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三种LNG海水气化器的换热计算模型及方法刘家琛1，巨永林1，傅允准2(1．上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200240;2．上海工程技术大学机械工程学院，上海201620)摘要:随着我国经济的快速发展，对能源的需求日益增加，天然气在我国一次能源中的比重越来越大。除了通过长输管道进口天然气外，近年来，通过LNG船海上运输进口LNG发展十分迅速。通过LNG船运输需要建立大量的LNG接收站。文中介绍了目前主要使用的三种LNG接收站气化器形式和各自的优缺点。通过对三种LNG海水气化器内部流动换热性能分析，建立起海水气化器的设计模型。在模型的基础上提出了各个气化器设计计算的具体方法，通过与实际LNG气化器参数的验证比较，表明文中提出的模型和计算方法可以用来指导LNG海水气化器的设计。关键词:液化天然气(LNG);海水气化器;传热模型;设计计算HeattransfermodelandcalculationmethodforthreetypesofLNGseawatervaporizersLiuJiachen1，JuYonglin1，FuYunzhun2(1．InstituteofＲefrigerationandCryogenics，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200240，China;2．SchoolofMechanicalEngineering，ShanghaiUniversityofEngineeringScience，Shanghai201620，China)Abstract:Withtherapiddevelopmentofeconomics，thedemandfornaturalgashasbeengrowingdramatically．Besidesthetransportationofnaturalgasbylongpipeline，theimportofnaturalgasbyLNG(liquefiedNaturalGas)carriershasbeenincreas-inginrecentyears，whichrequirestheconstructionofalargenumberofLNGterminals．ThreetypicalLNGterminalvaporizerscurrentlyusedandtheirrespectiveadvantagesanddisadvantagesweredescribedinthispaper．Throughtheanalysesofthecryo-genicfluidflowandheattransferperformanceforthreeLNGseawatervaporizers，thedesignmodelwasproposed．Onthebasisofthemodel，thespecificmethodsofthedesignandcalculationforeachvaporizerwerepresented．Thegoodcomparisonbetweenthecalculatedresultanddatasheetshowsthatthedesignmodelandcalculationmethodcanbeguidanceforthedesignofthedif-ferentLNGseawatervaporizers．Keywords:LNG，Vaporizer，Heattransfermodel，Designandcalculation设备总成的一个有机整体，通过这些设备的相互协作，才能将海上运输来的LNG通过一定的工艺流程存储在LNG储罐并外输至用户。这些设备包括卸料臂、储罐、低压输送泵、高压输送泵、气化器、BOG压缩机、火炬塔等。目前LNG接收终端主要有三种类型的气化器:开架式气化器(OＲV)、浸没燃烧式气化器(SCV)和带有中间传热介质的气化器(IFV)［3］。国内对LNG海水气化器设计的研究还比较少。王萌等［4］对超级开架式气化器传热管进行了数值模拟，利用两组离散化方程组得到了气化器的传热过程，并且对给定边界条件下气化器，作1引言天然气作为一种优质、高效、清洁的能源和化工原料，在世界能源结构中的地位和作用不断提升。我国能源中长期发展规划明确指出:“十二五”期间，大力发展天然气，2030年天然气将占到一次能源的10%，成为我国能源发展战略中的一个亮点和绿色能源支柱之一［1］。目前天然气进口除了通过陆上长输管道外，另一个主要运输途径就是通过海上液化天然气(LNG)船［2］。通过LNG船运输就要大力建设LNG接收站，包括LNG码头和LNG储罐区。LNG接收站是由众多相关收稿日期:2014－09－26基金项目:工业和信息化部高技术船舶科研项目。作者简介:刘家琛(1990－)，男，硕士研究生，主要从事低温流体传热特性研究。制冷技术Ｒefrigeration·57·第12期出了表面换热系数和温度分布曲线。于国杰［5］等对LNG浸没式气化器壳程流场进行了三维模拟，得出喷射燃气的雷诺数对水浴流动影响较大，排列和管束对流场影响明显。白宇恒等［6］对大型LNG中间介质气化器换热进行了计算，对给定工况下IFV气化器获得了换热面积和各部分传热系数分布。为了更好的实现LNG气化器的国产化，本文通过对LNG气化器内部的流动以及结构分析，利用传热学知识分别对三种类型气化器进行设计，以满足LNG气化需求。海水沿着管子径向流动，在不断下降过程中与管内的LNG进行换热。但国内外对流体纵掠管束流动换热的研究很少，主要是由于其换热效果没有横掠管束好。虽然二者换热有一定差距，但是可以通过修正系数来进行简单的修正，从而得到二者的关联。于是，可采用横掠顺排管束的计算方法来近似纵掠管束的换热。所采用的换热关联式为［11］:h=0．033Ｒe0．8Pr0．36λ(1)ol2．3管内LNG计算模型由于LNG入口压力过大，超过了其临界压2开架式气化器(OＲV)设计分析力，所以其为单相液体时，可以按照过冷状态的换热关联式进行计算。但是当其温度也达到了临界温度时候，其状态就完全成为了超临界态，其流态也没有了气液之分，统一为超流体状态。而超流体状态下，LNG物性变化剧烈，其速度也不断变化，直接影响到换热效果的计算。在D－B公式的基础上，可以进一步优化与修正其所产生的误差，将超临界流体的比热、物性变化加入考虑，从2．1OＲV气化器模型介绍开架式气化器是以海水为热源的气化器，是用于基本负荷型的大型气化装置，可在0～100%的负荷范围内安全运行，可以根据需求的变化遥控调整气化量［7］。整个气化器利用铝合金支架固定安装，基本单元是传热管，由平行分布的传热管组成面板，两端连接上下总管焊接形成一个板型管束，几个面板组合成一个模块，然后模块串联形成气化器，其结构和工作原理如图1所示［8］。气化器顶部有海水喷淋装置，海水喷淋在管束外表面上进行换热，依靠重力的作用自上而下流动。LNG在管内向上流动，海水在管外向下流动过程中将热量传递给LNG，从而组成了一个逆流换热器，使得管内LNG能够加热并且气化［9］。OＲV气化器适用于基本负荷型气化需求，技术成熟，被广泛应用，但是其对水质要求较高，且容易出现结冰而影响气化效果，所以应用有一定限制［10］。［12］而总结出适合甲烷超临界换热的关联式。———Cpρwλh=0．0156Ｒe0．82Pr()()b0．50．3n(2)ibCpbdiρbHw－Hb———式中，平均比热为Cp=T－Twb2．4总传热模型热量由海水通过管壁传递到管内海水，包含了三个环节:(1)海水到管外壁的传热;(2)管外壁到管内壁的传热;(3)管内壁到LNG的传热。于是整个传热过程的传热系数可表示为:1·do+1do+r+r·+Ｒ)－1K=((3)oiwhidihodi式中:hi、ho为管子内、外的表面传热系数;ri、ro为管子内、外侧的污垢热阻。得到总体传热系数之后，即可通过传热量得到气化器所需换热面积A，其计算公式为:Q(4)A=K·Δt其中△t采用对数平均温差法进行计算。图1OＲV结构和工作原理图Fig．1OＲVstructureandoperatingprinciplediagram2．2管外海水计算模型浸没燃烧式气化器(SCV)计算分析3SCV气化器模型介绍3．1·58·制冷技术Ｒefrigeration第12期浸没燃烧型气化器是一种水浴式气化器，如图2所示。其由四部分组成，即气体燃烧室、加热盘管、水箱以及其他附件。天然气管路置于水浴液位以下，一个或几个燃烧器将燃烧后的烟气直接排入水浴中，引起水浴的剧烈扰动，LNG通过管壁与水进行换热并气化［13］。烟气的放热量基本相当于LNG气化所需的热量，而水浴的温度(30℃左右)保持不变。这种气化器设计紧凑，安装不需要占用大量空间，其特点是设备投资低、启动快，能适应负荷的突然变化，对水质要求较低。但是由于其配有大量部件，运行成本较大，因而适于紧急情况或调峰时使用［14］。3．4总的传热模型计算SCV气化器总的传热模型，可以按照类似于OＲV气化器的模型进行计算。水箱中的水直接被燃气加热，然后水跟换热管管壁进行换热，再经过换热管管壁内部的导热，最后将热量传递给管内的LNG，使其被加热并且气化。整个传热过程的传热系数、换热面积以及换热管管数都可以按照OＲV气化器的计算公式进行计算。但应注意二者管外换热系数以及管长的不同，因此SCV气化器设计有其特殊的适用条件和方法。4带有中间传热介质的气化器(IFV)计算分析4．1IFV气化器模型介绍采用中间传热介质的方法可以改善结冰带来的影响，IFV可分为三个部分，即由中间介质气化器(E1)、LNG气化器(E2)和NG调温器(E3)三段管壳式换热器叠加组成［6］。在E1换热器中，管内海水强制对流放热来加热中间传热介质，中间介质在吸热后气化上升到E2换热器中。在E2换热器中，气化后的中间介质与管内的低温LNG进行热交换，LNG受热气化，而中间介质则被冷凝。凝结液依靠重力回流到E1换热器中，如此不断的气化凝结，最终达到气液平衡状态，运行过程中无需添加。在E3换热器中，用管内的高温海水加热从E2换热器出来的NG气体，使其温度进一步升高，从而达到输出要求，最终从E3换热器出口排出。而放热后的高温海水则是进入到E1换热器，继续加热更低温度的中间介质。具体工作原理如图3所示。IFV气化器避免图2SCV工作原理图Fig．2SCVoperatingprinciplediagram管外海水侧计算模型海水为常压状态，进出口温度相差也较小。3．2海水在饱和压力有确定的饱和温度，即海水在沸腾过程中物性是不变的。管外为燃气通入海水槽中，产生大量气泡，沸腾传热，其换热关联式为［11］:ho=90qMrpr(－lgpr)m=0．12－0．2lgＲp0．67－0．5m－0．55(5)式中:Ｒp为表面平均粗糙度，对一般工业用管材表面，Ｒp=0．3—0．4μm;q为热流密度，单位为W/m2;为相对分子质量;p为对比压力(液Mrr体压力与该液体的临界压力之比;海水的临界压力为22．8MPa。3．3管内LNG计算模型SCV气化器管内LNG换热类似于OＲV气化器的管内换热，于是可以直接利用OＲV气化器管内LNG换热关联式，即超临界甲烷换热关联式进行计算，可得到不错的结果。图3IFV工作原理图Fig．3IFVoperatingprinciplediagram了直接用海水换热时的结冰问题，提高了传热效率。虽然初投资成本较高，技术不够成熟，但是其制冷技术Ｒefrigeration·59·第12期运行成本较低，对水质要求较小，因此可以作为主气化器使用，是目前主要发展的气化器类型［15］。对IFV气化器进行设计时，将其三个换热器分开独立设计。但是对于每个单独的换热器设计时，需要根据其他两个换热器中工质的状态和物性参数进行计算。在满足各个换热器内部能量守恒的同时，也要遵循整体换热器的能量守恒。4．2中间介质气化器计算由于在中间介质