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

設(shè)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(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070；2. 上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司， 上海 201518)

天然氣在一次能源中的應(yīng)用率越來越高，液化天然氣(LNG)行業(yè)也隨之得到快速發(fā)展。以某LNG實(shí)際組分為例，利用HYSYS以及各種流態(tài)下的流體傳熱原理，通過對LNG物性、浸沒燃燒式氣化器(SCV)結(jié)構(gòu)、流體傳熱以及管程壓降等進(jìn)行分析，對SCV進(jìn)行了工藝設(shè)計計算，結(jié)果為：①SCV總傳熱系數(shù)可達(dá)763.41 W/(m2·K)。②所需理論換熱面積為854.62 m2，設(shè)計結(jié)構(gòu)下的實(shí)際換熱面積為957.56 m2。③SCV管程壓降為24.904 kPa。計算結(jié)果表明此SCV換熱效率較高、管內(nèi)流體流態(tài)正常及設(shè)計結(jié)構(gòu)合理,可滿足換熱要求。此設(shè)計結(jié)構(gòu)與類似工況進(jìn)口設(shè)備的換熱面積及結(jié)構(gòu)形式基本一致，結(jié)果可為SCV研發(fā)提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對同類型設(shè)備的研發(fā)、優(yōu)化設(shè)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(chǎn)物對環(huán)境污染少，被認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)潔凈的燃料，在能源、交通等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(tài)時的1/600左右，有利于儲存和運(yùn)輸[2]。LNG需要?dú)饣⒒謴?fù)到常溫后方可使用。LNG氣化器是專門用于LNG氣化的設(shè)備，是LNG工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的熱交換器，也是LNG接收站的關(guān)鍵設(shè)備之一。LNG是低溫流體，要使其轉(zhuǎn)變?yōu)槌貧怏w，必須依靠氣化器提供相應(yīng)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(jù)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(jìn)行調(diào)節(jié)，且啟動速度快，能對負(fù)荷的突然變化及時做出反應(yīng)。SCV主要用于緊急情況或調(diào)峰的快速反應(yīng),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(zhì)傳熱的氣化器(intermediate fluid vaporizer，IFV)。ORV可在0～100%的負(fù)荷運(yùn)行，用于基本負(fù)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(zhì)作中間傳熱流體，實(shí)際傳熱過程是由LNG與丙烷等中間介質(zhì)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(qiáng)制通風(fēng)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(yīng)首選SCV：①當(dāng)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(fù)荷突變能及時反應(yīng)、投入成本低，作為調(diào)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(yīng)用于LNG接收站調(diào)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(tài)無色流體，主要成分為體積分?jǐn)?shù)為85%～95%的甲烷(CH4)，其余為少量的乙烷、丙烷、氮?dú)饣蛲ǔ４嬖谟谔烊粴庵械钠渌M分，幾乎不含水、硫、二氧化碳等物質(zhì)。

典型實(shí)例LNG的組分見表1，典型實(shí)例LNG的指標(biāo)參數(shù)見表2[4]。表2中，標(biāo)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?jǐn)?shù)) %

表2 LNG實(shí)例相關(guān)參數(shù)

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(nèi)迅速調(diào)節(jié)，對負(fù)荷突然變化快速做出反應(yīng)，特別適用于負(fù)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(diào)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(yīng)數(shù)量的SCV以備用氣負(fù)荷激增的情況，提高系統(tǒng)的應(yīng)變能力[5]。

SCV由換熱管束、水浴、浸沒燃燒器、燃燒室和鼓風(fēng)機(jī)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(chǎn)生的熱煙氣和水浴直接進(jìn)行熱質(zhì)交換，均勻地對水浴加熱[7]。換熱管束浸沒在水浴中，管內(nèi)的LNG被水浴槽內(nèi)的熱水浴加熱并氣化。熱水循環(huán)流動，運(yùn)用氣體提升原理，管外部獲得激烈的循環(huán)水流，這使得SCV熱效率非常高。

以LNG實(shí)例2為例，用HYSYS對LNG的氣化過程進(jìn)行工藝模擬，發(fā)現(xiàn)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(qū)(即沸騰區(qū)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(qū)。文中將LNG氣化區(qū)域分為單相液區(qū)和單相氣區(qū)[8]，對部分計算數(shù)據(jù)也分為單相液區(qū)和單相氣區(qū)來討論。

3 SCV設(shè)計實(shí)例參數(shù)

3.1

換熱管結(jié)構(gòu)選擇[9]

根據(jù)處理量、介質(zhì)特性以及熱交換器管路置于水浴液位以下的特點(diǎn)，選擇材質(zhì)為S30408奧氏體不銹鋼管、規(guī)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(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

圖4 單根換熱管結(jié)構(gòu)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(shè)計參數(shù)[11]

根據(jù)目前國內(nèi)外LNG的儲存溫度、同類產(chǎn)品的設(shè)計和操作參數(shù)以及LNG的物性，考慮氣化器產(chǎn)品的適用范圍和LNG氣化后的外輸壓力要求，文中按照常規(guī)設(shè)計條件的設(shè)計參數(shù)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(qū)熱流量Φ1=24.4 MW，單相氣區(qū)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(nèi)最大壓降Δpmax=200 kPa。換熱管內(nèi)、外污垢熱阻Ri=Ro=0.000 176( m2·K)/W。

(3)管內(nèi)流體單相液區(qū)導(dǎo)熱系數(shù)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(nèi)流體單相氣區(qū)導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)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(nèi)徑di=0.021 4 m，數(shù)量n=200，單程直管管長Ls=7.5 m，單根換熱管程數(shù)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(guī)格(長度×寬度)為8.5 m×3 m，管壁導(dǎo)熱系數(shù)λ=16.3 W/(m·K)。

(6)燃?xì)飧邿嶂礖=53.16 MJ/kg，水浴密度ρo=1 015 kg/m3，燃?xì)饷芏圈裦=0.7 kg/m3，燃?xì)鉄嵝师?95%。

4 SCV計算過程

4.1

實(shí)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(nèi)流體對流傳熱系數(shù)αi

本例中Rei>104，αi按下式計算[12]：

(2)

其中

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

對單相液區(qū)進(jìn)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(qū)進(jìn)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(shù)αo

管外水浴流速u0按照下式計算：

其中

(3)

式中，Qf為燃?xì)庥昧?，m3/s；S0為管外水浴流通面積，m2。

浸沒燃燒器產(chǎn)生的熱煙氣和水直接進(jìn)行熱量交換，即雙組分、兩相流傳熱。水的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)比熱煙氣的傳熱系數(shù)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(jù)文獻(xiàn)[13]中的道爾頓定律及文獻(xiàn)[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(shù)，Reo為管外水浴雷諾數(shù)，Pro為管外水浴普朗特數(shù)；(Pro/Prw)0.25可參照文獻(xiàn)[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(shù)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(qū)大、小溫差端的流體溫差，ΔTmax2、ΔTmin2分別為單相氣區(qū)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(qū)、單相氣區(qū)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(nèi)壓降Δp1、Δp2

Δp1、Δp2按下式計算：

(11)

(12)

式中，λf1、λf2分別為單相液區(qū)、單相氣區(qū)摩擦因數(shù)，按照文獻(xiàn)[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(nèi)總壓降Δp=Δp1+Δp2=24.904 kPa。

4.8總傳熱系數(shù)K

K按照下式計算：

(13)

其中

A=A1+A2

4.9結(jié)果分析[16-18]

通過計算結(jié)果A=854.62 m2

5 結(jié)語

隨著LNG工業(yè)的高速發(fā)展，國內(nèi)LNG的發(fā)展前景更為廣闊，SCV國產(chǎn)化工作也迫在眉睫，其工藝設(shè)計計算是LNG接收站核心設(shè)備國產(chǎn)化必需解決的問題之一。高效、快速地設(shè)計研制出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的SCV，結(jié)束其依靠進(jìn)口的現(xiàn)狀，不僅實(shí)現(xiàn)了降低設(shè)備投資的目的，同時提高了社會效益和經(jīng)濟(jì)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(xué)士，主要從事工藝系統(tǒng)及化工設(shè)備設(shè)計與研發(fā)工作。