中間介質(zhì)氣化器綜述

王 凱

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

天然氣作為一種清潔能源，正在提供全球能源供應(yīng)方面發(fā)揮著重要的作用。天然氣作為優(yōu)質(zhì)高效的低碳能源，可與可再生能源形成良性互補(bǔ)，促進(jìn)可再生能源發(fā)展。我國(guó) 《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略（2016-2030）》將發(fā)展天然氣作為構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系的主要措施。天然氣的供應(yīng)鏈中，消費(fèi)市場(chǎng)通常位于距離氣田很遙遠(yuǎn)的地方，液化天然氣是針對(duì)大規(guī)模海上運(yùn)輸或者管道運(yùn)輸?shù)囊环N有效措施，而在LNG接收端，氣化器將LNG再氣化的核心傳熱設(shè)備。市場(chǎng)上氣化器種類繁多，中間介質(zhì)氣化器（IFV）則是其中一種。

1 中間介質(zhì)氣化器的優(yōu)點(diǎn)

中間介質(zhì)氣化器的優(yōu)點(diǎn)有：

1）相比于空溫式氣化器，中間介質(zhì)氣化器換熱性能更好。中間介質(zhì)氣化器采用丙烷、異丁烷、氟利昂、氨等介質(zhì)作為中間介質(zhì)傳熱介質(zhì)，將海水的熱量傳遞給LNG，屬于強(qiáng)制對(duì)流傳熱，而空溫式氣化器換熱管管外是空氣，屬于自然對(duì)流傳熱，所以中間介質(zhì)氣化率高。

2）相比于浸沒燃燒式氣化器，中間介質(zhì)氣化器更節(jié)能。中間介質(zhì)氣化器的熱源是海水，海水溫度比較穩(wěn)定，熱容量大，是取之不盡的熱源，也不需要進(jìn)行輔助加熱，即可在蒸發(fā)器中加熱沸點(diǎn)很低的中間介質(zhì)，所以中間介質(zhì)節(jié)能。

3）中間介質(zhì)氣化器最大的優(yōu)點(diǎn)是解決了其他氣化器存在的結(jié)冰結(jié)霜問題。海水沒有與凝結(jié)器直接接觸，而是利用中間介質(zhì)沸點(diǎn)低的特性，蒸發(fā)器中的海水加熱使中間介質(zhì)蒸發(fā)為氣體，然后中間介質(zhì)在凝結(jié)器上凝結(jié)傳熱，液化后受重力作用回落到蒸發(fā)器，再次被蒸發(fā)，如此在蒸發(fā)器和凝結(jié)器組成的殼程內(nèi)封閉循環(huán)。

2 中間介質(zhì)氣化器的缺點(diǎn)

1）中間介質(zhì)氣化器是屬于海工況設(shè)備，需要面對(duì)海面晃動(dòng)問題。在晃動(dòng)工況條件下，中間介質(zhì)氣化器中的蒸發(fā)器容易出現(xiàn)“干燒”問題，凝結(jié)器容易出現(xiàn)飛濺液體浸沒管束現(xiàn)象從而換熱失效。

2）相比與其他氣化器，中間介質(zhì)氣化器耗材成本更高。中間介質(zhì)氣化器的制造材料需要耐低溫，耐高壓，耐腐蝕，耐磨損。蒸發(fā)器與調(diào)溫器中與海水接觸的換熱管采用鈦材或者襯鈦復(fù)合。凝結(jié)器中與液化天然氣接觸的換熱管采用304不銹鋼，也可選擇復(fù)合鋼板。該氣化器制作中用到的材料加工工藝復(fù)雜，尤其焊接工藝。

3 中間介質(zhì)氣化器的計(jì)算模型

中間介質(zhì)氣化器包含三個(gè)關(guān)鍵部分：調(diào)溫器，蒸發(fā)器，凝結(jié)器。流經(jīng)這三個(gè)換熱器的工質(zhì)存在聯(lián)系但又各不相同，所以換熱器的工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)互相影響。如圖1所示，海水首先從調(diào)溫器進(jìn)去，入口溫度為Tsw1，在調(diào)溫器中釋放部分熱量后從出口出來，溫度降低為Tsw2；再?gòu)恼舭l(fā)器入口進(jìn)去，在蒸發(fā)器中釋放部分熱量給中間介質(zhì)（丙烷）；最后從蒸發(fā)器出口出來，溫度降低為Tsw3。天然氣則從凝結(jié)器的入口進(jìn)去，入口溫度為Tlng1，在凝結(jié)器中吸收丙烷釋放的熱量后從出口出來，溫度上升為Tlng2，再進(jìn)入調(diào)溫器吸收海水的部分熱量后出來，溫度上升為Tlng3。蒸發(fā)器和凝結(jié)器是封裝在一個(gè)容器內(nèi)，這樣丙烷可以被循壞使用，作為中間介質(zhì)傳遞熱量，飽和溫度為Tsat。

圖1 中間介質(zhì)氣化器工作原理

2013，白宇恒等[1]人提出一種求解中間介質(zhì)氣化器換熱面積的計(jì)算方法，將調(diào)溫器，蒸發(fā)器，凝結(jié)器三個(gè)換熱器分別獨(dú)立建立一維數(shù)值模擬模型，再分別對(duì)三個(gè)換熱器進(jìn)行換熱計(jì)算，該模型是在中間介質(zhì)氣化器能量守恒的基礎(chǔ)上建立的，這樣不僅滿足中間介質(zhì)氣化器系統(tǒng)能量守恒，同時(shí)也滿足單個(gè)換熱器能量守恒。

2014年，Pu等[2]人提出的傳熱模型和計(jì)算方法為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究了IFV的溫度校核計(jì)算。2015年，Xu等[3]通過考慮工質(zhì)初始速度的考慮，提出了一種新型計(jì)算方法，對(duì)IFV的所需換熱面積進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。2018年，Han等[4]人通過考慮傳熱管長(zhǎng)度的約束，建立了一種基于分布參數(shù)法的新數(shù)值模型，以確定IFV的傳熱性能和所需傳熱面積，研究了中間介質(zhì)及其飽和參數(shù)、海水入口溫度和海水溫度降溫度降的影響。

Bai、Pu和Xu的模型都是按照工程設(shè)計(jì)思路建立，液化天然氣進(jìn)入凝結(jié)器的溫度Tlng1和流量msw是已知量，從調(diào)溫器出來的天然氣的溫度Tlng3需要滿足用戶的要求，海水進(jìn)入IFV的溫度Tsw1由當(dāng)?shù)丶竟?jié)與氣候決定，從IFV排出來的海水的溫度需要符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，所以海水溫度Tsw3也是已知量。丙烷的溫度Tsat也被設(shè)為定值，忽略丙烷受到管內(nèi)換熱量變化帶來的影響。海水物性對(duì)海水的壓力Psw敏感度很低，所以可以設(shè)Psw為定值。液化天然氣在凝結(jié)器和調(diào)溫器中流動(dòng)壓力損失相對(duì)較小，可假設(shè)液化天然氣是在恒定壓力Plng下進(jìn)行換熱。Tsw2的變化對(duì)整個(gè)模型計(jì)算的收斂性有很大影響，在這個(gè)模型中，將Tsw2設(shè)為已知量，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)將Tsw2初步給出，否則計(jì)算容易發(fā)散。另外換熱管的管徑選取應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，太長(zhǎng)會(huì)造成IFV占地面積太大，太短容易造成結(jié)構(gòu)不合理，在計(jì)算過程中，可以通過改變管子的數(shù)量來改變換熱面積；調(diào)溫器中的天然氣橫略管束的流道并非等截面管道，需進(jìn)行簡(jiǎn)化為等面積的流道進(jìn)行計(jì)算。

4 中間介質(zhì)相關(guān)研究進(jìn)展

到目前為止，IF及其飽和條件對(duì)IFV性能的影響在公開文獻(xiàn)中很少有報(bào)道。之前提到的白宇恒這篇文獻(xiàn)中對(duì)換熱計(jì)算的研究也僅限于丙烷這單一的中間介質(zhì)。2013年，Patel[5]建議使用一些碳?xì)浠衔铮ɡ绫?、丁烷或混合制冷劑）作為中間介質(zhì)。碳?xì)浠衔锞哂械统杀?，易獲取，環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，所以目前正被廣泛研究與使用。

2015年，Xu等人[3]通過數(shù)值計(jì)算綜合比較了IFV中5種候選中間介質(zhì)（丙烷，丙烯，丁烷，異丁烷，二甲醚）在不同飽和溫度下的換熱面積和換熱系數(shù)，并選擇了合適的中間介質(zhì)。結(jié)果表明，丙烯具有最佳的傳熱性能，但其較高的飽和壓力需要增加容納凝結(jié)器與蒸發(fā)器的管殼的壁厚，從而限制了其應(yīng)用。隨著丙烷飽和溫度的升高，IFVs所需的總HTA首先降低，然后增加，最佳飽和溫度在250-265K范圍內(nèi)。

2020年，王碩等人[6]提出采用混合工質(zhì)作為中間介質(zhì)，混合工質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)為：1.25% N2，41.98% C2H6，30.63% C3H8，26.14%，C4H8，對(duì)IFV進(jìn)行換熱計(jì)算及分析，并對(duì)混合中間介質(zhì)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化和海水溫降變化對(duì)換熱效率的影響等開展研究。結(jié)果表明，以該混合工質(zhì)作為中間介質(zhì)，凝結(jié)器的對(duì)流換熱系數(shù)隨著混合工質(zhì)的飽和溫度升高而升高，蒸發(fā)器反而隨之降低；蒸發(fā)器的換熱性能隨著海水溫度的升高而越好，凝結(jié)器的換熱性能反而不會(huì)隨著海水溫度的改變而變化。當(dāng)海水溫度范圍為283.15～298.15K時(shí)，中間介質(zhì)的最佳溫度范圍為256～265K。

5 對(duì)IFV的研究展望

目前對(duì)IFV的換熱計(jì)算研究偏向于工程設(shè)計(jì)，都是將三個(gè)換熱器分開進(jìn)行獨(dú)立求解，計(jì)算精度僅僅滿足工程設(shè)計(jì)精度。對(duì)于如何從運(yùn)行的角度將調(diào)溫器、蒸發(fā)器、凝結(jié)器三者耦合進(jìn)行換熱計(jì)算與分析的研究較少。對(duì)IFV進(jìn)行模擬換熱計(jì)算中，需要將換熱器根據(jù)長(zhǎng)度或者焓值進(jìn)行離散，目前的研究缺乏對(duì)離散的段數(shù)進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證。中間介質(zhì)氣化器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)很少，目前的研究缺乏有效的對(duì)比驗(yàn)證。很多文獻(xiàn)中在模擬計(jì)算天然氣物性時(shí)都是將天然氣假設(shè)為單一物質(zhì)甲烷利用REFPROP8.0程序進(jìn)行物性計(jì)算。天然氣作為混合物，有很多組分，組分種類與占比不同構(gòu)造了貧組分，富組分等種類。具體的組分占比又表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)，可以進(jìn)一步在天然氣組分方面進(jìn)行研究?；旌瞎べ|(zhì)這方面還可以進(jìn)一步研究，可以通過實(shí)驗(yàn)與模擬的方法獲得最適合IFV的混合工質(zhì)。換熱關(guān)聯(lián)式的選取也會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。相比比其他氣化器，IFV的換熱性能更好，更適用于天然氣冷能發(fā)電系統(tǒng)，可以進(jìn)一步研研究IFV的冷能發(fā)電系統(tǒng)。

6 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)的十四五規(guī)劃將對(duì)能源轉(zhuǎn)型和全球氣候產(chǎn)生復(fù)雜影響，天然氣作為清潔能源更加其發(fā)展受到重視，LNG產(chǎn)業(yè)鏈中，LNG接收站是必不可少的環(huán)節(jié)，氣化器在接收站中扮演著重要角色。中間介質(zhì)氣化器是一種新型的LNG氣化器，由于由于沒有結(jié)冰與結(jié)霜的問題，換熱性能優(yōu)越，在市場(chǎng)上受到了廣泛關(guān)注。同時(shí)，IFV的熱源是海水，不僅容易取得，還綠色環(huán)保，可用作冷能發(fā)電，符合新時(shí)代能源發(fā)展要求。