LNG纏繞管水浴式氣化器防結(jié)冰分析及對(duì)策

吳曉紅 陳永東 李 志

（合肥通用機(jī)械研究院國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心 合肥市）

一、前言

液化天然氣（以下簡(jiǎn)稱LNG）接收站和氣化站中，使用了不同類型的LNG氣化器。我國(guó)沿海大型天然氣接收站的LNG氣化器型式主要有開(kāi)架式氣化器、中間流體型氣化器和浸沒(méi)燃燒式氣化器，目前這3類氣化器仍依賴于進(jìn)口。在中小城市及距離氣源地較遠(yuǎn)的小型天然氣接收站和氣化站（俗稱LNG衛(wèi)星站）使用的氣化器，主要是空溫式氣化器和水浴式氣化器。

空溫式氣化器雖然熱效率低，但運(yùn)行成本也低，經(jīng)常作為衛(wèi)星站內(nèi)的基本負(fù)荷型氣化器，因其對(duì)環(huán)境溫度極為敏感，冬天易結(jié)冰，在我國(guó)北方地區(qū)的使用受到一定限制，同時(shí)因其占地面積大，在土地資源有限的區(qū)域的使用也受到限制。纏繞管水浴式氣化器因傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，在我國(guó)南方的LNG電廠工程中不斷地獲得應(yīng)用，氣化能力40 000 m3/h氣化器的占地面積只有2 m×2 m。

當(dāng)下土地資源非常有限，這種節(jié)約非常有意義，如何讓這種高效緊湊的換熱器在各種工況下可靠地運(yùn)行，尤其水浴溫度較低時(shí)仍能安全運(yùn)行，避免結(jié)冰就變得非常重要。

二、水浴式氣化器工況及結(jié)構(gòu)（圖1）

一臺(tái)在用LNG水浴式氣化器設(shè)計(jì)氣化量40 000 m3/h，LNG進(jìn)口溫度約-150℃，出口溫度≥1℃，水浴側(cè)水來(lái)源于系統(tǒng)的循環(huán)水，進(jìn)水溫度正常運(yùn)行時(shí)在25℃左右。因LNG為低溫介質(zhì)，設(shè)備材料采用奧氏體不銹鋼。為了克服溫差應(yīng)力對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的不利影響，主體結(jié)構(gòu)采用螺旋纏繞式換熱器結(jié)構(gòu)。LNG從底部管箱進(jìn)入，在螺旋纏繞管內(nèi)受熱氣化后從頂部排出，循環(huán)水在殼程加熱管內(nèi)天然氣。該管束結(jié)構(gòu)緊湊、熱補(bǔ)償效果好、抗振動(dòng)性能佳。

三、氣化器結(jié)冰機(jī)理分析

氣化器在運(yùn)行時(shí)，有時(shí)會(huì)遇上極端天氣，引起循環(huán)水溫度下降，如何避免結(jié)冰產(chǎn)生運(yùn)行事故，同時(shí)又使得氣化器盡可能在較高的負(fù)荷下運(yùn)行，確保生產(chǎn)進(jìn)行，預(yù)測(cè)氣化量和循環(huán)水溫度的關(guān)系就非常關(guān)鍵，為系統(tǒng)應(yīng)急處理提供科學(xué)依據(jù)。

纏繞管換熱器中水走殼程，水在操作壓力1.5 MPa時(shí)，經(jīng)計(jì)算得到其冰點(diǎn)為-0.11℃。氣化器的進(jìn)口區(qū)域換熱管內(nèi)LNG低達(dá)-150℃，因此需特別關(guān)注進(jìn)口區(qū)域水側(cè)傳熱表面溫度，殼程中的水接受的冷能來(lái)源于換熱管內(nèi)的LNG，因此控制換熱管外表面的壁溫＞0℃，殼程內(nèi)的水就不會(huì)結(jié)冰了，同時(shí)對(duì)水量進(jìn)行核算，以控制水側(cè)出口水溫＞0℃。

圖1 纏繞管式水浴式LNG氣化器結(jié)構(gòu)示意圖

四、換熱管外側(cè)壁溫分析與計(jì)算

1.未考慮污垢的換熱管外表面溫度

結(jié)合纏繞管式換熱器的傳熱特點(diǎn)，對(duì)換熱管外表面壁溫進(jìn)行分析。纏繞管換熱器內(nèi)的傳熱屬于間壁式傳熱，間壁式換熱器在沒(méi)有污垢的情況下，傳熱模型如圖2所示，冷熱流體分別處在固體壁的兩側(cè)，熱流體把熱量傳遞到固體壁的一側(cè)，通過(guò)固體壁的導(dǎo)熱后，再?gòu)墓腆w壁的另一側(cè)把熱量傳遞給冷流體。

纏繞管式氣化器中入口區(qū)域的傳熱方式主要是對(duì)流和導(dǎo)熱，針對(duì)圖2的傳熱模型，冷熱流體和傳熱表面的熱量交換為對(duì)流換熱，熱量從固體壁的一側(cè)通過(guò)導(dǎo)熱傳遞到固體壁的另一側(cè)，根據(jù)牛頓冷卻定律和傅里葉導(dǎo)熱定律，獲得熱流密度q的關(guān)系式（1）、（2）、（3）。

圖2 無(wú)污垢間壁傳熱模型

式中 αh——熱流體側(cè)膜傳熱系數(shù)，W/m2·℃

th——熱流體溫度，℃

thw——熱流體側(cè)換熱管表面壁溫，℃

λ——換熱管材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃。

δ——換熱管壁厚，m

tcw——冷流體側(cè)換熱管表面壁溫，℃

αc——冷流體側(cè)膜傳熱系數(shù)，W/m2·℃

tc——冷流體溫度，℃

分析（1）、（2）、（3）式，求得換熱管傳熱表面溫度thw和tcw，表達(dá)式見(jiàn)式（4）、（5）。

通過(guò)傳熱計(jì)算獲得LNG不同流量下的膜傳熱系數(shù)αc和水側(cè)膜傳熱系數(shù)αh，聯(lián)立（4）式，得到在維持換熱管外壁溫度＞0℃的條件下，不同水溫對(duì)應(yīng)的最大氣化量數(shù)值見(jiàn)表1。前述的LNG纏繞管式水浴氣化器，依據(jù)水溫按照表1推薦的氣化量進(jìn)行調(diào)節(jié)，順利越冬。如增大殼程水流量，殼程膜傳熱系數(shù)變大，此時(shí)換熱管外表面溫度見(jiàn)表2。從表2中可以獲悉，換熱管外壁溫度提高了，即增大殼程水流量有利于防止結(jié)冰。

2.換熱管外污垢表面溫度分析

氣化器使用一段時(shí)間后，管壁上會(huì)結(jié)垢，結(jié)垢影響換熱管的傳熱，考慮污垢的傳熱模型如圖3所示。

參考金屬壁導(dǎo)熱熱阻的定義，可獲得如下的污垢熱阻的表達(dá)式，見(jiàn)式（6）、（7）。

表1 不同水溫對(duì)應(yīng)的最大氣化量

表2 增大殼程流量后換熱管外壁溫度

式中 Rc——冷側(cè)流體形成的污垢熱阻，m2·℃/W

δc——冷流體側(cè)污垢厚度

δh——熱流體側(cè)污垢厚度

λc、λh——分別為冷、熱側(cè)污垢的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K

Rh——熱側(cè)流體形成的污垢熱阻，m2·℃/W

針對(duì)傳熱模型2，根據(jù)牛頓冷卻定律和傅里葉導(dǎo)熱定律，除了獲得（1）、（3）的熱流密度關(guān)系式，還需補(bǔ)充污垢?jìng)鳠崦娴臒崃髅芏汝P(guān)系式，見(jiàn)式 （8）、（9）、（10）。

圖3 考慮污垢的傳熱模型

式中 thw——熱流體側(cè)換熱管污垢表面壁溫，℃

t22——熱流體側(cè)污垢層和金屬傳熱表面界面處溫度，℃

t11——冷流體側(cè)污垢層和金屬傳熱表面界面處溫度，℃

tcw——冷流體側(cè)換熱管污垢表面壁溫，℃

分析式（1）、（3）、（8）、（9）、（10），求得換熱管壁污垢表面的壁溫表達(dá)式，見(jiàn)式（11）、（12）。

比較（4）和（11）式，（5）和（12）式可見(jiàn)，由于污垢的存在，和流體接觸的換熱表面的溫度發(fā)生了變化，對(duì)各工況進(jìn)行計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以得到，相對(duì)于新?lián)Q熱器（無(wú)污垢）的換熱管外壁溫度，和水接觸的污垢表面溫度有所提高，即污垢形成后，傳熱阻力增加，換熱管內(nèi)的冷能更不易傳遞給熱流體。

表3 LNG流量和換熱管外污垢表面溫度表

3.流動(dòng)方式對(duì)水浴式氣化器進(jìn)口區(qū)域換熱管外壁溫度的影響

換熱器內(nèi)，冷熱流體流動(dòng)方式常見(jiàn)的有并流和逆流形式，如采用并聯(lián)方式，LNG進(jìn)口區(qū)域熱側(cè)溫度為最大值，由壁溫公式表達(dá)式可以得出，此種流動(dòng)方式換熱管外壁溫度較高。該汽化器流動(dòng)方式為并聯(lián)流動(dòng)。

4.不同介質(zhì)凝固點(diǎn)的比較

除了水以外，水和乙二醇的混合溶液也常用來(lái)加熱低溫流體，不同配比可獲得不同的冰點(diǎn)，見(jiàn)表4。從表4可知，此溶液冰點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水的冰點(diǎn)，可供不同場(chǎng)合應(yīng)用。

表4 不同配比可獲得不同的冰點(diǎn)

五、結(jié)論

經(jīng)前述分析和研究，得到LNG纏繞管水浴式氣化器防結(jié)冰結(jié)論。水浴溫度偏離正常工況下降后，應(yīng)及時(shí)調(diào)整LNG的氣化量，防止氣化器水浴側(cè)結(jié)冰，表1給出了某在役氣化器水溫度和氣化量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

防止結(jié)冰的關(guān)鍵是控制和水接觸表面的溫度大于水的冰點(diǎn)，從式（1）、（11）壁溫表達(dá)式分析，th、tc位于壁溫表達(dá)式的分子，因此提高入口區(qū)域的th、tc，可以有效提高換熱管外壁溫度。由于LNG一般存儲(chǔ)于儲(chǔ)罐中，tc溫度一般較為固定，如采用并聯(lián)流程，可以使管程進(jìn)口區(qū)域的th獲得最大值，有利于提高換熱管外壁的溫度。提高熱側(cè)介質(zhì)的溫度，在殼程水溫較低的情況下，利用蒸汽或其他熱源加熱水，可采用兩股流纏繞式換熱器實(shí)現(xiàn)加熱流程。

降低換熱管內(nèi)LNG流量和增大殼側(cè)水流量，有利于提高換熱管外壁溫度，降低冷側(cè)的流量，也即降低了冷側(cè)的流速，雷諾數(shù)降低，通過(guò)傳熱計(jì)算可知，冷側(cè)的膜傳熱系數(shù)也會(huì)降低。同理，增加殼程水流量，殼程膜傳熱系數(shù)增大。因此通過(guò)調(diào)小LNG的流量和增大水流量，都可以達(dá)到提高管外壁溫度的目的，有利于防止結(jié)冰。

隨著運(yùn)行時(shí)間增加，污垢形成后，氣化器入口區(qū)域和水接觸的污垢?jìng)鳠岜砻鏈囟仍黾樱种平Y(jié)冰。

降低殼程介質(zhì)的冰點(diǎn)，在條件允許的情況下，可以用水乙二醇溶液替代水，根據(jù)相應(yīng)的工況，選擇不同配比的水、乙二醇溶液，有利于氣化器的正常運(yùn)行。

以上各項(xiàng)措施，不僅對(duì)LNG纏繞管水浴式氣化器防結(jié)冰有效，也可對(duì)空溫式LNG氣化器和ORV海水加熱型汽化器的防結(jié)冰預(yù)測(cè)提供參考，對(duì)其他低溫介質(zhì)氣化器的防結(jié)冰分析，均具有重要借鑒意義。