液化天然氣浸沒燃燒式氣化器工藝計算

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1,2 (1. 甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070；2. 上海藍濱石化設備有限責任公司， 上海 201518)

設計計算

液化天然氣浸沒燃燒式氣化器工藝計算

蘆德龍1,2，張尚文1,2，文曉龍1,2，周少斌1,2，李金波1,2，武艷波1,2，荀嬌1,2，呂甜甜

1,2(1. 甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070；2. 上海藍濱石化設備有限責任公司， 上海 201518)

天然氣在一次能源中的應用率越來越高，液化天然氣(LNG)行業也隨之得到快速發展。以某LNG實際組分為例，利用HYSYS以及各種流態下的流體傳熱原理，通過對LNG物性、浸沒燃燒式氣化器(SCV)結構、流體傳熱以及管程壓降等進行分析，對SCV進行了工藝設計計算，結果為：①SCV總傳熱系數可達763.41 W/(m2·K)。②所需理論換熱面積為854.62 m2，設計結構下的實際換熱面積為957.56 m2。③SCV管程壓降為24.904 kPa。計算結果表明此SCV換熱效率較高、管內流體流態正常及設計結構合理,可滿足換熱要求。此設計結構與類似工況進口設備的換熱面積及結構形式基本一致，結果可為SCV研發提供一定的基礎數據，并對同類型設備的研發、優化設計以及使用操作具有參考意義。

液化天然氣； 浸沒燃燒式氣化器； HYSYS； 工藝計算

天然氣(NG)與煤炭、石油并稱目前世界一次能源的三大支柱。天然氣的主要成分是甲烷，其熱值高，燃燒產物對環境污染少，被認為是優質潔凈的燃料，在能源、交通等領域具有廣闊的應用前景[1]。

天然氣在常壓下，約-162 ℃可液化，稱為液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)。LNG液化后體積縮小到氣態時的1/600左右，有利于儲存和運輸[2]。LNG需要氣化并恢復到常溫后方可使用。LNG氣化器是專門用于LNG氣化的設備，是LNG工業中應用最為廣泛的熱交換器，也是LNG接收站的關鍵設備之一。LNG是低溫流體，要使其轉變為常溫氣體，必須依靠氣化器提供相應的熱量使其氣化。LNG氣化常用熱源有燃料、海水、空氣、工廠或電廠廢熱等。

根據熱源的不同，氣化器可分為以下幾類：①以燃料為熱源，主要有浸沒燃燒式氣化器(submerged combustion vaporizer，SCV)和熱水浴式氣化器。SCV以天然氣為燃料通過加熱水浴來氣化LNG，此種氣化器的氣化量可在10%～100%進行調節，且啟動速度快，能對負荷的突然變化及時做出反應。SCV主要用于緊急情況或調峰的快速反應,而熱水浴式氣化器由于熱效率低而較少使用。②以海水為熱源,主要有開架式氣化器(open rack vaporizer，ORV)和帶有中間介質傳熱的氣化器(intermediate fluid vaporizer，IFV)。ORV可在0～100%的負荷運行，用于基本負荷型的大型氣化裝置。IFV通常采用丙烷、丁烷或氟利昂等介質作中間傳熱流體，實際傳熱過程是由LNG與丙烷等中間介質傳熱和海水與丙烷等中間流體傳熱兩級換熱組成。③以空氣為熱源，主要有空溫式氣化器和強制通風式氣化器，目前主要用于中小型氣化站和終端用戶的LNG氣化。

以下工況應首選SCV：①當海水溫度過低或受到污染不能使用時。②要求啟動速度快、對負荷突變能及時反應、投入成本低，作為調峰氣化器來使用時。③如因上述原因限制，SCV可作為其他氣化器的備用。因此，SCV是最為常見的LNG氣化器類型之一，多年來已廣泛應用于LNG接收站調峰及緊急使用情況[3]。

1 LNG物性

LNG是一種在約-162 ℃常壓下儲存的液態無色流體，主要成分為體積分數為85%～95%的甲烷(CH4)，其余為少量的乙烷、丙烷、氮氣或通常存在于天然氣中的其他組分，幾乎不含水、硫、二氧化碳等物質。

典型實例LNG的組分見表1，典型實例LNG的指標參數見表2[4]。表2中，標況氣化量是指0 ℃、101.325 kPa條件下單位體積液體氣化生成氣體的體積。

表1 LNG組成(體積分數) %

表2 LNG實例相關參數

2 SCV簡介

SCV以燃料氣作為熱源加熱水浴，再利用水浴對LNG加熱并氣化。SCV的LNG氣化量可以在10%～100%內迅速調節，對負荷突然變化快速做出反應，特別適用于負荷變化幅度較大的工況。SCV啟動速度快，也適用于緊急情況或調峰時的快速啟動要求。在大型的LNG氣化供氣中心通常配備相應數量的SCV以備用氣負荷激增的情況，提高系統的應變能力[5]。

SCV由換熱管束、水浴、浸沒燃燒器、燃燒室和鼓風機等組成[6]，工作原理示意圖見圖1。

圖1 SCV工作原理圖

燃料氣在浸沒燃燒器中燃燒，產生的熱煙氣和水浴直接進行熱質交換，均勻地對水浴加熱[7]。換熱管束浸沒在水浴中，管內的LNG被水浴槽內的熱水浴加熱并氣化。熱水循環流動，運用氣體提升原理，管外部獲得激烈的循環水流，這使得SCV熱效率非常高。

以LNG實例2為例，用HYSYS對LNG的氣化過程進行工藝模擬，發現氣化過程中， LNG在某一溫度下幾乎瞬間全部氣化，不存在氣液兩相區(即沸騰區域)。HYSYS模擬計算過程見圖2，LNG氣化摩爾分率-溫度變化見圖3。

圖2 HYSYS模擬

圖3 LNG氣化摩爾分率-溫度變化圖

從圖2、圖3模擬可以知道，LNG氣化過程不存在氣液兩相區。文中將LNG氣化區域分為單相液區和單相氣區[8]，對部分計算數據也分為單相液區和單相氣區來討論。

3 SCV設計實例參數

3.1

換熱管結構選擇[9]

根據處理量、介質特性以及熱交換器管路置于水浴液位以下的特點，選擇材質為S30408奧氏體不銹鋼管、規格(外徑×厚度)為25.4 mm×2 mm的光管200根組成了換熱管束，單根換熱管結構示意圖見圖4。

圖4 單根換熱管結構示圖

3.2換熱管束排列方式選擇[10]

從換熱效果角度考慮，選擇叉排式盤管，排列方式為正三角形排列，見圖5。圖中，do為換熱管外徑，S1為換熱管中心距，S2為正三角形腰高。

本例中，do=25.4 mm，S1=70 mm，S2=60.6 mm。

圖5 叉排管束排列示圖

3.3設計參數[11]

根據目前國內外LNG的儲存溫度、同類產品的設計和操作參數以及LNG的物性，考慮氣化器產品的適用范圍和LNG氣化后的外輸壓力要求，文中按照常規設計條件的設計參數如下。

(1)氣化量qm= 200 t/h = 55.56 kg/s，氣化所需熱流量Φ=40 MW，其中單相液區熱流量Φ1=24.4 MW，單相氣區熱流量Φ2=15.6 MW。LNG平均密度ρi1=387.8 kg/m3，NG平均密度ρi2=155.5 kg/m3。

(2)LNG入口操作溫度t1=-162 ℃(T1=111.15 K)，NG出口操作溫度t2=3 ℃(T2=276.15 K)，LNG氣化時溫度tg=-56.4 ℃(Tg=216.75 K)，LNG入口操作壓力pi=10.2 MPa，出口操作壓力po=10.0 MPa，SCV管內最大壓降Δpmax=200 kPa。換熱管內、外污垢熱阻Ri=Ro=0.000 176( m2·K)/W。

(3)管內流體單相液區導熱系數λi1=0.129 4 W/(m·K)，黏度μi1=5.856×10-5Pa·s，比定壓熱容cpi1=3 554 J/(kg·K)；管內流體單相氣區導熱系數λi2=0.051 1 W/(m·K)，黏度μi2=1.664×10-5Pa·s，比定壓熱容cpi2=4 870 J/(kg·K)。

(4)管外水浴溫度t3=15 ℃(T3=288.15 K)，導熱系數λo=0.595 3 W/(m·K)，黏度μo=113.6×10-5Pa·s，比定壓熱容cpo=4 315.84 J/(kg·K)。

(5)換熱管外徑do=0.025 4 m，內徑di=0.021 4 m，數量n=200，單程直管管長Ls=7.5 m，單根換熱管程數N=8。忽略換熱管彎管處長度，近似定義單根換熱管長度L=LsN=60 m，水浴槽規格(長度×寬度)為8.5 m×3 m，管壁導熱系數λ=16.3 W/(m·K)。

(6)燃氣高熱值H=53.16 MJ/kg，水浴密度ρo=1 015 kg/m3，燃氣密度ρf=0.7 kg/m3，燃氣熱效率φ=95%。

4 SCV計算過程

4.1

實際換熱面積Ac

忽略彎管部分，Ac可按下式計算：

Ac=nπdoL

(1)

將n=200、do=0.025 4 m、L=60 m代入式(1)得到Ac=957.56 m2。

4.2管內流體對流傳熱系數αi

本例中Rei>104，αi按下式計算[12]：

(2)

其中

式中，Nui為管內流體努塞爾數，Rei1為液相雷諾數，Rei2為氣相雷諾數，Pri為管內流體普朗特數；λi為管內流體導熱系數，W/(m·K)；di為換熱管內徑，m；(μ/μw)0.14為管內流體黏度校正系數，可參照文獻[12]取值1.05；ui為管內介質流速，m/s；ρi為管內流體平均密度，kg/m3；μi為管內流體黏度，Pa·s；cpi為管內流體比定壓熱容，J/(kg·K)；qm為質量流量，kg/s。

對單相液區進行計算，將n=200、qm=55.56 kg/s、di=0.021 4 m、ρi1=387.8 kg/m3、μi1=5.856×10-5Pa·s、cpi1=3 554 J/(kg·K)、λi1=0.129 4 W/(m·K)代入式(2)計算可得到ui1=1.414 m、Rei1=2.38×105、Pri1=1.608、Nui1=663.14、αi1=400 9.83 W/(m2·K)。

對單相氣區進行計算，將n=200、qm=55.56 kg/s、di=0.021 4 m、ρi2=155.5 kg/m3、μi2=1.664×10-5Pa·s、cpi2=4 870 J/(kg·K)、λi2=0.051 1 W/(m·K)代入式(2)計算可得到ui2=3.525 m/s、Rei2=7.05×105、Pri2=1.586、Nui2=149 9.78、αi2=3 581.26 W/(m2·K)。

4.3管外流體對流傳熱系數αo

管外水浴流速u0按照下式計算：

其中

(3)

式中，Qf為燃氣用量，m3/s；S0為管外水浴流通面積，m2。

浸沒燃燒器產生的熱煙氣和水直接進行熱量交換，即雙組分、兩相流傳熱。水的傳熱系數遠比熱煙氣的傳熱系數大，并且熱煙氣基本和換熱管束表面無長時間接觸。因此，可忽略熱煙氣與換熱管束之間的換熱，即熱煙氣與水直接換熱，水與換熱管束直接換熱。為保證較高的熱效率，根據文獻[13]中的道爾頓定律及文獻[14]，水浴溫度以12～18 ℃為宜[5]。因此，選取水浴溫度t3=15 ℃(T3=288.15 K)。

將Φ= 40 MW、H=53.16 MJ/kg、ρf=0.7 kg/m3、φ=95%、S0=19.33 m2代入式(3)計算可得到Qf=1.13 m3/s、u0=0.19 m/s。

因Reo=103～2×105，αo可按下式計算[10]：

(4)

其中

式中，Nuo為管外流體努塞爾數，Reo為管外水浴雷諾數，Pro為管外水浴普朗特數；(Pro/Prw)0.25可參照文獻[10]取值0.88；ρo為水密度，kg/m3。

將S1=0.07 m、S2=0.060 6 m、do=0.025 4 m、u0=0.19 m/s、ρo=1 015 kg/m3、cpo=4 315.84 J/(kg·K)、μo=113.6×10-5Pa·s、λo=0.595 3 W/(m·K)、(Pro/Prw)0.25=0.88代入式(4)計算可得到Reo=4 211、Pro=8.236、Nuo=115.05、αo=2 372.81 W/(m2·K)。

4.4氣相、液相傳熱系數K1、K2

K1、K2分別按下式計算：

(5)

(6)

將αi1=4 009.83 W/(m2·K)、αi2=3 581.26 W/(m2·K)、di=0.021 4 m、do=0.025 4 m、αo=2 372.81 W/(m2·K)、Ri=Ro=0.000 176(m2·K)/W、λ=16.3 W/(m·K)代入式(5)、式(6)，可得到K1=809.16 W/(m2·K)、K2=786.61 W/(m2·K)。

4.5氣相、液相有效平均溫差ΔTm1、ΔTm2

ΔTm1、ΔTm2分別按下式計算：

(7)

(8)

其中

ΔTmax1=T3-T1

ΔTmin1=T3-Tg

ΔTmax2=T3-Tg

ΔTmin2=T3-T2

式中，ΔTmax1、ΔTmin1分別為單相液區大、小溫差端的流體溫差，ΔTmax2、ΔTmin2分別為單相氣區大、小溫差端的流體溫差，K。

將T1=111.15 K、T2=276.15 K、T3=288.15 K、Tg=216.75 K代入式(7)、式(8)中可得到ΔTmax1=177 K、ΔTmin1=71.4 K、ΔTmax2=71.4 K、ΔTmin2=12 K、ΔTm1=116.32 K、ΔTm2=33.31 K。

4.6氣相、液相理論換熱面積A1、A2

A1、A2按照下式計算：

(9)

(10)

式中，Φ1、Φ2分別為單相液區、單相氣區的熱流量，W。

將Φ1=2.44×107W、ΔTm1=116.32 K、K1=809.16 W/(m2·K)代入式(9)得到A1=259.24 m2。

將Φ2=15.6×107W、ΔTm2=33.31 K、K2=786.61 W/(m2·K)代入式(10)可得到A2=595.38 m2。

4.7氣相、液相管內壓降Δp1、Δp2

Δp1、Δp2按下式計算：

(11)

(12)

式中，λf1、λf2分別為單相液區、單相氣區摩擦因數，按照文獻[15]選取。

將λf1=0.015 1、A1=259.24 m2、ρi1=387.8 kg/m3、ui1=1.414 m/s、n=200、di=0.021 4 m、do=0.025 4 m 代入式(11)計算可得到Δp1= 4.415 kPa。

將λf2=0.012 3、A2=595.38 m2、ρi2=155.5 kg/m3、ui2=3.525 m/s、n=200、di=0.021 4 m、do=0.025 4 m 代入式(12)計算可得到Δp2= 20.489 kPa。

管內總壓降Δp=Δp1+Δp2=24.904 kPa。

4.8總傳熱系數K

K按照下式計算：

(13)

其中

A=A1+A2

4.9結果分析[16-18]

通過計算結果A=854.62 m2

5 結語

隨著LNG工業的高速發展，國內LNG的發展前景更為廣闊，SCV國產化工作也迫在眉睫，其工藝設計計算是LNG接收站核心設備國產化必需解決的問題之一。高效、快速地設計研制出具有我國自主知識產權的SCV，結束其依靠進口的現狀，不僅實現了降低設備投資的目的，同時提高了社會效益和經濟效益。

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(許編)

ProcessCalculationofLiquefiedNaturalGasSubmergedCombustionVaporizer

LUDe-long1,2,ZHANGShang-wen1,2,WENXiao-long1,2,ZHOUShao-bin1,2,LIJin-bo1,2,WUYan-bo1,2,XUNJiao1,2,LüTian-tian1,2

(1. Lanpec Technologies Limited, Lanzhou 730070, China;2. Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co. Ltd., Shanghai 201518, China)

The utility ratio of natural gas in primary energy is getting higher and higher. Main while, liquefied natural gas (LNG) industry is developing rapidly. To provide data reference and technical supports to LNG vaporization key equipments, and taking an actual LNG process unit as example, a submerged combustion vaporizer (SCV) has been studied. Using HYSYS process simulation software and the heat transfer principles for all kinds of flow states, through the analysis and calculation of LNG physical property, the structure of SCV, fluid heat transfer, and tube side pressure drop, it is found that， ①The overall heat transfer coefficient of the SCV is up to 763.41 W/(m2·K).②The theory heat exchange area is about 854.62 m2, and the actual heat transfer area in this example is 957.56 m2.③The tube side pressure drop of the SCV is only 24.904 kPa. It shows that the heat exchange efficiency is preferable, the fluid flow distribution is normal, the equipment structure is reasonable and it meets the requirements of heat exchange. These calculated results are consistent with those of the imported equipment. It provides the basis for the research and development of SCV data reference and powerful technical support. It also has the reference significance to the research, development, optimization and operation of the similar equipment.

liquefied natural gas; submerged combustion vaporizer; HYSYS; process design and calculation

TQ050.2； TK124

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.004

1000-7466(2017)04-0017-06①

2017-03-20

蘆德龍(1988-)，男，甘肅蘭州人，工程師，學士，主要從事工藝系統及化工設備設計與研發工作。