新型LNG快速气化装置应用试验

严 平 William Yang 刘 勤 张歆悦 曹伟武

1.上海工程技术大学 2. CSIRO Mineral Resources 3.上海天然气管网有限公司

新型LNG快速气化装置应用试验

严 平1William Yang2刘 勤3张歆悦1曹伟武1

1.上海工程技术大学 2. CSIRO Mineral Resources 3.上海天然气管网有限公司

严平等.新型LNG快速气化装置应用试验.天然气工业，2016, 36(12): 108-112.

液化天然气（LNG）存在于低温高压环境，使用时必须先对其加热气化，因此LNG气化装置是不可缺少的重要装备，对LNG的高效利用具有至关重要的作用。为此，研发了一种新型LNG快速气化装置。该装置采用了已授权国家发明专利的气流旋水子、烟气循环系统、注水系统等创新技术，确保了装置的运行安全、提高了运行效率。在实验室试验取得成功的基础上，设计制造了工业性应用装置，并进行了试验以验证装置设计的合理性。试验结果表明：①新型LNG快速气化装置的效率、排烟损失、散热损失、自身燃料耗气率等都达到了设计要求，当负荷为1 800～2 200 m3/h时，效率均超过95%；当负荷为1 976.0 m3/h接近设计负荷2 000 m3/h时，效率为96.34%，最大负荷可达2 800 m3/h；②装置的负荷适应性强，且能适应外界用气负荷迅速增大的情况；③该装置的自身燃料耗气率低，仅为1.5%，符合节能要求。结论认为，该装置热效率高、启动快、气化速率高、结构紧凑、占地面积小，不受环境条件影响，适用于天然气供气管网中因各种原因无法连网的相对独立的中小规模区域。

新型LNG气化装置 启动快 气化速率高 伞型气流旋水子 烟气循环 注水系统 应用试验

天然气因其高效、清洁、储运使用便利而得到了广泛应用，但在城镇或不适宜大规模连网的区域，常以LNG作为气源独立建网；在管网调峰或需应急储备的区域，也常以LNG 作为储备气源的首选。而LNG存在于低温高压环境，为确保LNG快速气化投入使用，这些系统必须配置LNG加热气化装置[1-5]。为此，研制了一种启动快、气化速率高、不受环境约束的新型LNG快速气化装置，并进行了应用性试验，其效果令人满意。

1 新型LNG快速气化装置的工作原理

图1为新型LNG快速气化工业性应用试验装置的结构简图。如图1所示，燃料在燃烧室内燃烧产生高温烟气，高温烟气从烟气喷嘴高速喷出，冲击安装在喷嘴正下方、下部浸没于水中的气流旋水子，在气流旋水子圆弧形曲面的引导下，烟气切向冲击水面溅出水滴水雾，同时加热蒸发出水蒸气，在引风机的引导下，夹带着水分的烟气向上流动进入装置外壳与燃烧室外壁之间的环形通道，通道内安装着上盘管，在流经上盘管时，烟气与在管内流动的LNG换热后，部分经烟囱排入大气，部分进入循环烟气夹套，回到锥形喷嘴中与燃烧烟气混合后一起喷出喷嘴，以强化烟气流冲击水面的效果。通过这种方式，可控制进入上盘管的烟气温度，以确保烟温低于加热LNG的安全温度，保证装置安全运行；同时可控制烟气湿度，使烟气中的水蒸气在流经上盘管时发生相变而强化传热。装置传热面设计为上下螺旋盘管形式，上盘管围绕燃烧室外筒自下而上盘旋，用于加热气化LNG；下盘管浸没在水池中，用于加热已气化了的天然气，使其达到工艺参数，应用于工程实际[6-9]。

图1 新型LNG快速气化工业性应用试验装置的结构简图

2 新型LNG快速气化装置结构设计特点及创新

为实现上述工作原理，新型LNG快速气化装置设置了独特的燃烧加热和烟气循环系统、换热面布置和工质流程系统、水系统等，其中伞型气流旋水子、燃烧室内外筒、锥形烟气喷嘴、烟气再循环系统和自动注水系统等是创新设计，已获得3项国家发明专利授权[10-12]。

2.1创新设计的气流旋水子

图2 气流旋水子的效果示意图

气流旋水子是原始创新技术，是新型LNG气化装置的关键部件，其外形圆弧曲线和安装位置保证了垂直向下的烟气流转成切向冲击水面，实现了高温烟气降温增湿的目的。当从锥形喷嘴喷出的高温烟气冲击气流旋水子时，沿着其圆弧表面高速流动，转成切向冲击水面，溅出并卷吸水滴水雾形成带水烟气向上流动，在此过程中水分吸热蒸发，烟气放热降温，随后进入装有上盘管的换热区域，与管内的LNG换热。该技术方案的优点：①通过高温烟气与水大面积接触产生热质交换，适当降低了烟温，使烟温控制在天然气燃点温度以下[13]，确保LNG气化装置的安全运行；②使受热面内外的工质温差不致过大，以避免管壁热应力损坏；③烟气中的水蒸气在换热时发生凝结放热，以有效提高传热效果。图2为气流旋水子的效果示意图。

2.2创新设计烟气再循环系统

烟气再循环系统是装置的创新技术，它与气流旋水子一起保证了烟气冲击液面溅起水滴的效果。为了提高喷嘴出口的烟气流速，保证冲击效果，在燃烧室外设计一个同心圆筒，构成一个环形通道，上端与循环烟气入口连接，下端与锥形喷嘴连接，该环形通道作为烟气循环烟道，将部分烟气送回气化装置成为循环烟气与燃烧烟气混合，以提高喷口处的烟气速度，强化烟气冲击水面的力度。该技术方案的优点：①使循环烟气与燃烧烟气在锥形喷嘴中充分混合并高速喷出，有效地增大了烟速，提高了冲击力度；②促进烟气向水池的放热，利于下盘管的换热；③通过调节循环烟气量，能有效地控制烟气温度以调节装置运行；④低温再循环烟气的冷却作用，保护燃烧室外壁不致超温[14-15]。

2.3创新设计注水系统

注水系统是装置的创新技术，是确保水池水位的关键。在循环烟气通道顶部，沿燃烧室外壁设计布置了注水管，注水管为开有均匀小孔的圆环形不锈钢管，管外裹有细不锈钢丝网，确保水从小孔中喷出后沿钢丝网均匀扩散。该技术方案的优点：①确保水池水位，不致水位过低而影响烟气溅出水滴的效果；②注入水的冷却作用也保护燃烧室外壁不致超温；③注入水蒸发产生的水蒸气与混合烟气流一起从喷口射出，也增强了烟气的冲击力。

3 LNG快速气化装置工业性应用试验研究

LNG快速气化工业性应用试验系统建立在某天然气管网有限公司所属的LNG站内，该LNG站的任务是：将天然气供气管网在低谷时多余的天然气液化成LNG贮存备用或对外供应，在应急时将LNG气化补充管网供气。显然，试验系统建立在该站内能确保LNG供应稳定，气化后的天然气能纳入该站的进气管道，从而形成一个封闭的试验介质循环回路，对LNG快速气化装置工业性试验十分有利。试验系统主要由装置本体、燃气供给系统、LNG供给系统、气化后的天然气回流系统、补给水系统、烟气循环系统、仪表测试及自动控制系统等组成，整个试验系统布置如图3所示。

图3 LNG快速气化装置工业性应用试验系统示意图

试验用的LNG快速气化工业性应用装置的设计参数为：额定负荷为2 000 m3/h，LNG进口压力为0.5～0.6 MPa，天然气出口压力为0.4～0.5 MPa，天然气出口温度为5～15 ℃，所用燃料为管道天然气；以此进行设计计算，该装置的设计效率为95.33%，排烟损失和散热损失分别2.67%和1.5%，装置的自身耗气率为1.44%。

试验以LNG快速气化装置的负荷为基准做了5个工况，测试数据如表1所示。

表1 LNG快速气化装置试验数据汇总表

4 试验结果与分析

4.1验证新型LNG快速气化装置的设计参数

由表1可知：①装置的试验负荷范围为1 744～2 808 m3/h，与设计值2 000 m3/h相比，完全满足设计要求，尤其是其上限达到了140%额定负荷；②气化后天然气出口温度试验范围为2.7～23.6℃，与设计值5～15 ℃相比，达到了设计要求，且其温度上限达到了157%；③LNG进口压力的试验范围为0.537～0.598 MPa，与设计值0.5～0.6 MPa相比，其上限基本相当，可认为达到设计要求，但下限高于设计值0.5 MPa；④气化后天然气出口压力试验范围为0.502～0.546 MPa，与设计值0.4～0.5 MPa相比，上限达到了设计要求，下限也高于设计值0.4 MPa。试验时系统压力无法降低的原因：试验系统的气化天然气出口与LNG站天然气进气管网相连，试验系统的背压即LNG站进气压力，因LNG站的进气压力无法降低。因此无法降低试验系统压力进行试验。但分析认为，这并不影响LNG快速气化装置的工作性能，因为就气化装置而言，出口背压降低，必然使负荷调节幅度增大，这对气化装置的运行更有益。由此可见，试验用LNG快速气化装置达到了设计要求。

4.2新型LNG快速气化装置的效率

根据试验数据，对LNG快速气化装置在各工况下运行时的正、反平衡效率及相关参数进行了计算，计算结果见表2。计算结果表明：各工况下正、反平衡效率的误差均小于2%。因此计算结果有效。按规定，装置效率以正平衡效率为准。

表2 LNG快速气化装置计算数据汇总表

图4显示了装置效率与负荷的变化关系，当负荷为1 976.0 m3/h时，效率达到峰值96.34%，高于设计值95.33%；当负荷为1 744～2 228 m3/h时，效率均超过95%，可以认为LNG快速气化装置在该负荷范围内满足设计要求，可见，装置的负荷适应能力较强。但随着负荷继续升高，装置超负荷运行逐渐加大，其效率逐渐下降，当负荷为2 551～2 808 m3/ h时，效率分别为94.38%和93.20%，均低于设计要求；但应指出的是：此时装置负荷达到140%，在实际运用中，当外界用气需求大幅上涨必须紧急供气时，适当降低效率而满足供气需求有时是可以接受的，此时LNG快速气化装置的作用更为显著。

图4 LNG快速气化装置效率与负荷的关系曲线图

4.3新型LNG快速气化装置的排烟损失、散热损失、自身耗气率

装置排烟损失的设计值为2.67%，试验值如表2所示：当负荷为1 976.0 m3/h（工况2）接近设计值2 000 m3/h时，排烟损失为2.66%，与设计值相符。但在负荷偏离设计值，尤其在超负荷运行时，装置的排烟损失上升很快，导致装置效率迅速下降，这是因为在低负荷时，为维持炉内燃烧稳定，燃料量并不随负荷下降而同步减少，其结果必然导致排烟温度上升；而在高负荷时，随着燃料量增加，虽然工质吸热量增加，但由于传热效果等各种因素的影响，吸热量并不随燃料量的增加而同步上升，其结果必然导致排烟温度和排烟量迅速上升。显然，排烟损失是影响装置效率的主要因素，控制排烟温度能够有效提高装置效率。

装置散热损失的设计值为1.5%，试验值如表2所示：在负荷接近设计值时（工况2）为0.05%，与设计值相比，几乎可以忽略；在负荷偏离设计值时，散热损失均有所上升，但与设计值相比均可忽略，可见，试验表明装置的散热损失很小，这是因为装置的设计保证了装置外壁温度很低，因而有效地降低了散热损失。

装置自身耗气率的设计值为1.44%，试验值如表2所示：在负荷接近设计值时（工况2）为1.46%，与设计值相比，几乎相当，可以认为满足设计要求；在低负荷时，自身耗气率增大，因为要保持炉内燃烧稳定，燃料量不能同步下降；在高负荷时，自身耗气率变化不大，可见，装置节能效果较好。

5 结论

1）新型LNG快速气化装置是一种采用气流旋水子、烟气再循环系统、注水系统等多项创新技术的全新设施，已在工业性应用试验上获得成功，各试验参数达到设计值；该装置适用于相对独立的中小规模区域、需特殊供气参数的区域、需应急储备供气区域等以LNG作为供气源的场合。

2）试验结果表明：装置负荷为1 976.0 m3/h时，效率达到峰值96.34%；当负荷在1 800～2 200 m3/h之间时，效率均超过95%，可见，LNG气化装置的负荷适应性强，最大负荷可达2 800 m3/h，能适应外界用气负荷迅速增大的情况。

3）试验结果表明：影响装置效率的主要因素为排烟损失，装置的散热损失几乎可以忽略；装置自身耗气率仅为1.46%，符合节能环保要求。

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（修改回稿日期 2016-09-06 编 辑何 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

上海市科委重点支撑国际合作项目“新型LNG加热气化装置流场温度场优化和实验测试研究”（编号：13160501100）。

严平，女，1963年生，教授级高级工程师；主要从事天然气引射输配、预热加热和LNG快速气化装置方面的研发工作。地址：（201620）上海市龙腾路333号上海工程技术大学能源与环境工程研究所。电话：（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