空溫式LNG氣化器消霧的數(shù)值模擬研究

程 昊 李恩道 付子航

（中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 引言

空溫式氣化器是利用空氣作為熱源的一種氣化器，被廣泛用于LNG接收站和氣化站，其中在中國和日本主要用于氣化站，而美國主要用于接收站［1］。當(dāng)空溫式氣化器負(fù)荷增大到一定程度時(shí)，周圍空氣中的水分子凝結(jié)形成白霧，白霧阻擋場(chǎng)站內(nèi)操作工人和槽車的視線成為安全隱患，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)擴(kuò)散至周邊道路和社區(qū)對(duì)公共交通和居民生活造成影響［2-4］。隨著我國LNG衛(wèi)星站的不斷增多，空溫式氣化器應(yīng)用越來越廣泛，研究一種有效的針對(duì)空溫式氣化器的消霧措施十分必要。

1 成霧原理及消霧方法

氣化器周圍產(chǎn)生白霧的主要原理如圖1a所示［5］。當(dāng)氣化器工作時(shí)，周圍的空氣溫度下降20～30℃，聚集在氣化器底部P點(diǎn)，當(dāng)P點(diǎn)溫度降低至露點(diǎn)時(shí)，空氣中的水分子凝結(jié)形成水滴從而形成白霧，冷空氣持續(xù)生成則會(huì)導(dǎo)致白霧向外部擴(kuò)散。假設(shè)冷空氣擴(kuò)散最遠(yuǎn)處為Q點(diǎn)，Q點(diǎn)溫濕度代表當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境情況，P點(diǎn)代表氣化器下部白霧產(chǎn)生點(diǎn)，P點(diǎn)與Q點(diǎn)間的區(qū)域?yàn)榘嘴F可能擴(kuò)散的區(qū)域。如圖1b所示，P、Q在濕度—溫度圖上分別代表露點(diǎn)和未飽和點(diǎn)，PQ連線與飽和線的交點(diǎn)為B，在飽和線上體現(xiàn)為R，因此P與B連線上的區(qū)域仍處在飽和線上，這段區(qū)域?yàn)榘嘴F發(fā)生區(qū)，距離氣化器較遠(yuǎn)的Q連線區(qū)域（包括A點(diǎn)）則位于飽和線之外，不會(huì)產(chǎn)生白霧。

圖1 空溫式氣化器白霧發(fā)生區(qū)域示意圖

對(duì)于一定大氣溫度和濕度條件下的露點(diǎn)溫度，可以根據(jù)Magnus-Tetens近似法計(jì)算得到［6］：

式中，Td為露點(diǎn)溫度，℃；a，b為系數(shù)，a＝17.27，b＝237.7；T為環(huán)境溫度，℃；RH為相對(duì)濕度。

基于加快空氣流通來消霧的理念，提出兩種消霧方案：第一種是采用底部排氣的消霧方式，由風(fēng)機(jī)將霧氣抽走向上空排放，其原理如圖2a所示；第二種是頂部對(duì)流的消霧方式，如圖2b所示。

圖2 兩種排氣方案對(duì)照?qǐng)D

2 消霧方案的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬

為了獲取全面量化的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比較，采用國際上通用的ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬。以廣東省某LNG氣化站為計(jì)算對(duì)象，其所處地區(qū)環(huán)境溫度為27℃，濕度為80%，衛(wèi)星站單臺(tái)氣化器尺寸為3.5 m×3.5 m×13 m，由于氣化器結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，采用二維平面模擬，總模擬區(qū)域尺寸為100 m×50 m。

2.1 單臺(tái)氣化器正常工作的模擬

單臺(tái)氣化器工作的模擬如圖3所示，從速度矢量圖（左）可以看出，由于氣化器在空間內(nèi)形成冷源，周圍空氣進(jìn)入氣化器形成向下氣流，在近地面形成2 m高的冷空氣流，氣化器底部和近地面空氣流動(dòng)速度最高為2.9 m／s。氣化器底部溫度最低，達(dá)到-2℃，近地面2 m以內(nèi)空氣溫度均在露點(diǎn)以下。

2.2 底部排氣消霧方案的模擬

圖3 單臺(tái)氣化器運(yùn)行時(shí)的速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)模擬圖

對(duì)底部排氣消霧方案進(jìn)行模擬，每臺(tái)風(fēng)機(jī)氣體流量為2×104m3／h，通風(fēng)管道規(guī)格為DN800。CFD模擬得到的速度和溫度場(chǎng)情況如圖4所示，從速度分布圖來看，氣化器底部的圍欄排氣速度達(dá)到11 m／s以上，排出高度為30 m左右，排氣側(cè)的空氣流動(dòng)明顯加強(qiáng)。從溫度分布圖來看，底部最低溫度在0℃左右，比無措施工況下升高2℃，排風(fēng)扇的另一側(cè)近地面1 m左右處形成白霧，擴(kuò)散距離約25 m，較無措施工況減半。

圖4 底部排氣消霧的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)模擬圖

2.3 頂部對(duì)流消霧方案的模擬

對(duì)第二種消霧方案進(jìn)行模擬，如圖5所示，模擬中在氣化器的頂部設(shè)置一個(gè)風(fēng)扇，以20 m／s的速度向下鼓風(fēng)。從速度分布來看，頂部風(fēng)機(jī)在氣化器內(nèi)部形成較為強(qiáng)烈的對(duì)流場(chǎng)，最大速度達(dá)到20 m／s，冷氣到達(dá)底部后沿地面向四周擴(kuò)散，地面流速達(dá)到14 m／s左右。從溫度分布來看，氣化器底部最低溫度達(dá)7℃，比無措施工況上升9℃，露點(diǎn)以下區(qū)域僅為氣化器周圍地面0.5 m以內(nèi)，擴(kuò)散距離不超過10 m。從模擬結(jié)果看，該方案以加強(qiáng)對(duì)流的方式達(dá)到了使冷空氣溫度升高的目的，消霧效果較好。

圖5 頂部對(duì)流消霧的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)模擬圖

3 消霧效果的影響因素分析

從不同地區(qū)氣化器運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，濕度對(duì)白霧的產(chǎn)生和消散影響較大。在40%和80%兩種空氣濕度條件下，假設(shè)新鮮空氣與霧氣的混合比從0逐漸上升，混合氣體的相對(duì)濕度將不斷發(fā)生變化，如圖6所示。40%濕度條件下，混合氣體的相對(duì)濕度從100%均勻下降至40%，而80%濕度條件下，混合氣體的相對(duì)濕度首先上升超過100%，直至新鮮空氣占比超過70%才降至100%以下。

圖6 相對(duì)濕度與空氣混合比例的關(guān)系圖

另外，經(jīng)過模擬計(jì)算證實(shí)，風(fēng)機(jī)流速的變化對(duì)消霧的效果影響較大。圖7表示了不同的風(fēng)機(jī)流速與消霧比例的關(guān)系，通過模擬不同風(fēng)機(jī)流速下的霧氣體積，得到相對(duì)于沒有消霧措施情況下的消霧比例，從圖7可見，兩種方案的消霧效果均隨著風(fēng)機(jī)排風(fēng)速度的提高而加強(qiáng)，頂部對(duì)流方案的消霧效果更好，同樣風(fēng)速情況下消霧的比例比底部排氣方案要高20%以上。

圖7 消霧比例與風(fēng)速的關(guān)系圖

3 結(jié)論

1）氣化器工作時(shí)由于冷負(fù)荷較大，在氣化器形成濕度為-2℃左右的冷氣團(tuán)沿地面向周圍擴(kuò)散，在近地面2 m范圍內(nèi)形成較大范圍的白霧區(qū)域，模擬結(jié)果與氣化站實(shí)測(cè)結(jié)果一致。

2）底部排氣的消霧方案中，通過圍欄和排風(fēng)扇將白霧向高空排放，能夠大大減少另一側(cè)的白霧產(chǎn)生量，但是由于高空冷氣團(tuán)較重，冷氣團(tuán)向下聚集在氣化器周圍，因此會(huì)在排風(fēng)一側(cè)形成較大區(qū)域的白霧，導(dǎo)致白霧集中在排風(fēng)一側(cè)，實(shí)際消霧效果不明顯。

3）頂部對(duì)流的消霧方案中，通過頂部的風(fēng)扇加強(qiáng)氣化器內(nèi)部空氣的對(duì)流，能夠有效減少空氣經(jīng)氣化器之后的溫降，冷氣團(tuán)沿地面向四周流動(dòng)速度加快，并且溫度提升明顯，模擬計(jì)算表明白霧生成區(qū)域相比正常運(yùn)行工況大大降低。

4）白霧的產(chǎn)生與氣化器的負(fù)荷、當(dāng)?shù)販囟?、濕度有很大關(guān)系。消霧措施目的是盡量減少白霧擴(kuò)散范圍而不是完全消除白霧，而在其他地區(qū)應(yīng)當(dāng)因地制宜地考慮消霧措施。

5）消霧的效果主要受空氣濕度和排風(fēng)速度影響，在排風(fēng)速度達(dá)到一定數(shù)值后，消霧比例與排風(fēng)速度呈線性關(guān)系，風(fēng)速越高，消霧比例越大。