LNG空溫式氣化器除霜判定指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)研究

任樂梅， 焦文玲

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090；2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150090)

1 概述

LNG是天然氣冷卻至約111 K形成的[1]。為了避免管道設(shè)施因低溫影響出現(xiàn)冷脆現(xiàn)象，GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定進(jìn)入城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的天然氣溫度不低于278.15 K?？諟厥綒饣魇且环N常見的LNG氣化器[2]。受LNG的深冷特性影響，LNG空溫式氣化器在運(yùn)行過程中總會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)翅片管間的空氣通道完全被霜層堵塞，導(dǎo)致氣化器傳熱性能極度惡化，嚴(yán)重影響氣化站的安全運(yùn)行[3-4]。同時(shí)，傳熱性能惡化，出口溫度降低，空溫式氣化器后串聯(lián)的水浴式輔熱器對(duì)天然氣進(jìn)行再熱，增加了能耗。因此確定合理的LNG空溫式氣化器切換運(yùn)行周期——除霜周期，不僅可以保障氣化站的安全運(yùn)行，而且可以提高經(jīng)濟(jì)性[5]。

目前，判定LNG空溫式氣化器除霜的方法主要有兩種：經(jīng)驗(yàn)法和定時(shí)法。經(jīng)驗(yàn)法主要依據(jù)氣化器出口溫度判定氣化器除霜。當(dāng)氣化器出口溫度比環(huán)境溫度低一定值時(shí)，氣化器切換運(yùn)行[6]。定時(shí)法是指氣化器8 h定時(shí)切換。相關(guān)研究結(jié)果表明：環(huán)境溫度越低，結(jié)霜對(duì)氣化器傳熱性能的影響越大[7]。氣化器定時(shí)切換除霜忽略了不同環(huán)境溫度下結(jié)霜對(duì)氣化器傳熱性能的影響，導(dǎo)致較低環(huán)境溫度下輔熱器能耗增加。目前針對(duì)LNG空溫式氣化器的除霜判定研究較少，由于缺乏理論指導(dǎo)，現(xiàn)有的氣化器除霜判定方法難以做到按需除霜，輔熱器能耗大。

合理的除霜判定應(yīng)該依據(jù)氣化器表面的結(jié)霜狀況及結(jié)霜引起的氣化器傳熱性能變化，實(shí)現(xiàn)不同條件下的按需除霜，降低輔熱器能耗。本文基于LNG空溫式氣化器耦合傳熱特性，提出LNG空溫式氣化器的除霜判定指標(biāo)，并對(duì)除霜判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，從而為L(zhǎng)NG空溫式氣化器除霜判定提供一定的理論依據(jù)。

2 LNG空溫式氣化器傳熱性能分析

本文建立了LNG空溫式氣化器耦合傳熱模型，以分析結(jié)霜對(duì)氣化器傳熱性能的影響，為氣化器除霜判定研究提供理論支撐。

2.1 氣化器傳熱模型

LNG空溫式氣化器的傳熱過程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)耦合傳熱傳質(zhì)過程[8]。運(yùn)行初始時(shí)刻，氣化器表面不存在霜層；隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，氣化器表面溫度下降，當(dāng)壁面溫度低于空氣露點(diǎn)及水的冰點(diǎn)時(shí)，壁面霜層開始生長(zhǎng)，傳熱熱阻增加。根據(jù)氣化器表面是否存在霜層，需要分別建立非結(jié)霜工況和結(jié)霜工況下的氣化器傳熱模型。

① 非結(jié)霜工況下的氣化器傳熱模型

在非結(jié)霜工況下，氣化器的傳熱過程是管內(nèi)流動(dòng)傳熱、管壁導(dǎo)熱和管外自然對(duì)流、輻射傳熱過程的耦合。忽略流體流動(dòng)方向的傳熱，將氣化器傳熱過程看作沿壁面厚度方向的一維穩(wěn)態(tài)傳熱；忽略氣化器管束及管內(nèi)流體流動(dòng)方向的影響，將氣化器簡(jiǎn)化為一根翅片管，則氣化器的熱流量計(jì)算公式為：

(1)

式中Φ——非結(jié)霜工況下氣化器的熱流量，W

Ta——環(huán)境空氣溫度，K

Tf——管內(nèi)流體溫度，K

αi,αo——管內(nèi)、外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)

di,do——管道內(nèi)、外直徑，m

λ——管壁熱導(dǎo)率，W/(m·K)

η0——翅片效率

ηf——翅面總效率[9]

n——翅片數(shù)量

h——翅片高度, m

l——長(zhǎng)度, m

L——翅片管長(zhǎng)度，m

氣化器管內(nèi)流體傳熱過程分為液相強(qiáng)制對(duì)流段、氣液兩相流動(dòng)沸騰段和氣相強(qiáng)制對(duì)流段。對(duì)管內(nèi)單相強(qiáng)制對(duì)流，可采用Gnielinski關(guān)聯(lián)式[10]計(jì)算傳熱系數(shù)；對(duì)豎直管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)沸騰傳熱[11]，可采用Klimenko關(guān)聯(lián)式[12]計(jì)算傳熱系數(shù)。

② 結(jié)霜工況下的氣化器傳熱模型

在結(jié)霜工況下，氣化器表面出現(xiàn)霜層非穩(wěn)態(tài)生長(zhǎng)，整體傳熱熱阻增加。為簡(jiǎn)化模型，在非結(jié)霜傳熱模型的簡(jiǎn)化條件基礎(chǔ)上，假設(shè)霜層穩(wěn)態(tài)生長(zhǎng)，氣化器傳熱為沿翅片管壁面厚度方向的一維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱。

因此，結(jié)霜工況下氣化器的熱流量計(jì)算公式為：

(2)

式中Φj——結(jié)霜工況下氣化器的熱流量，W

(3)

式中λf——霜層熱導(dǎo)率，W/(m·K)

δf——霜層厚度, m

r——水蒸氣的氣固相變潛熱，J/kg

m——水蒸氣相變速率, kg/(m2·s)

Tfs——霜層表面溫度，K

Tw——外壁面溫度，K

霜層厚度通過霜層生長(zhǎng)模型[13]計(jì)算，公式如下：

(4)

(5)

式中ρf——霜層密度，kg/m3

t——時(shí)間，s

k——傳質(zhì)系數(shù)，m/s

ρa(bǔ)、ρa(bǔ)，w——環(huán)境空氣、霜層外表面飽和濕空氣中的水蒸氣密度，kg/m3

霜層物性參數(shù)λf，ρf采用文獻(xiàn)[14-15]的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)能量守恒，氣化器的傳熱量等于管內(nèi)流體的吸熱量。因此氣化器內(nèi)流體的進(jìn)出口比焓差計(jì)算公式為：

(6)

式中 Δh——?dú)饣鲀?nèi)流體的進(jìn)出口比焓差，J/kg

qm——LNG質(zhì)量流量,kg/s

基于MATLAB軟件，采用微元法對(duì)上述傳熱模型進(jìn)行求解，可得天然氣出口溫度、介質(zhì)進(jìn)出口比焓、氣化器表面霜層厚度分布隨時(shí)間的變化規(guī)律。計(jì)算流程見圖1，其中i,j分別表示第i個(gè)長(zhǎng)度微元段和第j個(gè)時(shí)間微元段。

圖1 LNG空溫式氣化器結(jié)霜工況下的傳熱計(jì)算流程

2.2 氣化器參數(shù)和LNG組成

本研究氣化器參數(shù)如下：額定氣化量4 000 m3/h，鋁合金材質(zhì)，包含10根管，單管長(zhǎng)90 m；管外直徑28 mm，內(nèi)直徑24 mm；每根管安裝8個(gè)翅片，翅片高85 mm，翅片厚2 mm。

LNG組成見表1。

表1 LNG組成

2.3 傳熱模型模擬結(jié)果

氣化器傳熱性能受環(huán)境溫度影響最大[5]。本文利用氣化器傳熱模型，在氣化量3 200 m3/h、空氣相對(duì)濕度60%、LNG入口溫度119 K及壓力0.6 MPa的條件下，模擬計(jì)算得出不同環(huán)境溫度下氣化器最大霜層厚度、結(jié)霜長(zhǎng)度、天然氣出口溫度及進(jìn)出口比焓差隨運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律，見圖2。

圖2 LNG空溫式氣化器運(yùn)行參數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間的變化曲線

氣化器表面結(jié)霜首先在翅片管起始段出現(xiàn)，此處是霜層厚度最大的位置。由圖2a、2b可知，氣化器運(yùn)行相同時(shí)間，環(huán)境溫度低的最大霜層厚度小于環(huán)境溫度較高的厚度，但是沿翅片管的結(jié)霜長(zhǎng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)境溫度高的情況。在高溫條件下，水蒸氣濃度高，霜層生長(zhǎng)快，同時(shí)傳熱性能高，翅片管溫度沿流體流動(dòng)方向上升快，結(jié)霜長(zhǎng)度短；而在低溫條件下，水蒸氣濃度低，霜層生長(zhǎng)慢，同時(shí)傳熱性能低，翅片管溫度沿流體流動(dòng)方向上升慢，結(jié)霜長(zhǎng)度長(zhǎng)。霜層厚度和結(jié)霜長(zhǎng)度共同反映了氣化器表面的結(jié)霜情況，兩者缺一不可。

由圖2c、2d可知，環(huán)境溫度越低，天然氣出口溫度越低，氣化器的進(jìn)出口比焓差越小；且環(huán)境溫度越低，天然氣出口溫度和進(jìn)出口比焓差隨運(yùn)行時(shí)間下降越快。這說明，環(huán)境溫度越低，氣化器傳熱性能越差，結(jié)霜對(duì)氣化器的傳熱性能影響越大。

由圖2c可知，環(huán)境溫度為308 K時(shí)，氣化器連續(xù)運(yùn)行8 h后，出口溫度為286 K，高于允許的最低出口溫度278.15 K；當(dāng)環(huán)境溫度降至293 K時(shí)，氣化器連續(xù)運(yùn)行8 h，出口溫度由286 K降至230.7 K，低于允許的最低出口溫度278.15 K，需要輔熱器投入運(yùn)行?？梢姡h(huán)境溫度較高，氣化器可以獨(dú)立運(yùn)行超過8 h；隨環(huán)境溫度的降低，氣化器獨(dú)立運(yùn)行時(shí)間減少。

綜上可知，環(huán)境溫度不僅影響氣化器的傳熱性能，同時(shí)影響氣化器表面的結(jié)霜特性。因此，本文根據(jù)環(huán)境溫度高低分別討論氣化器的除霜判定指標(biāo)。在高溫環(huán)境下，氣化器出口溫度高，結(jié)霜對(duì)氣化器傳熱影響小，可利用出口溫度構(gòu)建除霜判定指標(biāo)；在低溫環(huán)境下，氣化器出口溫度低，結(jié)霜對(duì)氣化器傳熱影響大，可根據(jù)氣化器表面霜層厚度、翅片管結(jié)霜長(zhǎng)度和傳熱性能參數(shù)等構(gòu)建氣化器的除霜判定指標(biāo)。

3 除霜判定指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)研究

3.1 除霜判定指標(biāo)的提出

確定LNG空溫式氣化器除霜的切換運(yùn)行周期，要針對(duì)不同環(huán)境溫度下空溫式氣化器結(jié)霜運(yùn)行特征，既要考慮降低輔熱器能耗，還要考慮空溫式氣化器傳熱特性及運(yùn)行時(shí)間方面的要求。綜合考慮以上因素，本文構(gòu)建的除霜判定指標(biāo)包含能耗指標(biāo)、傳熱性能指標(biāo)、結(jié)霜特性指標(biāo)及運(yùn)行時(shí)間指標(biāo)。

為了研究除霜判定標(biāo)準(zhǔn)，本文需要定義一個(gè)參考工況。在工程實(shí)際中，氣化設(shè)備能力的選擇一般均有富余量，因此參考工況氣化量取額定氣化量的80%。另?yè)?jù)中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，我國(guó)601個(gè)氣象監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累年年平均相對(duì)濕度為67%。考慮到相對(duì)濕度60%下的霜層熱阻大于70%下的霜層熱阻[5]，本文定義在60%的相對(duì)濕度下，氣化器以80%的額定流量連續(xù)運(yùn)行8 h，天然氣出口溫度達(dá)到278.15 K時(shí)的工況為參考工況。參考工況所對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度稱參考環(huán)境溫度，用Tas表示。

3.2 除霜判定指標(biāo)體系的構(gòu)建

在參考工況的氣化量和相對(duì)濕度下，當(dāng)環(huán)境溫度不低于Tas時(shí)，氣化器連續(xù)運(yùn)行8 h后，出口溫度不低于278.15 K，輔熱器能耗為零，此時(shí)以能耗指標(biāo)作為唯一的除霜判定指標(biāo)；當(dāng)環(huán)境溫度低于Tas時(shí)，氣化器運(yùn)行較短時(shí)間，出口溫度就低于278.15 K，此時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮傳熱性能指標(biāo)、結(jié)霜特性指標(biāo)及運(yùn)行時(shí)間指標(biāo)構(gòu)建氣化器的除霜判定指標(biāo)。

① 基于能耗的除霜判定指標(biāo)

為了表征輔熱器能耗大小，本文定義能源需求度作為除霜判定指標(biāo)。其定義為溫度為278.15 K的天然氣比焓與空溫式氣化器的天然氣出口比焓之差與278.15 K的天然氣比焓之比。能源需求度取值范圍為0～1，若計(jì)算值小于0，則取值為0。能源需求度越小，表明輔熱器能耗越低。

② 基于傳熱性能的除霜判定指標(biāo)

為了表征氣化器傳熱性能的變化，本文定義結(jié)霜熱量損失系數(shù)作為除霜判定指標(biāo)。其定義為非結(jié)霜工況下氣化器的理想傳熱量與結(jié)霜工況的實(shí)際傳熱量之差與理想傳熱量之比。結(jié)霜熱量損失系數(shù)越小，表明結(jié)霜對(duì)氣化器傳熱性能的影響越小。

氣化器傳熱量等于介質(zhì)進(jìn)出口焓差。因此結(jié)霜熱量損失系數(shù)還可通過下式計(jì)算：

(7)

式中LQ——結(jié)霜熱量損失系數(shù)

hos——非結(jié)霜工況下氣化器出口比焓，kJ/kg

hi——?dú)饣鬟M(jìn)口比焓，kJ/kg

ho——結(jié)霜工況下的氣化器出口比焓，kJ/kg

③ 基于結(jié)霜特性的除霜判定指標(biāo)

為了表征霜層對(duì)空氣流道的堵塞作用及氣化器表面的整體結(jié)霜情況，基于霜層厚度定義結(jié)霜面積損失系數(shù)，基于結(jié)霜長(zhǎng)度定義霜層覆蓋率，并將它們作為氣化器的除霜判定指標(biāo)。

結(jié)霜面積損失系數(shù)：未結(jié)霜時(shí)翅片管之間的最大空氣流通面積與結(jié)霜工況下翅片管之間的最小空氣流通面積之差與最大空氣流通面積之比。霜層覆蓋率：氣化器結(jié)霜長(zhǎng)度與氣化器總長(zhǎng)度的比值。

④ 基于運(yùn)行時(shí)間的除霜判定指標(biāo)

氣化器切換運(yùn)行應(yīng)該保證足夠的除霜時(shí)間。若除霜未盡，氣化器投入運(yùn)行，霜層生長(zhǎng)加快[16]，不利于氣化器的高效運(yùn)行。另一方面，當(dāng)出口溫度不滿足278.15 K時(shí)，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，輔熱器單位時(shí)間的平均能耗越高，運(yùn)行時(shí)間不易高于定時(shí)法確定的氣化器運(yùn)行時(shí)間(即8 h)。因此，需要將運(yùn)行時(shí)間納入氣化器除霜判定指標(biāo)體系。

3.3 除霜判定標(biāo)準(zhǔn)的確定

除霜判定標(biāo)準(zhǔn)以參考工況下的參考環(huán)境溫度、運(yùn)行時(shí)間以及結(jié)霜損失系數(shù)指標(biāo)(包括結(jié)霜熱量損失系數(shù)、結(jié)霜面積損失系數(shù)和霜層覆蓋率)計(jì)算結(jié)果為依據(jù)。當(dāng)環(huán)境溫度不低于Tas，以能源需求度不高于零作為除霜判定標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)環(huán)境溫度低于Tas，依據(jù)參考工況下的結(jié)霜損失系數(shù)指標(biāo)計(jì)算值確定除霜判定標(biāo)準(zhǔn)。需要注意的是不同氣化器得到的參考工況不同，但除霜判定指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)確定方法是通用的。

本文對(duì)所述的氣化器，在所述的LNG的參數(shù)下，利用氣化器傳熱模型計(jì)算不同環(huán)境溫度下的除霜判定指標(biāo)，從而確定參考工況及參考環(huán)境溫度。除霜判定指標(biāo)結(jié)果見表2。

由表2可知，該氣化器的參考環(huán)境溫度為305 K，對(duì)應(yīng)的工況即為參考工況。初步將參考工況對(duì)應(yīng)的各個(gè)指標(biāo)值作為除霜標(biāo)準(zhǔn)值，則環(huán)境溫度低于305 K時(shí)氣化器的除霜標(biāo)準(zhǔn)為：在滿足運(yùn)行時(shí)間不低于除霜時(shí)間、不高于8 h的條件下，結(jié)霜熱量損失系數(shù)高于5%，結(jié)霜面積損失系數(shù)高于34%，霜層覆蓋率高于82%。由表2可知，環(huán)境溫度為263 K時(shí)，氣化器運(yùn)行8 h后，結(jié)霜面積損失系數(shù)仍低于除霜標(biāo)準(zhǔn)值(34%)，但是結(jié)霜熱量損失系數(shù)已經(jīng)是除霜標(biāo)準(zhǔn)值的5倍多，能源需求度也達(dá)到28.4%。結(jié)霜面積損失系數(shù)的除霜標(biāo)準(zhǔn)值過高，導(dǎo)致寒冷環(huán)境中氣化器傳熱性能惡化嚴(yán)重，輔熱器能耗高。因此，降低結(jié)霜面積損失系數(shù)的除霜標(biāo)準(zhǔn)值，取15%。因此，當(dāng)環(huán)境溫度低于參考環(huán)境溫度時(shí)，除霜判定標(biāo)準(zhǔn)為：在滿足運(yùn)行時(shí)間不低于除霜時(shí)間、不高于8 h的條件下，結(jié)霜熱量損失系數(shù)高于5%，結(jié)霜面積損失系數(shù)高于15%，霜層覆蓋率高于82%。

表2 不同工況下的除霜判定指標(biāo)結(jié)果

4 除霜指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用

4.1 理論除霜周期確定

基于理論傳熱模型計(jì)算氣化器在不同環(huán)境溫度下的除霜判定指標(biāo)，并確定氣化器的理論切換運(yùn)行周期——除霜周期。仍以2.2節(jié)的氣化器為例，流量3 200 m3/h，相對(duì)濕度60%，氣化器冬季平均除霜時(shí)間在6 h左右。為保證氣化器投入運(yùn)行時(shí)表面霜層完全消除，氣化器運(yùn)行周期不得低于氣化器除霜時(shí)間(6 h)。

通過計(jì)算可知，當(dāng)環(huán)境溫度≥305 K時(shí)，以能源需求度判定氣化器除霜，氣化器連續(xù)運(yùn)行時(shí)間不少于8 h；當(dāng)環(huán)境溫度<305 K時(shí)，需同時(shí)考慮結(jié)霜熱量損失系數(shù)、結(jié)霜面積損失系數(shù)、霜層覆蓋率和運(yùn)行時(shí)間來判定是否除霜。圖3為不同環(huán)境溫度下的各除霜判定指標(biāo)分布云圖軟件截圖。將圖3a～3c進(jìn)行疊加，依據(jù)除霜判定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行除霜判定，得到圖4所示的LNG空溫式氣化器除霜判定結(jié)果。圖4中實(shí)線表示結(jié)霜熱量損失系數(shù)，點(diǎn)線表示霜層覆蓋率，點(diǎn)劃線表示結(jié)霜面積損失系數(shù)。滿足除霜判定標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域?yàn)槌獏^(qū)域，其邊界線為除霜線，該線上任意一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間即為該環(huán)境溫度下的氣化器的除霜周期。

圖4 不同環(huán)境溫度下的除霜判定結(jié)果

由圖4可知，環(huán)境溫度低于247 K時(shí)，氣化器連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為8 h；環(huán)境溫度上升至250 K時(shí)，氣化器連續(xù)運(yùn)行時(shí)間從8 h逐漸降低至6 h；環(huán)境溫度在250～300 K時(shí)，氣化器連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為除霜時(shí)間(6 h)；環(huán)境溫度繼續(xù)上升至302 K時(shí)，氣化器連續(xù)運(yùn)行時(shí)間逐漸上升至8 h；環(huán)境溫度在302～305 K時(shí)，氣化器連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為8 h；由前述分析可知，環(huán)境溫度高于參考環(huán)境溫度305 K時(shí)，氣化器持續(xù)運(yùn)行時(shí)間高于8 h。當(dāng)環(huán)境溫度低于247 K時(shí)，盡管結(jié)霜面積損失系數(shù)未達(dá)到除霜標(biāo)準(zhǔn)值，但是結(jié)霜熱量損失系數(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)高于5%，依據(jù)運(yùn)行時(shí)間指標(biāo)，氣化器連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為8 h。當(dāng)環(huán)境溫度在302～305 K時(shí)，氣化器連續(xù)運(yùn)行8 h，盡管結(jié)霜熱量損失系數(shù)未達(dá)到除霜標(biāo)準(zhǔn)(5%)，但是依據(jù)運(yùn)行時(shí)間指標(biāo)，氣化器除霜周期為8 h。

4.2 實(shí)際應(yīng)用效果分析

在實(shí)際應(yīng)用中，可直接利用廠站內(nèi)站控系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算各除霜判定指標(biāo)，并判定氣化器的除霜周期，進(jìn)行節(jié)能分析。

仍以上述氣化器為例，如果運(yùn)行過程中，流量為2 054～2 693 m3/h，環(huán)境溫度為264～268 K，相對(duì)濕度為67%～76%。環(huán)境溫度低于參考環(huán)境溫度305 K，因此基于傳熱性能指標(biāo)、結(jié)霜指標(biāo)和運(yùn)行時(shí)間指標(biāo)進(jìn)行除霜判定。

基于運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算可知，當(dāng)氣化器運(yùn)行至約424 min，結(jié)霜熱量損失系數(shù)達(dá)到除霜標(biāo)準(zhǔn)(5%)。另?yè)?jù)廠站監(jiān)控系統(tǒng)拍攝畫面分析得到的氣化器霜層厚度及結(jié)霜長(zhǎng)度數(shù)據(jù)可知，氣化器運(yùn)行至約86 min，霜層覆蓋率達(dá)到除霜標(biāo)準(zhǔn)(82%)；運(yùn)行至約215 min，結(jié)霜面積損失系數(shù)達(dá)到除霜標(biāo)準(zhǔn)(15%)。依據(jù)除霜判定標(biāo)準(zhǔn)，判定該氣化器在第424 min進(jìn)行除霜，并啟動(dòng)新的氣化器。新啟動(dòng)的氣化器運(yùn)行116 min，平均結(jié)霜熱量損失系數(shù)為0.3%。分別計(jì)算新啟動(dòng)的氣化器與氣化器繼續(xù)運(yùn)行造成的輔熱器能耗，結(jié)果顯示，氣化器切換除霜比繼續(xù)運(yùn)行至少可節(jié)省輔熱器熱量約23.4 MJ。

5 結(jié)論

結(jié)霜工況下LNG空溫式氣化器的傳熱性能與環(huán)境溫度密切相關(guān)，基于結(jié)霜工況下的LNG空溫式氣化器的傳熱性能變化規(guī)律探討氣化器的除霜判定指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)，得到以下結(jié)論：

① 構(gòu)建非結(jié)霜工況和結(jié)霜工況下LNG空溫式氣化器的傳熱模型，給出LNG空溫式氣化器結(jié)霜工況下的傳熱計(jì)算流程。分析環(huán)境溫度對(duì)氣化器表面結(jié)霜、天然氣出口溫度的影響。環(huán)境溫度是影響氣化器傳熱性能的關(guān)鍵因素，環(huán)境溫度越低，氣化器傳熱性能越差，結(jié)霜對(duì)傳熱性能的影響越大。

② 定義了能源需求度、結(jié)霜熱量損失系數(shù)、結(jié)霜面積損失系數(shù)及霜層覆蓋率作為氣化器除霜判定指標(biāo)，對(duì)于評(píng)價(jià)氣化器傳熱性能及結(jié)霜特性具有重要參考意義。

③ 以氣化器連續(xù)運(yùn)行8 h、出口溫度不低于278.15 K的參考環(huán)境溫度Tas為界限，確定了環(huán)境溫度不低于Tas和環(huán)境溫度低于Tas兩種情況下的氣化器除霜判定指標(biāo)及判定標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)環(huán)境溫度不低于Tas，以能源需求度不高于零作為除霜判定標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)環(huán)境溫度低于Tas時(shí)，依據(jù)參考工況下的結(jié)霜損失系數(shù)指標(biāo)(包括結(jié)霜熱量損失系數(shù)、結(jié)霜面積損失系數(shù)和霜層覆蓋率)計(jì)算值確定除霜判定標(biāo)準(zhǔn)。

④ 針對(duì)某LNG空溫式氣化器的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，運(yùn)用提出的除霜判定指標(biāo)進(jìn)行除霜周期切換，經(jīng)計(jì)算將節(jié)省約23.4 MJ的輔熱器熱量。