空温式气化器气化能力分析

摘要：在西气东输的国策指引下，我国的天然气事业得到了飞速的发展。空温式气化器是燃气设备中重要的组成部分。本文通过研究空温式气化器的工作过程，分析了其气化能力。并且进行了数值分析，旨在加深人们对空温式气化器的了解。

关键词：空温式气化器；气化能力；方式

中图分类号： P632 文献标识码： A 文章编号：

引言

目前，天然气因其安全、热值高、洁净等优点被广泛使用。在使用的过程中，液化天然气要经过气化、回复至常温两步处理，才能投入使用。在系统中，空温式气化器是重要的核心部分，在燃气设备中起了非常重要的作用。

2．空温式气化器的优缺点和气化过程

2．1空温式气化器的优缺点

空温式气化器具有依靠自身显热和吸收外界大气环境热量而实现气化功能，不消耗水、电等，运行成本较低的优点。其缺点是：气化器体积大，气化量受气温的影响较大。在气温较低时(在北方)气化量可能达不到额定值。

据统计，空温式气化器在0℃的气化能力仅能达到其额定流量的65%.。为了解决这个问题，可以在温度低的时候启用备用设备。从经济上考虑，仍要比使用电热式气化器更合适。

2．2空温式气化器气化过程

空温式气化器包含蒸发部与加热部, 蒸发部由端板管连接并排的导热管构成, 加热部由用弯管接头串联成一体的导热管组成。导热管是将散热片和管材挤压成型, 其横截面一般为星形翅片, 翅片材质采用铝合金。LNG 空温式气化器的安装形式为立式、露天。气化器中LNG 的气化过程是一个以沸腾换热为主的传热传质过程。LNG 在翅片管内流动吸热气化, 管外传热为自然对流换热, 热量由空气通过翅片及管壁传给LNG。当LNG温度达到泡点时, 液体开始沸腾气化, 气相与液相处于平衡; 随后气相中各组分所占比例随时间不断变化, 并趋近于原料液化天然气中各组分所占比例, 最终气体中各组分的比例与原料液体中各组分所占比例相同, 此时的温度称为露点。泡点是液相段和气液平衡段的分界点,露点是气液平衡段和气相段的分界点, 二者是气化器传热模拟中的关键参数。由于LNG在气化器内的气化过程较复杂, 为了更好地分析气化器的传热性能, 本文仅研究干空气条件下的气化器传热情况, 且对气化器的传热进行如下简化:

① 刚进入气化器的低温LNG 与气化器中原有LNG的混合是在一瞬间完成的, 即气化器中LNG

的温度与各组分的比例在液体内部处处均匀。

②沿管程分为3段: 液相段、气液平衡段和气相段, 各段天然气的热物性参数采用相应公式计算。

③在气液平衡段, 气化器中液化天然气液体与气体任意时刻均处于气液平衡状态。

④管流采用一维近似, 不考虑压缩性和热膨胀性。

⑤气化器管壁仅考虑径向导热。

3．空温式气化器工作过程的气化能力分析

气化器的气化模型和热负荷计算在专业书籍和设计手册中介绍不多，但对气化过程、气化器的研究取得了一些成果。

加热部、蒸发部共同构成了空温式气化器。其中的蒸发部是由端板管连接并排的导热管组成的。弯管接头串联则构成了加热部。

气化过程是一个以沸腾换热为主的传热传质过程。液化天然气在翅片管内不断的吸收热量，气化，以自然对流的方式与管外传热。热量以空气和翅片管壁为媒介传给液化天然气。当液化天然气的温度达到泡点时，液体开始沸腾气化。然后气相中各部分所占比例不断变化，并逐渐趋于原始比例。达到最终状态时，气体中各成分的比例与原料中各个成分比例相同，该时刻下的温度被称为霸点。

混合物进入空温式气化器之后，沸点低，蒸汽压高的组分会首先气化，此时液体组分会发生变化。液体在气化过程中，会因为和传热面接触而气化，液体被气泡破裂会飞裂成飞沫而被气化，以上原因致使各种组分的液体都得到了气化，所以最后导出的气体组分和原始的液体组分是相同的。

实际设备和设计中，重要的是确定设备的气化能力。气化能力的计算必定涉及到传热过程的总传热系数。传热过程包括热煤（热水或蒸汽）与换热管内壁面的对流换热、金属管壁的导热和液化天然气与换热外壁面的对流换热（有相变）三部分。前两个部分可以通过计算较准确的得出，而第三项由于液化天然气是混合物，混合物的换热沸腾非常复杂，因此其热系数的计算公式中含有与特定二元物质组合有关的实验系数。因此，通过实验测得总的传热系数，来表示其设备的气化能力是合理的。

由上述可知，整个气化过程非常复杂，为了方便研究，我们做了以下简化：

（1）刚刚进入气化器的低温液态天然气与原有的液态天然气的混合在瞬间完成，即忽略了两者进行热传递的时间，认为气化器中液化天然气的温度及各个成分的比例是均匀的。

（2）把一个复杂的过程根据状态的不同分为三段：液相段、气液平衡段和气相段。

（3）对管流进行一维近似，不考虑管流的压缩性和热膨胀。

（4）仅仅考虑气化管壁的径向导热。

下面我们就进行具体的分析。

3.1 传热模拟计算

沿翅片管长度方向，每隔1cm取1个微元，建立传热模型。我们需要确定的数据有天然气的组成、流量和环境温度。天然气的组成见表1。

表1天然气的组成

液体天然气空温式气化器在进口的设计温度为-196℃，运行温度为-145~-162℃；在出口的设计温度为-20~100℃。工作压力为1.0Mpa

3.1.1单向流体对流换热段的计算

a. 空气与管壁间的对流换热量

关于自然对流换热的计算，有研究者在整理大量资料的基础上推荐使用公式：

（1）

式中：――努塞尔数

――普利数

――普朗特数

在用上述公式计算壁面平均的时，壁面长度一半处的温度与流体的温度之差作为计算用的温差。同时，以此处的边界层平均温度为定性温度。

则定性温度可以表示成：

（2）

式中：――定性温度（K）

――微元段翅片管外壁的平均温度（K）

――微元段天然气初始的温度（K）

通过查数据包可得到空气在温度为时的具体数据，进而可以求得。具体见下式。

（3）

式中：――当地重力加速度（m/）

――体积膨胀系数（1/K）

――周围环境的温度（K）

――定性尺寸（m）

――空气运动粘度（）

空气与翅片管的表面传热系数可由：

（4）

式中：――空气与翅片管表面传热系数（W/（））

――空气的热导率（W/（））

空气与管壁间的对流换热量可由下式求出：

(5)

式中：――总的换热量（W）

――所选微元段的表面积（）

b. 气化器翅片管管壁导热量

管壁的导热量方程为：

(6)

式中：――铝合金的导热率（W/（））

――壁厚（m）

――内壁的平均温度（K）

――微元段管壁导热面积（）

c. 天然气与管壁间对流换热量

天然气与管壁表面的传热系数为：

（7）

式中：――天然气与管壁的传热系数（W/（））

――天然气的导热率（W/（））

天然气与管壁间的对流热量为：

（8）

式中：――管壁的内表面积（）

d. 总传热系数

（9）

式中：――总的传热系数（W/（））

――污垢产生的热电阻（）

――肋化系数

――肋化效率

3.1.2 气液两相段对流换热计算

在该过程中，流型为环形流动，热量靠传导和对流通过液膜传递，蒸汽在交界面上不断的生成。

经上述模型可以解得，当气化器出口温度为-5℃时，液相段的长度是46.9m，气相平衡段的长度是105.0m，气相段的长度是225.5m，总的长度是377.4m。

按照《液化天然气的一般特性》GB19204-2003，在0°，1个标准大气压下，1个单位的液化天然气可以汽化成568~590个单位的气态天然气。经过空温式气化器的处理，一般来说，1 m³液化天然气（LNG）可气化600 m³气

4．结语

本文通过建立模型，对空温式气化器的气化能力进行了分析，并用具体的模型、公式和数值进行了说明。可见空温式气化器的优势，并且为空温式气化器的选型提供了依据。

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