新型LNG快速氣化裝置應(yīng)用試驗(yàn)

嚴(yán) 平 William Yang 劉 勤 張歆悅 曹偉武

1.上海工程技術(shù)大學(xué) 2. CSIRO Mineral Resources 3.上海天然氣管網(wǎng)有限公司

新型LNG快速氣化裝置應(yīng)用試驗(yàn)

嚴(yán) 平1William Yang2劉 勤3張歆悅1曹偉武1

1.上海工程技術(shù)大學(xué) 2. CSIRO Mineral Resources 3.上海天然氣管網(wǎng)有限公司

嚴(yán)平等.新型LNG快速氣化裝置應(yīng)用試驗(yàn).天然氣工業(yè)，2016, 36(12): 108-112.

液化天然氣（LNG）存在于低溫高壓環(huán)境，使用時(shí)必須先對(duì)其加熱氣化，因此LNG氣化裝置是不可缺少的重要裝備，對(duì)LNG的高效利用具有至關(guān)重要的作用。為此，研發(fā)了一種新型LNG快速氣化裝置。該裝置采用了已授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利的氣流旋水子、煙氣循環(huán)系統(tǒng)、注水系統(tǒng)等創(chuàng)新技術(shù)，確保了裝置的運(yùn)行安全、提高了運(yùn)行效率。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)取得成功的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造了工業(yè)性應(yīng)用裝置，并進(jìn)行了試驗(yàn)以驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)的合理性。試驗(yàn)結(jié)果表明：①新型LNG快速氣化裝置的效率、排煙損失、散熱損失、自身燃料耗氣率等都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，當(dāng)負(fù)荷為1 800～2 200 m3/h時(shí)，效率均超過(guò)95%；當(dāng)負(fù)荷為1 976.0 m3/h接近設(shè)計(jì)負(fù)荷2 000 m3/h時(shí)，效率為96.34%，最大負(fù)荷可達(dá)2 800 m3/h；②裝置的負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)，且能適應(yīng)外界用氣負(fù)荷迅速增大的情況；③該裝置的自身燃料耗氣率低，僅為1.5%，符合節(jié)能要求。結(jié)論認(rèn)為，該裝置熱效率高、啟動(dòng)快、氣化速率高、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，不受環(huán)境條件影響，適用于天然氣供氣管網(wǎng)中因各種原因無(wú)法連網(wǎng)的相對(duì)獨(dú)立的中小規(guī)模區(qū)域。

新型LNG氣化裝置 啟動(dòng)快 氣化速率高 傘型氣流旋水子 煙氣循環(huán) 注水系統(tǒng) 應(yīng)用試驗(yàn)

天然氣因其高效、清潔、儲(chǔ)運(yùn)使用便利而得到了廣泛應(yīng)用，但在城鎮(zhèn)或不適宜大規(guī)模連網(wǎng)的區(qū)域，常以LNG作為氣源獨(dú)立建網(wǎng)；在管網(wǎng)調(diào)峰或需應(yīng)急儲(chǔ)備的區(qū)域，也常以LNG 作為儲(chǔ)備氣源的首選。而LNG存在于低溫高壓環(huán)境，為確保LNG快速氣化投入使用，這些系統(tǒng)必須配置LNG加熱氣化裝置[1-5]。為此，研制了一種啟動(dòng)快、氣化速率高、不受環(huán)境約束的新型LNG快速氣化裝置，并進(jìn)行了應(yīng)用性試驗(yàn)，其效果令人滿(mǎn)意。

1 新型LNG快速氣化裝置的工作原理

圖1為新型LNG快速氣化工業(yè)性應(yīng)用試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。如圖1所示，燃料在燃燒室內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?，高溫?zé)煔鈴臒煔鈬娮旄咚賴(lài)姵觯瑳_擊安裝在噴嘴正下方、下部浸沒(méi)于水中的氣流旋水子，在氣流旋水子圓弧形曲面的引導(dǎo)下，煙氣切向沖擊水面濺出水滴水霧，同時(shí)加熱蒸發(fā)出水蒸氣，在引風(fēng)機(jī)的引導(dǎo)下，夾帶著水分的煙氣向上流動(dòng)進(jìn)入裝置外殼與燃燒室外壁之間的環(huán)形通道，通道內(nèi)安裝著上盤(pán)管，在流經(jīng)上盤(pán)管時(shí)，煙氣與在管內(nèi)流動(dòng)的LNG換熱后，部分經(jīng)煙囪排入大氣，部分進(jìn)入循環(huán)煙氣夾套，回到錐形噴嘴中與燃燒煙氣混合后一起噴出噴嘴，以強(qiáng)化煙氣流沖擊水面的效果。通過(guò)這種方式，可控制進(jìn)入上盤(pán)管的煙氣溫度，以確保煙溫低于加熱LNG的安全溫度，保證裝置安全運(yùn)行；同時(shí)可控制煙氣濕度，使煙氣中的水蒸氣在流經(jīng)上盤(pán)管時(shí)發(fā)生相變而強(qiáng)化傳熱。裝置傳熱面設(shè)計(jì)為上下螺旋盤(pán)管形式，上盤(pán)管?chē)@燃燒室外筒自下而上盤(pán)旋，用于加熱氣化LNG；下盤(pán)管浸沒(méi)在水池中，用于加熱已氣化了的天然氣，使其達(dá)到工藝參數(shù)，應(yīng)用于工程實(shí)際[6-9]。

圖1 新型LNG快速氣化工業(yè)性應(yīng)用試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 新型LNG快速氣化裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及創(chuàng)新

為實(shí)現(xiàn)上述工作原理，新型LNG快速氣化裝置設(shè)置了獨(dú)特的燃燒加熱和煙氣循環(huán)系統(tǒng)、換熱面布置和工質(zhì)流程系統(tǒng)、水系統(tǒng)等，其中傘型氣流旋水子、燃燒室內(nèi)外筒、錐形煙氣噴嘴、煙氣再循環(huán)系統(tǒng)和自動(dòng)注水系統(tǒng)等是創(chuàng)新設(shè)計(jì)，已獲得3項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)[10-12]。

2.1創(chuàng)新設(shè)計(jì)的氣流旋水子

圖2 氣流旋水子的效果示意圖

氣流旋水子是原始創(chuàng)新技術(shù)，是新型LNG氣化裝置的關(guān)鍵部件，其外形圓弧曲線和安裝位置保證了垂直向下的煙氣流轉(zhuǎn)成切向沖擊水面，實(shí)現(xiàn)了高溫?zé)煔饨禍卦鰸竦哪康?。?dāng)從錐形噴嘴噴出的高溫?zé)煔鉀_擊氣流旋水子時(shí)，沿著其圓弧表面高速流動(dòng)，轉(zhuǎn)成切向沖擊水面，濺出并卷吸水滴水霧形成帶水煙氣向上流動(dòng)，在此過(guò)程中水分吸熱蒸發(fā)，煙氣放熱降溫，隨后進(jìn)入裝有上盤(pán)管的換熱區(qū)域，與管內(nèi)的LNG換熱。該技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)：①通過(guò)高溫?zé)煔馀c水大面積接觸產(chǎn)生熱質(zhì)交換，適當(dāng)降低了煙溫，使煙溫控制在天然氣燃點(diǎn)溫度以下[13]，確保LNG氣化裝置的安全運(yùn)行；②使受熱面內(nèi)外的工質(zhì)溫差不致過(guò)大，以避免管壁熱應(yīng)力損壞；③煙氣中的水蒸氣在換熱時(shí)發(fā)生凝結(jié)放熱，以有效提高傳熱效果。圖2為氣流旋水子的效果示意圖。

2.2創(chuàng)新設(shè)計(jì)煙氣再循環(huán)系統(tǒng)

煙氣再循環(huán)系統(tǒng)是裝置的創(chuàng)新技術(shù)，它與氣流旋水子一起保證了煙氣沖擊液面濺起水滴的效果。為了提高噴嘴出口的煙氣流速，保證沖擊效果，在燃燒室外設(shè)計(jì)一個(gè)同心圓筒，構(gòu)成一個(gè)環(huán)形通道，上端與循環(huán)煙氣入口連接，下端與錐形噴嘴連接，該環(huán)形通道作為煙氣循環(huán)煙道，將部分煙氣送回氣化裝置成為循環(huán)煙氣與燃燒煙氣混合，以提高噴口處的煙氣速度，強(qiáng)化煙氣沖擊水面的力度。該技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)：①使循環(huán)煙氣與燃燒煙氣在錐形噴嘴中充分混合并高速?lài)姵?，有效地增大了煙速，提高了沖擊力度；②促進(jìn)煙氣向水池的放熱，利于下盤(pán)管的換熱；③通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)煙氣量，能有效地控制煙氣溫度以調(diào)節(jié)裝置運(yùn)行；④低溫再循環(huán)煙氣的冷卻作用，保護(hù)燃燒室外壁不致超溫[14-15]。

2.3創(chuàng)新設(shè)計(jì)注水系統(tǒng)

注水系統(tǒng)是裝置的創(chuàng)新技術(shù)，是確保水池水位的關(guān)鍵。在循環(huán)煙氣通道頂部，沿燃燒室外壁設(shè)計(jì)布置了注水管，注水管為開(kāi)有均勻小孔的圓環(huán)形不銹鋼管，管外裹有細(xì)不銹鋼絲網(wǎng)，確保水從小孔中噴出后沿鋼絲網(wǎng)均勻擴(kuò)散。該技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)：①確保水池水位，不致水位過(guò)低而影響煙氣濺出水滴的效果；②注入水的冷卻作用也保護(hù)燃燒室外壁不致超溫；③注入水蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣與混合煙氣流一起從噴口射出，也增強(qiáng)了煙氣的沖擊力。

3 LNG快速氣化裝置工業(yè)性應(yīng)用試驗(yàn)研究

LNG快速氣化工業(yè)性應(yīng)用試驗(yàn)系統(tǒng)建立在某天然氣管網(wǎng)有限公司所屬的LNG站內(nèi)，該LNG站的任務(wù)是：將天然氣供氣管網(wǎng)在低谷時(shí)多余的天然氣液化成LNG貯存?zhèn)溆没驅(qū)ν夤?yīng)，在應(yīng)急時(shí)將LNG氣化補(bǔ)充管網(wǎng)供氣。顯然，試驗(yàn)系統(tǒng)建立在該站內(nèi)能確保LNG供應(yīng)穩(wěn)定，氣化后的天然氣能納入該站的進(jìn)氣管道，從而形成一個(gè)封閉的試驗(yàn)介質(zhì)循環(huán)回路，對(duì)LNG快速氣化裝置工業(yè)性試驗(yàn)十分有利。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由裝置本體、燃?xì)夤┙o系統(tǒng)、LNG供給系統(tǒng)、氣化后的天然氣回流系統(tǒng)、補(bǔ)給水系統(tǒng)、煙氣循環(huán)系統(tǒng)、儀表測(cè)試及自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖3所示。

圖3 LNG快速氣化裝置工業(yè)性應(yīng)用試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

試驗(yàn)用的LNG快速氣化工業(yè)性應(yīng)用裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)為：額定負(fù)荷為2 000 m3/h，LNG進(jìn)口壓力為0.5～0.6 MPa，天然氣出口壓力為0.4～0.5 MPa，天然氣出口溫度為5～15 ℃，所用燃料為管道天然氣；以此進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，該裝置的設(shè)計(jì)效率為95.33%，排煙損失和散熱損失分別2.67%和1.5%，裝置的自身耗氣率為1.44%。

試驗(yàn)以LNG快速氣化裝置的負(fù)荷為基準(zhǔn)做了5個(gè)工況，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 LNG快速氣化裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1驗(yàn)證新型LNG快速氣化裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)

由表1可知：①裝置的試驗(yàn)負(fù)荷范圍為1 744～2 808 m3/h，與設(shè)計(jì)值2 000 m3/h相比，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，尤其是其上限達(dá)到了140%額定負(fù)荷；②氣化后天然氣出口溫度試驗(yàn)范圍為2.7～23.6℃，與設(shè)計(jì)值5～15 ℃相比，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，且其溫度上限達(dá)到了157%；③LNG進(jìn)口壓力的試驗(yàn)范圍為0.537～0.598 MPa，與設(shè)計(jì)值0.5～0.6 MPa相比，其上限基本相當(dāng)，可認(rèn)為達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但下限高于設(shè)計(jì)值0.5 MPa；④氣化后天然氣出口壓力試驗(yàn)范圍為0.502～0.546 MPa，與設(shè)計(jì)值0.4～0.5 MPa相比，上限達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，下限也高于設(shè)計(jì)值0.4 MPa。試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)壓力無(wú)法降低的原因：試驗(yàn)系統(tǒng)的氣化天然氣出口與LNG站天然氣進(jìn)氣管網(wǎng)相連，試驗(yàn)系統(tǒng)的背壓即LNG站進(jìn)氣壓力，因LNG站的進(jìn)氣壓力無(wú)法降低。因此無(wú)法降低試驗(yàn)系統(tǒng)壓力進(jìn)行試驗(yàn)。但分析認(rèn)為，這并不影響LNG快速氣化裝置的工作性能，因?yàn)榫蜌饣b置而言，出口背壓降低，必然使負(fù)荷調(diào)節(jié)幅度增大，這對(duì)氣化裝置的運(yùn)行更有益。由此可見(jiàn)，試驗(yàn)用LNG快速氣化裝置達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4.2新型LNG快速氣化裝置的效率

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)LNG快速氣化裝置在各工況下運(yùn)行時(shí)的正、反平衡效率及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。計(jì)算結(jié)果表明：各工況下正、反平衡效率的誤差均小于2%。因此計(jì)算結(jié)果有效。按規(guī)定，裝置效率以正平衡效率為準(zhǔn)。

表2 LNG快速氣化裝置計(jì)算數(shù)據(jù)匯總表

圖4顯示了裝置效率與負(fù)荷的變化關(guān)系，當(dāng)負(fù)荷為1 976.0 m3/h時(shí)，效率達(dá)到峰值96.34%，高于設(shè)計(jì)值95.33%；當(dāng)負(fù)荷為1 744～2 228 m3/h時(shí)，效率均超過(guò)95%，可以認(rèn)為L(zhǎng)NG快速氣化裝置在該負(fù)荷范圍內(nèi)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可見(jiàn)，裝置的負(fù)荷適應(yīng)能力較強(qiáng)。但隨著負(fù)荷繼續(xù)升高，裝置超負(fù)荷運(yùn)行逐漸加大，其效率逐漸下降，當(dāng)負(fù)荷為2 551～2 808 m3/ h時(shí)，效率分別為94.38%和93.20%，均低于設(shè)計(jì)要求；但應(yīng)指出的是：此時(shí)裝置負(fù)荷達(dá)到140%，在實(shí)際運(yùn)用中，當(dāng)外界用氣需求大幅上漲必須緊急供氣時(shí)，適當(dāng)降低效率而滿(mǎn)足供氣需求有時(shí)是可以接受的，此時(shí)LNG快速氣化裝置的作用更為顯著。

圖4 LNG快速氣化裝置效率與負(fù)荷的關(guān)系曲線圖

4.3新型LNG快速氣化裝置的排煙損失、散熱損失、自身耗氣率

裝置排煙損失的設(shè)計(jì)值為2.67%，試驗(yàn)值如表2所示：當(dāng)負(fù)荷為1 976.0 m3/h（工況2）接近設(shè)計(jì)值2 000 m3/h時(shí)，排煙損失為2.66%，與設(shè)計(jì)值相符。但在負(fù)荷偏離設(shè)計(jì)值，尤其在超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，裝置的排煙損失上升很快，導(dǎo)致裝置效率迅速下降，這是因?yàn)樵诘拓?fù)荷時(shí)，為維持爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定，燃料量并不隨負(fù)荷下降而同步減少，其結(jié)果必然導(dǎo)致排煙溫度上升；而在高負(fù)荷時(shí)，隨著燃料量增加，雖然工質(zhì)吸熱量增加，但由于傳熱效果等各種因素的影響，吸熱量并不隨燃料量的增加而同步上升，其結(jié)果必然導(dǎo)致排煙溫度和排煙量迅速上升。顯然，排煙損失是影響裝置效率的主要因素，控制排煙溫度能夠有效提高裝置效率。

裝置散熱損失的設(shè)計(jì)值為1.5%，試驗(yàn)值如表2所示：在負(fù)荷接近設(shè)計(jì)值時(shí)（工況2）為0.05%，與設(shè)計(jì)值相比，幾乎可以忽略；在負(fù)荷偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，散熱損失均有所上升，但與設(shè)計(jì)值相比均可忽略，可見(jiàn)，試驗(yàn)表明裝置的散熱損失很小，這是因?yàn)檠b置的設(shè)計(jì)保證了裝置外壁溫度很低，因而有效地降低了散熱損失。

裝置自身耗氣率的設(shè)計(jì)值為1.44%，試驗(yàn)值如表2所示：在負(fù)荷接近設(shè)計(jì)值時(shí)（工況2）為1.46%，與設(shè)計(jì)值相比，幾乎相當(dāng)，可以認(rèn)為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；在低負(fù)荷時(shí)，自身耗氣率增大，因?yàn)橐３譅t內(nèi)燃燒穩(wěn)定，燃料量不能同步下降；在高負(fù)荷時(shí)，自身耗氣率變化不大，可見(jiàn)，裝置節(jié)能效果較好。

5 結(jié)論

1）新型LNG快速氣化裝置是一種采用氣流旋水子、煙氣再循環(huán)系統(tǒng)、注水系統(tǒng)等多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的全新設(shè)施，已在工業(yè)性應(yīng)用試驗(yàn)上獲得成功，各試驗(yàn)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值；該裝置適用于相對(duì)獨(dú)立的中小規(guī)模區(qū)域、需特殊供氣參數(shù)的區(qū)域、需應(yīng)急儲(chǔ)備供氣區(qū)域等以LNG作為供氣源的場(chǎng)合。

2）試驗(yàn)結(jié)果表明：裝置負(fù)荷為1 976.0 m3/h時(shí)，效率達(dá)到峰值96.34%；當(dāng)負(fù)荷在1 800～2 200 m3/h之間時(shí)，效率均超過(guò)95%，可見(jiàn)，LNG氣化裝置的負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)，最大負(fù)荷可達(dá)2 800 m3/h，能適應(yīng)外界用氣負(fù)荷迅速增大的情況。

3）試驗(yàn)結(jié)果表明：影響裝置效率的主要因素為排煙損失，裝置的散熱損失幾乎可以忽略；裝置自身耗氣率僅為1.46%，符合節(jié)能環(huán)保要求。

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（修改回稿日期 2016-09-06 編 輯何 明）

Application tests of a new-type LNG rapid gasification unit

Yan Ping1, William Yang2, Liu Qin3, Zhang Xinyue1, Cao Weiwu1
(1. Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China; 2. CSIRO Mineral Resources, Victoria 3168, Australia; 3. Shanghai Natural Gas Pipeline Network Co., Ltd., Shanghai 201204, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 12, pp.108-112, 12/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Liquefied natural gas (LNG) is stored under low temperature and high pressure. It has to be gasified before it is used. Therefore, LNG gasification unit is essential and it is vital to the high-efficiency utilization of LNG. In this paper, a new-type LNG rapid gasification unit was developed. Adopted in this unit are some innovative technologies authorized with the national patent of invention, such as the umbrella-shape gas flow circle unit, the flue gas circulation system and the water feed system, which help to guarantee its operation safety and increase its operation efficiency. After it was justified in lab test, the unit for industrial application was designed and manufactured and then tested to verify its design rationality. The results show that the new-type LNG rapid gasification unit meets the design requirements in the aspect of efficiency, exhaust gas loss, radiation loss and fuel gas consumption rate; at a load of 1 800–2 200 m3/h, its efficiency is over 95%; at a load of 1 976.0 m3/h which is close to the design value of 2 000 m3/h, its efficiency is 96.34% or even up to 2 800 m3/h; that this new-type LNG rapid gasification unit is adaptable to a large range of loads and can adapt to the rapid increase of external load; that its fuel gas consumption rate is only 1.5%, which is in the range of energy conservation; and that it presents the advantages of high heating efficiency, rapid startup, high gasification rate, compact structure, small land occupation and invulnerability to the environment, therefore, it is applicable to the middle and small independent regions which cannot be connected to the natural gas supply pipeline networks due to various reasons.

New-type LNG gasification unit; Rapid startup; High gasification rate; Umbrella-shape gas flow circle unit; Flue gas circulation; Water feed system; Application test

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.12.015

上海市科委重點(diǎn)支撐國(guó)際合作項(xiàng)目“新型LNG加熱氣化裝置流場(chǎng)溫度場(chǎng)優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究”（編號(hào)：13160501100）。

嚴(yán)平，女，1963年生，教授級(jí)高級(jí)工程師；主要從事天然氣引射輸配、預(yù)熱加熱和LNG快速氣化裝置方面的研發(fā)工作。地址：（201620）上海市龍騰路333號(hào)上海工程技術(shù)大學(xué)能源與環(huán)境工程研究所。電話：（021）67791175，13901935436。ORCID:0000-0002-1907-8559。E-mail:pingy@yeah.net

William Yang, born in 1963, principal research scientist, PhD; Received his doctorate degree in 2002 from Swinburne University of Technology; Mainly engaged in mechanical, biomedical engineering and measurement techniques research and development work. Address: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), Bayview Avenue, Clayton, Victoria 3168, Australia. Tel: +61 3 95458722, +61 467812042。ORCID: 0000-0002-7630-0419。E-mail: william.yang@csiro.au