船舶LNG供氣單元汽化器結(jié)構(gòu)型式選擇

楊 波,牛志剛

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

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船舶LNG供氣單元汽化器結(jié)構(gòu)型式選擇

楊 波,牛志剛

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

考慮到汽化器作為L(zhǎng)NG使用的關(guān)鍵設(shè)備之一，對(duì)船舶的布置與性能有著重要影響，結(jié)合船用LNG汽化器的特點(diǎn)及選擇的基本要求，在中海油能源發(fā)展股份有限公司港作拖船基礎(chǔ)上，介紹汽化器計(jì)算的基本方法，為船用LNG汽化器的選擇與計(jì)算提供依據(jù)。

LNG;供氣單元；汽化器

隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的提高，天然氣的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。液化天然氣(LNG)作為船舶燃料的優(yōu)勢(shì)正逐漸被各大航運(yùn)企業(yè)、船東所認(rèn)識(shí)，船舶改用LNG作為燃料已是大勢(shì)所趨。但是國(guó)內(nèi)對(duì)于船舶LNG燃料氣系統(tǒng)的研究還處于起步階段，該系統(tǒng)的安全性、可靠性已經(jīng)引起政府監(jiān)管部門的高度重視。由于LNG存儲(chǔ)狀態(tài)下特有的物理特性(0.1 MPa，-162 ℃)，必須經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理流程才能為發(fā)動(dòng)機(jī)所用；船用LNG供氣單元正是為實(shí)現(xiàn)這一目的的系統(tǒng)集成，而其中的汽化器是其關(guān)鍵設(shè)備之一，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的供氣品質(zhì)起著至關(guān)重要的作用。結(jié)合中海油能源發(fā)展股份有限公司港作拖船(4 800 kW，采用LNG作燃料)為目標(biāo)船型，進(jìn)行燃料氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一汽化器的結(jié)構(gòu)選擇分析。

1 船用汽化器選型分析

1.1 船舶用汽化器的特點(diǎn)

船舶作為一類水上移動(dòng)的建筑物，其有著甲板以下船艙空間較狹小(非甲板以上)；圍蔽處所、封閉，空氣流動(dòng)性差；船體易發(fā)生搖擺、傾斜、晃蕩；存在鹽霧，腐蝕等特點(diǎn)。因此，對(duì)于船用汽化器應(yīng)具有一定的要求。4 800 kW港作拖輪對(duì)船用汽化器要有如下要求。

1)換熱高效，空間緊湊。

2)高可靠性，后期使用與少維護(hù)或方便(免維護(hù))。

3)全壽命周期(20～30年)(免更換)。

針對(duì)船舶上的特點(diǎn)，并充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱或海水作為熱源，另外考慮到汽化器的工藝過(guò)程中溫差較大，熱應(yīng)力的控制，換熱器的結(jié)構(gòu)等來(lái)綜合考慮選型。

管殼式換熱器是常見(jiàn)的一種結(jié)構(gòu)形式，是循環(huán)熱水水浴式汽化器的一種，但現(xiàn)有的列管式一般體積也較大，需要進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。

1)要求汽化器可靠、高效。

2)能承受汽化的壓力條件；不易結(jié)垢，少維護(hù)或免維護(hù)。

3)材料上有保證，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，制造工藝可靠，可達(dá)到同船全壽命服役。

4)能充分回收利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱，實(shí)現(xiàn)能源的充分利用，達(dá)到節(jié)能的目的。

5)由于船艙內(nèi)空間有限，供氣系統(tǒng)設(shè)備采取橇裝化設(shè)計(jì)，各設(shè)備必須緊湊、節(jié)能、高效，并有效控制危險(xiǎn)區(qū)域范圍。

1.2 采用纏繞管式換熱器的優(yōu)勢(shì)

針對(duì)以上分析，采用纏繞管式換熱器作為汽化器，纏繞管式換熱器是管殼式換熱器的一種，能滿足以下要求。

1)全部采用不銹鋼材料成熟有保證，耐低溫，無(wú)腐蝕。

2)管內(nèi)能承受高壓。

3)繞管避免了拘束結(jié)構(gòu)溫差應(yīng)力產(chǎn)生的危害，增強(qiáng)了換熱器的可靠性。

4)螺旋狀流動(dòng)使換熱得到強(qiáng)化，兩側(cè)介質(zhì)的逆流換熱，因而換熱器會(huì)更趨緊湊，高效。

5)針對(duì)LNG與缸套水換熱，介質(zhì)結(jié)垢傾向低，可達(dá)到少維護(hù)或免維護(hù)。

6)重量輕，便于安裝，設(shè)備可直接與管道相連，降低了安裝費(fèi)用。

7)采用換熱管束最小間隙設(shè)計(jì)，有效消除了湍流抖振現(xiàn)象，延長(zhǎng)了換熱器的使用壽命。

2 汽化器的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 汽化器的設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)海油發(fā)展采油服務(wù)公司4 800 kW港作拖船進(jìn)行汽化器設(shè)計(jì)分析，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 4 800 kW港作拖船汽化器的設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 汽化器的傳熱計(jì)算

纏繞管式汽化器對(duì)LNG進(jìn)行加熱時(shí)，其管側(cè)流體為L(zhǎng)NG，殼側(cè)流體為加熱介質(zhì)，如圖1所示[1]。在傳熱分析時(shí)，對(duì)LNG的3個(gè)加熱過(guò)程分段進(jìn)行計(jì)算。

圖1 繞管式汽化器結(jié)構(gòu)示圖

2.2.1 汽化器的吸熱量

在穩(wěn)定汽化過(guò)程中，按熱力學(xué)第一定律可得：

(1)

式中：Q——單位時(shí)間的吸熱量，kW；

m——單位時(shí)間內(nèi)汽化器的質(zhì)量流量，按進(jìn)口與出口相等，kg/s；

hg——在汽化器出口壓力、溫度狀態(tài)下氣體的焓，kJ/kg；

hL——在汽化器進(jìn)口壓力、溫度狀態(tài)下液體的焓，kJ/kg。

天然氣在加熱管中進(jìn)行加熱，從-162 ℃液態(tài)天然氣最終變成30 ℃的氣態(tài)天然氣，共經(jīng)歷3個(gè)熱力學(xué)過(guò)程[2]，分別為：

1)液態(tài)升溫過(guò)程。液化天然氣從液態(tài)飽和溫度-162 ℃，焓值-286.92 kJ/kg被加熱到飽和溫度-130 ℃，焓值-186.7 kJ/kg[3]，此過(guò)程吸熱量Q1為顯熱。

Q1=m(H2-H1)=12.56kW

(2)

式中：m——管內(nèi)LNG流量；

H1——-162 ℃時(shí)液態(tài)飽和天然氣焓值；

H2——-130 ℃時(shí)液態(tài)飽和天然氣焓值。

2)氣液相變過(guò)程。天然氣從-130 ℃，焓值-286.92 kJ/kg的液態(tài)被加熱為-130 ℃，焓值267.002 kJ/kg的氣態(tài)[3]，此過(guò)程吸熱量Q2為潛熱。

Q2=m(H3-H2)=56.9kW

(3)

式中：H2——-130 ℃時(shí)液態(tài)飽和天然氣焓值；

H3——-130 ℃時(shí)氣態(tài)天然氣焓值。

3)氣態(tài)升溫過(guò)程。氣態(tài)天然氣從-130 ℃，被加熱到30 ℃，焓值從267.002變?yōu)?29.308 kJ/kg[3]，屬無(wú)相變的升溫過(guò)程，吸熱量Q3為顯熱。

Q3=m(H4-H3)=45.53kW

(4)

式中：H3——-130 ℃氣態(tài)天然氣焓值；

H4——30 ℃出氣時(shí)氣態(tài)天然氣焓值。

天然氣汽化的吸熱量Q為3種加熱過(guò)程的熱量總和，即

Q=Q1+Q2+Q3=115kW

(5)

2.2.2 計(jì)算管外介質(zhì)的出口溫度

管外介質(zhì)對(duì)LNG進(jìn)行液態(tài)溫升、氣液相變、氣態(tài)溫升3個(gè)階段的加熱[1-3]。由熱平衡方程可知，管外介質(zhì)損失的熱量與LNG 3個(gè)階段吸收的熱量相同，即分別為Q1、Q2、Q3。通過(guò)流體放熱方程分別計(jì)算3個(gè)加熱階段的出水溫度t2、t3、t4[4-5]

(6)

(7)

(8)

式中：t1——入口溫度，取36 ℃；

ρ——密度，取1 079 kg/m3；

cp——比定壓熱容，取3 380 J/(kg·℃)；

V——流量，取20 m3/h。

2.2.3 對(duì)數(shù)平均溫差

由于所計(jì)算的汽化器其冷熱流體的比熱容、流量，以及傳熱系數(shù)在整個(gè)換熱面上都基本不變，因此采用對(duì)數(shù)平均溫差法進(jìn)行溫差計(jì)算。本文汽化器為逆向加熱形式，各介質(zhì)的溫度變化見(jiàn)圖2，不同加熱階段各介質(zhì)的溫度值見(jiàn)表2。

圖2 介質(zhì)溫度變化示意

加熱水/℃t4t3t2t130.3230.9433.7536天然氣/℃T1T2T3T4-162-130-13030

根據(jù)對(duì)數(shù)平均溫差法分別計(jì)算3個(gè)加熱階段的平均溫差。

2.2.4 管內(nèi)換熱系數(shù)計(jì)算

1)液態(tài)天然氣溫升段。在液態(tài)天然氣溫升段，管內(nèi)吸熱，管外介質(zhì)放熱降溫，管內(nèi)為單相液態(tài)流動(dòng)。根據(jù)《冷換工藝計(jì)算手冊(cè)》可知，對(duì)流換熱系數(shù)hL為[6]

(12)

式中：λL——液態(tài)燃料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

PrL——普朗特準(zhǔn)數(shù)；

ReL——雷諾準(zhǔn)數(shù);

di——管內(nèi)徑，m。

2)天然氣相變階段。管內(nèi)介質(zhì)蒸發(fā)段換熱系數(shù)，按對(duì)流傳熱與池內(nèi)核態(tài)傳熱兩種基理疊加方法求取流動(dòng)沸騰的膜傳熱系數(shù)[6]。

(13)

式中：hjc——對(duì)流換熱系數(shù),

hjb——池內(nèi)核態(tài)換熱系數(shù)，

其中：λL——液態(tài)燃料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

σ——液態(tài)燃料的表面張力，N·m；

p——壓力，Pa；

ρL,ρg——飽和溫度下液態(tài)與氣態(tài)燃料的密度，kg/m3。

3)氣體加熱段。氣體加熱段在管內(nèi)吸熱過(guò)熱，管外介質(zhì)繼續(xù)放熱降溫，管內(nèi)為單相氣體流動(dòng)，對(duì)流換熱系數(shù)hg為

(14)

式中：λg——?dú)鈶B(tài)燃料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

考慮流體在繞管內(nèi)的螺旋流動(dòng)，離心力的作用使流體沿圓周形成“二次流”，二次流與沿管軸向的主流運(yùn)動(dòng)相互疊加改變了管內(nèi)流動(dòng)的速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)，從而使傳熱得到了強(qiáng)化。工程上采用螺旋管的修正系數(shù)對(duì)計(jì)算出的換熱系數(shù)進(jìn)行修正。修正系數(shù)為

(15)

式中：R——螺旋管的圓心半徑, m 。

2.2.5 殼側(cè)換熱系數(shù)計(jì)算

按《冷換設(shè)備工藝計(jì)算手冊(cè)》的介紹，針對(duì)管外的傳熱，根據(jù)以下?lián)Q熱關(guān)聯(lián)式[6-7]。

Fi——管子傾斜修正系數(shù)，其指導(dǎo)公式為

其中：β——實(shí)際流動(dòng)方向偏離盤管中心線方向的角度，見(jiàn)圖3，其指導(dǎo)公式為

其中：k——盤管的特性數(shù)，左纏和右纏管層交替布置時(shí)取1，此時(shí)β為0 ；僅一個(gè)方向纏繞時(shí)，取0；

α——熱管的傾斜角度,

圖3 流體與傾斜管錯(cuò)流流動(dòng)

其中：n——流動(dòng)方向一條直線上的管排數(shù),當(dāng)n>10，可以認(rèn)為Fn=1。

2.2.6 傳熱系數(shù)計(jì)算

傳熱系數(shù)K為各熱阻和的倒數(shù)，其計(jì)算公式為[6]

(17)

(18)

式中：K——傳熱系數(shù)；

ho——以基管外表面積為基準(zhǔn)的管內(nèi)膜傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

ri——管內(nèi)壁結(jié)垢熱阻，m2·K/W；

ro——管外壁結(jié)垢熱阻，m2·K/W；

do——外徑，mm；

di——內(nèi)徑，mm。

2.2.7 面積計(jì)算

傳熱面積F的計(jì)算公式為[6,8]

(19)

(20)

F=F1+F2

(21)

式中：Q——吸熱量；

K——換熱系數(shù)；

θm——平均溫差。

2.2.8 汽化器傳熱分析結(jié)果

對(duì)采油服務(wù)公司的4 800 kW港作拖船所用汽化器進(jìn)行傳熱分析，其結(jié)果見(jiàn)表3～5。

表3 汽化器熱力設(shè)計(jì)結(jié)果

表4 汽化器的理論設(shè)計(jì)結(jié)果

表5 汽化器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 壓力損失的計(jì)算

2.3.1 殼程壓力損失

殼側(cè)壓力損失計(jì)算指導(dǎo)公式為[1,7]

(22)

式中：Δpo——?dú)?cè)壓力損失，Pa；

ρo——?dú)?cè)流體的密度，kg/m3；

n——流動(dòng)方向的管排數(shù)(即每一根傳熱管的纏繞數(shù))；

Ci——傳熱管傾斜修正系數(shù)，

Ci=(cosβ)-1.8(cosφ)1.355；

Cn——管排數(shù)修正系數(shù)，

2.3.2 管程壓力損失

管內(nèi)側(cè)壓力損失計(jì)算指導(dǎo)公式為[1]

(29)

式中：fi——摩擦系數(shù)；

Δpi——管內(nèi)側(cè)壓力損失，Pa；

ρi——管側(cè)流體的密度，kg/m3；

l——傳熱管長(zhǎng)，m。

通過(guò)以上計(jì)算，采用螺旋管設(shè)計(jì)，材料選用304；加裝中心管，增加水流對(duì)管束的沖擊，增強(qiáng)換熱效果。同時(shí)多股流設(shè)計(jì)可以提高換熱面積，增加汽化器工作的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

由于汽化器的換熱過(guò)程比較復(fù)雜，工程上可分為液態(tài)加熱段、蒸發(fā)段與氣態(tài)加熱段3個(gè)階段，分析時(shí)應(yīng)分別對(duì)3個(gè)階段進(jìn)行換熱計(jì)算。該設(shè)計(jì)、計(jì)算對(duì)繞管式汽化器應(yīng)用于船舶LNG供氣系統(tǒng)有參考價(jià)值。

[1] 尾花英朗.熱交換器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].徐中權(quán),譯.東京：烴加工出版社,1987.

[2] 汪榮順,徐芳,顧安忠,等.低溫容器穩(wěn)壓供氣研究[J].中國(guó)造船,2001(4):48-49.

[3] 管殼式換熱器:GB151—2011[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[4] 楊世銘.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社,1991.

[5] 錢頌文.換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

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On Selection of Structural Form for the Marine LNG Supply Unit Vaporizer

YANG Bo, NIU Zhi-gang

(CNOOC Energy Technology & Service-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

A vaporizer has significant influence on the arrangement and performance of ship as one of the key devices when using LNG. For?this?reason, it’s important to design a marine LNG vaporizer reasonably. The characteristics, basic selection requirements and design method of a marine LNG vaporizer were described based on tug boats of CNOOC Energy Technology & Service-Oil Production Services Corporation. The basis for selection and calculation of a marine LNG carburetor was provided.

LNG; LNG supply unit; vaporizer

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.002

2016-07-10

工信部項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝[2014]498號(hào))

楊波(1981—)，男，碩士，工程師

U664

A

1671-7953(2016)05-0006-05

修回日期：2016-08-10

研究方向:輪機(jī)

E-mail:yangbo8@cnooc.com.cn