则会使传热系数有明显增大，因为粗糙的换热表面，增大了换热面积，阻碍了边界层的发展。翅片管的换热是管内、管外，互相影响，是一个耦合换热的过程。管内低温流体被翅片管的温度影响，结霜受到管外空气侧换热系数和翅片管温度共同影响。霜层在换热管上的作用整体看来，就是直接的延缓管内低温的流体和管外空气侧进行的换热，间接地降低了管内流体的换热系数。从而使得管内外的能量转换达到一定的稳定状态。在单相气区，霜层的增量较少，对换热系数的影响则较小。整体来讲，要尽可能减小结霜对换热的影响。

参考文献：

[1] 顾安忠.液化天然气技术手册[M].北京:机械工业出版社,2010.

[2] 来进琳.空温式翅片管气化器在低温工况下的传热研究[D].兰

州理工大学,2009.

[3] 杨聪聪.LNG空温式气化器换热计算研究[D].哈尔滨工业大

学,2011.

收稿日期：2018-07-17

作者简介：王杰（1992- ），男，陕西延安人，研究生，研究方向：空温式气化器换热研究。

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