液化天然氣汽化器技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展分析

賈勁松*

（中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司）

0 前言

天然氣、煤、石油是被廣泛應(yīng)用的一次能源。天然氣是一種可燃?xì)怏w，其中甲烷含量高達(dá)95%，還含有少量其他烷烴。由于天然氣的密度小、不易液化，儲存和運(yùn)輸難度較大，且運(yùn)輸成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石油，所以目前常采用液化天然氣（LNG）的形式輸送到海外，通過運(yùn)輸終端LNG 接收站接收，后將其儲存、再汽化后分配給用戶，這一過程的核心設(shè)備是汽化器。

LNG 是天然氣經(jīng)過壓縮、冷卻后形成的，具有超低溫（-165 ℃）、高氣液膨脹比（600：1）等特點(diǎn)，LNG 汽化過程中會釋放巨大冷能。LNG 汽化系統(tǒng)就是將液態(tài)的LNG 汽化成天然氣，主要工藝流程為將來自LNG 儲罐的LNG 經(jīng)高壓泵加壓后進(jìn)入汽化器，汽化后的天然氣再通過計(jì)量調(diào)壓后通過管道、槽車輸送至下游用戶。LNG 汽化器是LNG 汽化工藝中最主要的設(shè)備，其具有造價(jià)高、設(shè)備周期長等特點(diǎn)，同時(shí)，LNG 汽化器為高壓設(shè)備，設(shè)計(jì)壓力一般為10～17 MPa。由于汽化器換熱原理及結(jié)構(gòu)形式不同，目前常見的LNG 汽化器有4 種：浸沒燃燒式汽化器(SCV)、中間介質(zhì)式汽化器(IFV)、空溫式汽化器(AAV)和開架式汽化器(ORV)。早期LNG 汽化器技術(shù)均被國外壟斷，為了打破汽化器技術(shù)壁壘，國內(nèi)企業(yè)也開展了IFV、ORV 和SCV 等汽化器的研發(fā)工作，目前IFV、ORV 和SCV 已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，整體LNG 汽化器采購成本相比進(jìn)口設(shè)備可降低30%～50%。

1 LNG汽化器類型

1.1 浸沒燃燒式汽化器

SCV 主要是利用浸沒燃燒法產(chǎn)生的煙氣增加水浴池內(nèi)池水的能量來實(shí)現(xiàn) LNG 的汽化過程，浸沒燃燒的過程屬于完全預(yù)混燃燒，傳熱方式是直接接觸式傳熱。SCV 的燃燒部分主要設(shè)備是燃燒器；換熱部分主要是由煙氣分布器、LNG 換熱管束和水浴箱等組成。為了使汽化效果達(dá)到最佳，SCV 的換熱管束在換熱過程中需要完全浸沒在水浴箱內(nèi)，LNG 在流動過程中通過管壁與水進(jìn)行換熱，采用氣液兩相橫掠換熱管傳熱的方式提高傳熱面積和傳熱效率。此外煙氣氣泡的快速上升會使水劇烈攪動，增強(qiáng)水和LNG換熱管束之間的流動換熱過程，所以SCV 的熱效率一般在98%左右。

1.2 開架式汽化器

ORV 是以海水為熱源的大型LNG 汽化裝置。工作時(shí)，LNG 由高壓泵送到汽化器底部的LNG 總管路中，并沿傳熱管束板垂直向上流動，同時(shí)海水從汽化器頂部的總管路進(jìn)入歧管，海水通過噴淋管路變成均勻的薄膜狀。然后，海水自上而下沿?fù)Q熱管束板流動，將熱量傳遞給LNG，汽化后的天然氣聚集在總管內(nèi)，送到下游工藝?yán)^續(xù)進(jìn)行后續(xù)處理。

1.3 中間介質(zhì)式汽化器

IFV 是通過中間介質(zhì)的沸騰冷凝過程實(shí)現(xiàn)LNG汽化，LNG 換熱過程可以劃分為蒸發(fā)區(qū)、汽化區(qū)和調(diào)溫區(qū)，每個(gè)區(qū)相當(dāng)于一個(gè)換熱器，完成一個(gè)換熱過程。工作時(shí)，先由丙烷吸收海水的熱量后沸騰上升到LNG 換熱管的位置，再將這部分熱量傳遞給LNG，使其在管內(nèi)先汽化。然后丙烷在管外發(fā)生冷凝，依靠重力掉落與海水繼續(xù)交換熱量沸騰上升，汽化后的LNG 在達(dá)到出口前與海水進(jìn)一步進(jìn)行熱量交換并升溫，完成一個(gè)循環(huán)過程。在整個(gè)過程中，丙烷只是傳遞熱量的媒介，可防止海水在近壁處結(jié)冰，影響傳熱效果，中間介質(zhì)丙烷可采用異丁烷、氟利昂、氨等介質(zhì)替換。

1.4 空溫式汽化器

AAV 的熱源來自空氣，利用空氣的低品位熱量來加熱LNG。為了增加換熱面積，AAV 通常采用翅片管等伸展體。因?yàn)锳AV 的熱源是空氣，所以運(yùn)行費(fèi)用很低，基本上沒有排放污染；但是其攜帶的熱量較少，一般被用于汽化量較少的場合。

2 LNG汽化器研究現(xiàn)狀

2.1 開架式汽化器

第一臺ORV 型汽化器安裝于英格蘭島。2011 年，海工英派爾工程有限公司成功研發(fā)出用于ORV 的海水分布器和換熱管，分布器能引導(dǎo)海水均勻、自然地溢流到換熱管外壁，形成分布均勻的海水液膜。海水配水器具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)LNG 市場的應(yīng)用前景日漸廣闊。

在實(shí)驗(yàn)和模擬研究方面，很多國內(nèi)外的專家和學(xué)者通常采用不同的換熱管結(jié)構(gòu)和減小管內(nèi)外流體的流動阻力來達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的，如余美玲[2]提出了新型內(nèi)螺旋強(qiáng)化管(如圖1 所示)，這種流道能增加換熱面積，管內(nèi)的螺旋凹槽結(jié)構(gòu)還可以通過提高流體的湍流強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)換熱強(qiáng)化；趙振華[3]在傳統(tǒng)星型翅片管基礎(chǔ)上焊接二級弧形翅片（如圖2 所示），使換熱管數(shù)量由200 根減少到了106 根，換熱器整體尺寸縮小了41%左右，使用新型翅片管的換熱器傳熱系數(shù)增大了40%，熱負(fù)荷提高了70%，傳熱效果顯著提高。

圖1 新型內(nèi)螺旋強(qiáng)化管

圖2 新型換熱管截面圖

2.2 浸沒燃燒式汽化器

全球第一臺多燃燒器式 LNG 汽化器安裝在美國阿拉巴馬州。第一臺單燃燒式 LNG 汽化器于1978 年在歐洲安裝。國內(nèi)首臺研發(fā)制造的 SCV 在江蘇 LNG接收站投產(chǎn)運(yùn)行。

國外學(xué)者關(guān)于浸沒燃燒式汽化技術(shù)的相關(guān)研究已有一定成果。1974 年， Golovichev 等[4]研究了在湍流狀態(tài)下提高浸沒燃燒器點(diǎn)火的可能性和穩(wěn)定性，得到了射流邊界和火焰擴(kuò)散方程。2009 年，Linck 等[5]研究了燃料氣燃燒和噴嘴結(jié)構(gòu)對浸沒燃燒管噴管結(jié)構(gòu)的影響。國內(nèi)學(xué)者對SCV 的相關(guān)研究也日益增多。竇興華[6]用Fluent 軟件模擬了SCV 流體域中氣液兩相流場、溫度場和壓力場的分布情況，描述了汽化器中流體的流動和傳熱過程。齊超等[7]通過建立SCV換熱管的傳熱計(jì)算模型，對LNG 入口流量、溫度、壓力以及換熱管污垢熱阻對水浴溫度的影響進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：采取管內(nèi)傳熱強(qiáng)化措施可有效降低換熱過程中所需要的水浴溫度，同時(shí)也能減少換熱管長度。

2.3 中間介質(zhì)汽化器

2014 年，航天科工哈爾濱風(fēng)華有限責(zé)任公司成功研制出國內(nèi)首臺 LNG 中間介質(zhì)汽化器，為后續(xù)的產(chǎn)品研發(fā)打下了基礎(chǔ)。江蘇中圣與上海利策公司合作開發(fā)了一種用于海洋環(huán)境的中間介質(zhì)汽化器，是國內(nèi)第一臺自主研發(fā)設(shè)計(jì)并成功制造的可用于海洋環(huán)境的中間介質(zhì)汽化器，這項(xiàng)技術(shù)目前還有待完善，只有少量的裝置投產(chǎn)，一般運(yùn)行時(shí)間較短。

此外國內(nèi)外還有許多專家學(xué)者對此進(jìn)行了研究，宋坤等[8]詳細(xì)介紹了IFV 換熱過程，并從數(shù)值傳熱學(xué)和熱力學(xué)的角度給出了IFV 傳熱過程的計(jì)算方法。白宇恒等[9]以IFV 換熱器整體能量守恒關(guān)系為前提，將IFV 分為汽化器、蒸發(fā)器和調(diào)溫器，并建立了一維傳熱模型，計(jì)算各換熱器的換熱面積和換熱管數(shù)等參數(shù)。Liang 等[10]建立IFV 的物理及數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算得到IFV 出口壓力的影響因素，并認(rèn)為隨著LNG 進(jìn)口壓力增大，其出口壓力也會隨之增加。

2.4 空溫式汽化器

目前國內(nèi)外的空溫式汽化器的研究主要集中在管內(nèi)的沸騰換熱、管外空氣側(cè)的翅片管結(jié)霜、超臨界流動與傳熱等。Chen[11]對沸騰換熱過程的規(guī)律進(jìn)行了研究，給出了Chen 關(guān)系式；Gungor 等[12]對有機(jī)介質(zhì)的強(qiáng)制對流過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對幾千組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，歸納總結(jié)出了Gungor-Winterton 換熱關(guān)系式；Gong[13]等對池沸騰進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，分析了乙烷與丙烷對傳熱效果可能產(chǎn)生的影響，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，選取目前現(xiàn)有的相關(guān)公式進(jìn)行了計(jì)算，并與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比；張朋等[14]利用 Fluent 軟件對液氮相變傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，采用了mixture 混合的模型，并利用 UDF 來使模擬結(jié)果更貼近實(shí)際，分析了溫度、換熱面積和長徑比對換熱過程的影響；李祥東等[15]對液氮流動沸騰過程進(jìn)行了深入研究，分析了能質(zhì)傳遞規(guī)律，建立了對應(yīng)的模型，該模型修正了界面面積濃度和氣泡掙脫直徑的計(jì)算式，并將計(jì)算結(jié)果與有關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了其合理性。

3 新型LNG汽化器發(fā)展概況

3.1 基于SCV的優(yōu)化改進(jìn)型汽化器

Lee 等[16]發(fā)明了一種移動式LNG 汽化器，當(dāng)LNG 通過用于輸送LNG 并延伸預(yù)定長度的輸送管輸送時(shí)，熱量可以通過輸送管的浸沒加熱傳遞給LNG，使管道內(nèi)的LNG 汽化，同時(shí)，輸送管汽化區(qū)內(nèi)有螺旋結(jié)構(gòu)，能有效提高熱效率。該發(fā)明通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)將熱量均勻地傳遞到LNG 整個(gè)輸送流中，并且在執(zhí)行控制時(shí)使LNG 汽化，使熱效率最大化。Yamazak 等[17]提出了一種使添加劑（如中和劑）即使在浸沒式燃燒汽化器的運(yùn)行過程中也能安全可靠地供給的方法。由鼓風(fēng)機(jī)供給的空氣和由燃料供給源供給的燃料由浸沒在水箱下降管處的燃燒器點(diǎn)燃，其燃燒氣體通過吹掃管注入水中以產(chǎn)生氣泡，傳遞熱量將換熱管中的LNG 汽化成天然氣。這種SCV 的水箱中有添加劑進(jìn)料管，其下端從水面向下延伸，添加劑可以從上端側(cè)進(jìn)料到水中。

3.2 基于IFV的優(yōu)化改進(jìn)型汽化器

Egashira 等[18]介紹了一種中間介質(zhì)汽化裝置，該汽化裝置包括傳熱管、海水流經(jīng)傳熱管，中間介質(zhì)經(jīng)傳熱管外的換熱管后蒸發(fā)成氣態(tài)，剩下為液態(tài)；還介紹了中間介質(zhì)汽化裝置的工作原理，汽化狀態(tài)的中間介質(zhì)將熱量傳遞給LNG，從而使LNG 發(fā)生汽化，自身冷凝變成液態(tài)，以此達(dá)到循環(huán)使用的目的。換熱管線由鈦或鈦合金制成，管線表面有凹槽，凹槽上部是與外部連接的空腔。Egashra 等[19]經(jīng)過大量調(diào)研提出了一種新型的中間介質(zhì)汽化器，還是以海水為熱源將熱量傳遞給中間介質(zhì)，使其發(fā)生部分汽化，汽化的中間介質(zhì)再跟LNG 換熱，使LNG 汽化成天然氣。LNG 汽化器配備了層壓體的層壓式熱交換器，層壓體由以中間介質(zhì)為流動路徑的第一流動路徑和以LNG 為流動路徑的第二流動路徑組成。層壓式熱交換器的安裝方向?yàn)椋旱谝涣鲝窖卮怪狈较蜓由旎蜓貎A斜于垂直方向延伸，使得中間介質(zhì)在第一流徑中因重力作用向下流動。

3.3 基于ORV的優(yōu)化改進(jìn)型汽化器

Choi[20]發(fā)明了一種海水式LNG 汽化器。超低溫流體通過進(jìn)料管引入，換熱管與超低溫流體進(jìn)料管垂直布置，氣體排放管與汽化器換熱管平行連接，超低溫流體通過汽化器管被汽化后排放出去，海水供應(yīng)構(gòu)件布置于氣體排放管上方，將海水滴向換熱板進(jìn)行換熱，汽化管散熱翅片沿管外表面的圓周布置，內(nèi)部設(shè)置了供液管，流體供給管的內(nèi)部設(shè)置縱向上具有螺旋結(jié)構(gòu)的扭板。因此，超低溫流體可以有效地進(jìn)行熱交換并迅速汽化。Hisada 等[21]通過實(shí)驗(yàn)和有限元分析對開架式汽化器傳熱管進(jìn)行了熱應(yīng)力分析，獲得了具有耐久性的最佳傳熱管結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上建立了開架式汽化器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法并進(jìn)行具有良好經(jīng)濟(jì)性和可靠性的高性能開架式汽化器設(shè)計(jì)。

3.4 基于AAV的優(yōu)化改進(jìn)型汽化器

Choi 等[22]發(fā)明了一種以環(huán)境空氣為熱源的汽化器換熱管，其翅片管包括空心管形的聯(lián)軸節(jié)凸臺和在聯(lián)軸節(jié)凸臺周長上徑向形成的散熱翼，以及在泵噴射壓力時(shí)通過膨脹與聯(lián)軸節(jié)凸臺內(nèi)表面附著的管道，管道直接插入聯(lián)軸器凸臺內(nèi)。翅片管通過使耦合凸臺的長度小于或等于整個(gè)管道長度的一半而形成，便于組裝多個(gè)耦合凸臺，在每個(gè)聯(lián)軸節(jié)凸臺上形成沿聯(lián)軸節(jié)凸臺圓周方向切割的切割單元。該換熱管能夠有效防止材料的導(dǎo)熱性能下降，并通過翅片管與該管之間的溫差來減小每一翅片管與該管的收縮。Lee等[23]采用傳熱傳質(zhì)相結(jié)合的動態(tài)數(shù)值模型，研究了LNG 加熱爐表面霜層的形成機(jī)理和熱性能降低規(guī)律。通過建模和仿真，研究了LNG 凍結(jié)生長趨勢和溫度分布隨位置和時(shí)間的變化規(guī)律，觀察到了從弗羅斯特的增長趨勢，并對空氣條件如相對濕度、溫度和速度的敏感性分析以及選擇工廠位置、氣候條件和風(fēng)扇容量進(jìn)行了指導(dǎo)。

4 結(jié)論

LNG 汽化器作為LNG 接收站汽化系統(tǒng)的核心設(shè)備，早期相關(guān)的核心技術(shù)均被國外壟斷，我國LNG汽化器研究設(shè)計(jì)水平與發(fā)達(dá)國家存在一定差距，所以借鑒目前相對成熟的LNG 汽化器技術(shù)，并結(jié)合傳統(tǒng)石油化工產(chǎn)業(yè)的換熱器技術(shù)，打破國外技術(shù)壁壘，不斷創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型LNG 汽化器對于我國LNG 產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)科學(xué)、健康、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

經(jīng)過幾十年的設(shè)備國產(chǎn)化科研攻關(guān)，成功研制了首臺國產(chǎn)IFV、SCV、ORV 等一系列LNG 汽化器，大幅度降低了設(shè)備本身產(chǎn)品的采購和售后維護(hù)成本，同時(shí)有效保障了LNG 項(xiàng)目的穩(wěn)定運(yùn)行。面對新形勢下能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型的新需求，目前LNG 汽化器的發(fā)展正面臨著清潔化、低碳化的新挑戰(zhàn)。