液化天然气浸没燃烧式气化器工艺计算

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1,2 (1. 甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730070；2. 上海蓝滨石化设备有限责任公司， 上海 201518)

设计计算

液化天然气浸没燃烧式气化器工艺计算

芦德龙1,2，张尚文1,2，文晓龙1,2，周少斌1,2，李金波1,2，武艳波1,2，荀娇1,2，吕甜甜

1,2(1. 甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730070；2. 上海蓝滨石化设备有限责任公司， 上海 201518)

天然气在一次能源中的应用率越来越高，液化天然气(LNG)行业也随之得到快速发展。以某LNG实际组分为例，利用HYSYS以及各种流态下的流体传热原理，通过对LNG物性、浸没燃烧式气化器(SCV)结构、流体传热以及管程压降等进行分析，对SCV进行了工艺设计计算，结果为：①SCV总传热系数可达763.41 W/(m2·K)。②所需理论换热面积为854.62 m2，设计结构下的实际换热面积为957.56 m2。③SCV管程压降为24.904 kPa。计算结果表明此SCV换热效率较高、管内流体流态正常及设计结构合理,可满足换热要求。此设计结构与类似工况进口设备的换热面积及结构形式基本一致，结果可为SCV研发提供一定的基础数据，并对同类型设备的研发、优化设计以及使用操作具有参考意义。

液化天然气； 浸没燃烧式气化器； HYSYS； 工艺计算

天然气(NG)与煤炭、石油并称目前世界一次能源的三大支柱。天然气的主要成分是甲烷，其热值高，燃烧产物对环境污染少，被认为是优质洁净的燃料，在能源、交通等领域具有广阔的应用前景[1]。

天然气在常压下，约-162 ℃可液化，称为液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)。LNG液化后体积缩小到气态时的1/600左右，有利于储存和运输[2]。LNG需要气化并恢复到常温后方可使用。LNG气化器是专门用于LNG气化的设备，是LNG工业中应用最为广泛的热交换器，也是LNG接收站的关键设备之一。LNG是低温流体，要使其转变为常温气体，必须依靠气化器提供相应的热量使其气化。LNG气化常用热源有燃料、海水、空气、工厂或电厂废热等。

根据热源的不同，气化器可分为以下几类：①以燃料为热源，主要有浸没燃烧式气化器(submerged combustion vaporizer，SCV)和热水浴式气化器。SCV以天然气为燃料通过加热水浴来气化LNG，此种气化器的气化量可在10%～100%进行调节，且启动速度快，能对负荷的突然变化及时做出反应。SCV主要用于紧急情况或调峰的快速反应,而热水浴式气化器由于热效率低而较少使用。②以海水为热源,主要有开架式气化器(open rack vaporizer，ORV)和带有中间介质传热的气化器(intermediate fluid vaporizer，IFV)。ORV可在0～100%的负荷运行，用于基本负荷型的大型气化装置。IFV通常采用丙烷、丁烷或氟利昂等介质作中间传热流体，实际传热过程是由LNG与丙烷等中间介质传热和海水与丙烷等中间流体传热两级换热组成。③以空气为热源，主要有空温式气化器和强制通风式气化器，目前主要用于中小型气化站和终端用户的LNG气化。

以下工况应首选SCV：①当海水温度过低或受到污染不能使用时。②要求启动速度快、对负荷突变能及时反应、投入成本低，作为调峰气化器来使用时。③如因上述原因限制，SCV可作为其他气化器的备用。因此，SCV是最为常见的LNG气化器类型之一，多年来已广泛应用于LNG接收站调峰及紧急使用情况[3]。

1 LNG物性

LNG是一种在约-162 ℃常压下储存的液态无色流体，主要成分为体积分数为85%～95%的甲烷(CH4)，其余为少量的乙烷、丙烷、氮气或通常存在于天然气中的其他组分，几乎不含水、硫、二氧化碳等物质。

典型实例LNG的组分见表1，典型实例LNG的指标参数见表2[4]。表2中，标况气化量是指0 ℃、101.325 kPa条件下单位体积液体气化生成气体的体积。

表1 LNG组成(体积分数) %

表2 LNG实例相关参数

2 SCV简介

SCV以燃料气作为热源加热水浴，再利用水浴对LNG加热并气化。SCV的LNG气化量可以在10%～100%内迅速调节，对负荷突然变化快速做出反应，特别适用于负荷变化幅度较大的工况。SCV启动速度快，也适用于紧急情况或调峰时的快速启动要求。在大型的LNG气化供气中心通常配备相应数量的SCV以备用气负荷激增的情况，提高系统的应变能力[5]。

SCV由换热管束、水浴、浸没燃烧器、燃烧室和鼓风机等组成[6]，工作原理示意图见图1。

图1 SCV工作原理图

燃料气在浸没燃烧器中燃烧，产生的热烟气和水浴直接进行热质交换，均匀地对水浴加热[7]。换热管束浸没在水浴中，管内的LNG被水浴槽内的热水浴加热并气化。热水循环流动，运用气体提升原理，管外部获得激烈的循环水流，这使得SCV热效率非常高。

以LNG实例2为例，用HYSYS对LNG的气化过程进行工艺模拟，发现气化过程中， LNG在某一温度下几乎瞬间全部气化，不存在气液两相区(即沸腾区域)。HYSYS模拟计算过程见图2，LNG气化摩尔分率-温度变化见图3。

图2 HYSYS模拟

图3 LNG气化摩尔分率-温度变化图

从图2、图3模拟可以知道，LNG气化过程不存在气液两相区。文中将LNG气化区域分为单相液区和单相气区[8]，对部分计算数据也分为单相液区和单相气区来讨论。

3 SCV设计实例参数

3.1

换热管结构选择[9]

根据处理量、介质特性以及热交换器管路置于水浴液位以下的特点，选择材质为S30408奥氏体不锈钢管、规格(外径×厚度)为25.4 mm×2 mm的光管200根组成了换热管束，单根换热管结构示意图见图4。

图4 单根换热管结构示图

3.2换热管束排列方式选择[10]

从换热效果角度考虑，选择叉排式盘管，排列方式为正三角形排列，见图5。图中，do为换热管外径，S1为换热管中心距，S2为正三角形腰高。

本例中，do=25.4 mm，S1=70 mm，S2=60.6 mm。

图5 叉排管束排列示图

3.3设计参数[11]

根据目前国内外LNG的储存温度、同类产品的设计和操作参数以及LNG的物性，考虑气化器产品的适用范围和LNG气化后的外输压力要求，文中按照常规设计条件的设计参数如下。

(1)气化量qm= 200 t/h = 55.56 kg/s，气化所需热流量Φ=40 MW，其中单相液区热流量Φ1=24.4 MW，单相气区热流量Φ2=15.6 MW。LNG平均密度ρi1=387.8 kg/m3，NG平均密度ρi2=155.5 kg/m3。

(2)LNG入口操作温度t1=-162 ℃(T1=111.15 K)，NG出口操作温度t2=3 ℃(T2=276.15 K)，LNG气化时温度tg=-56.4 ℃(Tg=216.75 K)，LNG入口操作压力pi=10.2 MPa，出口操作压力po=10.0 MPa，SCV管内最大压降Δpmax=200 kPa。换热管内、外污垢热阻Ri=Ro=0.000 176( m2·K)/W。

(3)管内流体单相液区导热系数λi1=0.129 4 W/(m·K)，黏度μi1=5.856×10-5Pa·s，比定压热容cpi1=3 554 J/(kg·K)；管内流体单相气区导热系数λi2=0.051 1 W/(m·K)，黏度μi2=1.664×10-5Pa·s，比定压热容cpi2=4 870 J/(kg·K)。

(4)管外水浴温度t3=15 ℃(T3=288.15 K)，导热系数λo=0.595 3 W/(m·K)，黏度μo=113.6×10-5Pa·s，比定压热容cpo=4 315.84 J/(kg·K)。

(5)换热管外径do=0.025 4 m，内径di=0.021 4 m，数量n=200，单程直管管长Ls=7.5 m，单根换热管程数N=8。忽略换热管弯管处长度，近似定义单根换热管长度L=LsN=60 m，水浴槽规格(长度×宽度)为8.5 m×3 m，管壁导热系数λ=16.3 W/(m·K)。

(6)燃气高热值H=53.16 MJ/kg，水浴密度ρo=1 015 kg/m3，燃气密度ρf=0.7 kg/m3，燃气热效率φ=95%。

4 SCV计算过程

4.1

实际换热面积Ac

忽略弯管部分，Ac可按下式计算：

Ac=nπdoL

(1)

将n=200、do=0.025 4 m、L=60 m代入式(1)得到Ac=957.56 m2。

4.2管内流体对流传热系数αi

本例中Rei>104，αi按下式计算[12]：

(2)

其中

式中，Nui为管内流体努塞尔数，Rei1为液相雷诺数，Rei2为气相雷诺数，Pri为管内流体普朗特数；λi为管内流体导热系数，W/(m·K)；di为换热管内径，m；(μ/μw)0.14为管内流体黏度校正系数，可参照文献[12]取值1.05；ui为管内介质流速，m/s；ρi为管内流体平均密度，kg/m3；μi为管内流体黏度，Pa·s；cpi为管内流体比定压热容，J/(kg·K)；qm为质量流量，kg/s。

对单相液区进行计算，将n=200、qm=55.56 kg/s、di=0.021 4 m、ρi1=387.8 kg/m3、μi1=5.856×10-5Pa·s、cpi1=3 554 J/(kg·K)、λi1=0.129 4 W/(m·K)代入式(2)计算可得到ui1=1.414 m、Rei1=2.38×105、Pri1=1.608、Nui1=663.14、αi1=400 9.83 W/(m2·K)。

对单相气区进行计算，将n=200、qm=55.56 kg/s、di=0.021 4 m、ρi2=155.5 kg/m3、μi2=1.664×10-5Pa·s、cpi2=4 870 J/(kg·K)、λi2=0.051 1 W/(m·K)代入式(2)计算可得到ui2=3.525 m/s、Rei2=7.05×105、Pri2=1.586、Nui2=149 9.78、αi2=3 581.26 W/(m2·K)。

4.3管外流体对流传热系数αo

管外水浴流速u0按照下式计算：

其中

(3)

式中，Qf为燃气用量，m3/s；S0为管外水浴流通面积，m2。

浸没燃烧器产生的热烟气和水直接进行热量交换，即双组分、两相流传热。水的传热系数远比热烟气的传热系数大，并且热烟气基本和换热管束表面无长时间接触。因此，可忽略热烟气与换热管束之间的换热，即热烟气与水直接换热，水与换热管束直接换热。为保证较高的热效率，根据文献[13]中的道尔顿定律及文献[14]，水浴温度以12～18 ℃为宜[5]。因此，选取水浴温度t3=15 ℃(T3=288.15 K)。

将Φ= 40 MW、H=53.16 MJ/kg、ρf=0.7 kg/m3、φ=95%、S0=19.33 m2代入式(3)计算可得到Qf=1.13 m3/s、u0=0.19 m/s。

因Reo=103～2×105，αo可按下式计算[10]：

(4)

其中

式中，Nuo为管外流体努塞尔数，Reo为管外水浴雷诺数，Pro为管外水浴普朗特数；(Pro/Prw)0.25可参照文献[10]取值0.88；ρo为水密度，kg/m3。

将S1=0.07 m、S2=0.060 6 m、do=0.025 4 m、u0=0.19 m/s、ρo=1 015 kg/m3、cpo=4 315.84 J/(kg·K)、μo=113.6×10-5Pa·s、λo=0.595 3 W/(m·K)、(Pro/Prw)0.25=0.88代入式(4)计算可得到Reo=4 211、Pro=8.236、Nuo=115.05、αo=2 372.81 W/(m2·K)。

4.4气相、液相传热系数K1、K2

K1、K2分别按下式计算：

(5)

(6)

将αi1=4 009.83 W/(m2·K)、αi2=3 581.26 W/(m2·K)、di=0.021 4 m、do=0.025 4 m、αo=2 372.81 W/(m2·K)、Ri=Ro=0.000 176(m2·K)/W、λ=16.3 W/(m·K)代入式(5)、式(6)，可得到K1=809.16 W/(m2·K)、K2=786.61 W/(m2·K)。

4.5气相、液相有效平均温差ΔTm1、ΔTm2

ΔTm1、ΔTm2分别按下式计算：

(7)

(8)

其中

ΔTmax1=T3-T1

ΔTmin1=T3-Tg

ΔTmax2=T3-Tg

ΔTmin2=T3-T2

式中，ΔTmax1、ΔTmin1分别为单相液区大、小温差端的流体温差，ΔTmax2、ΔTmin2分别为单相气区大、小温差端的流体温差，K。

将T1=111.15 K、T2=276.15 K、T3=288.15 K、Tg=216.75 K代入式(7)、式(8)中可得到ΔTmax1=177 K、ΔTmin1=71.4 K、ΔTmax2=71.4 K、ΔTmin2=12 K、ΔTm1=116.32 K、ΔTm2=33.31 K。

4.6气相、液相理论换热面积A1、A2

A1、A2按照下式计算：

(9)

(10)

式中，Φ1、Φ2分别为单相液区、单相气区的热流量，W。

将Φ1=2.44×107W、ΔTm1=116.32 K、K1=809.16 W/(m2·K)代入式(9)得到A1=259.24 m2。

将Φ2=15.6×107W、ΔTm2=33.31 K、K2=786.61 W/(m2·K)代入式(10)可得到A2=595.38 m2。

4.7气相、液相管内压降Δp1、Δp2

Δp1、Δp2按下式计算：

(11)

(12)

式中，λf1、λf2分别为单相液区、单相气区摩擦因数，按照文献[15]选取。

将λf1=0.015 1、A1=259.24 m2、ρi1=387.8 kg/m3、ui1=1.414 m/s、n=200、di=0.021 4 m、do=0.025 4 m 代入式(11)计算可得到Δp1= 4.415 kPa。

将λf2=0.012 3、A2=595.38 m2、ρi2=155.5 kg/m3、ui2=3.525 m/s、n=200、di=0.021 4 m、do=0.025 4 m 代入式(12)计算可得到Δp2= 20.489 kPa。

管内总压降Δp=Δp1+Δp2=24.904 kPa。

4.8总传热系数K

K按照下式计算：

(13)

其中

A=A1+A2

4.9结果分析[16-18]

通过计算结果A=854.62 m2

5 结语

随着LNG工业的高速发展，国内LNG的发展前景更为广阔，SCV国产化工作也迫在眉睫，其工艺设计计算是LNG接收站核心设备国产化必需解决的问题之一。高效、快速地设计研制出具有我国自主知识产权的SCV，结束其依靠进口的现状，不仅实现了降低设备投资的目的，同时提高了社会效益和经济效益。

[1] 顾安忠，鲁雪生，汪荣顺，等. 液化天然气技术[M]. 北京：机械工业出版社，2003.

(GU An-zhong, LU Xue-sheng, WANG Rong-shun, et al. Liquefied Natural Gas (LNG) Technology [M]. Beijing: China Machine Press, 2003.)

[2] 陈伟，陈锦岭，李萌. LNG接收站中各类型气化器的比较与选择[J]. 中国造船，2007，48(11): 281-288.

(CHEN Wei, CHEN Jin-ling, LI Meng. Comparison and Selection of the Vaporizer Type in LNG Terminal [J]. Shipbuilding of China，2007， 48(11):281-288.)

[3] 于国杰. LNG沉浸式燃烧型气化器数值模拟[D].大连：大连理工大学，2009.

(YU Guo-jie. Numerical Simulation of LNG Submerged-Combustuin Vaporizer [D]. Dalian: Dalian University of Technology，2009.)

[4] GB/T 19204—2003, 液化天然气的一般特性[S].

(GB/T 19204—2003，General Characteristics of Liquefied Natural Gas [S].)

[5] 顾安忠，鲁雪生. 液化天然气技术手册[M]. 北京：机械工业出版社，2010.

(GU An-zhong, LU Xue-sheng. Liquefied Natural Gas (LNG) Technical Manuals [M]. Beijing: China Machine Press，2010.)

[6] 中国石油唐山LNG项目经理部. 液化天然气(LNG)接收站重要设备材料手册[M]. 北京：石油工业出版社，2007.

(Tangshan LNG Project Manager Team of PetroChina. Liquefied Natural Gas (LNG) Terminal Important Equipment Material Manual[M]. Beijing: Petroleum Industry Press，2007.)

[7] SY/T 6928—2012，液化天然气接收站运行规程[S].

(SY/T 6928—2012，Operation Regulation for Liquefied Natural Gas Receiving Terminal [S].)

[8] 孙海峰. 浸没燃烧式LNG气化器的传热计算与数值仿真[D]. 北京：北京建筑大学，2014.

(SUN Hai-feng. The Calculation and Numerical Simulation of Heat Transfer Regarding Submerged Combustion Vaporizer for LNG [D]. Beijing: Beijing University of Civil Engineering and Architecture, 2014.)

[9] 陈永东. 大型LNG汽化器的选材和结构研究[J]. 压力容器，2007, 24(11): 40-47.

(CHEN Yong-dong. Material Choice and Structure Research of Large LNG Vaporizer [J]. Pressure Vessel Technology, 2007, 24(11): 40-47.)

[10] 杨世铭，陶文铨. 传热学[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

(YANG Shi-ming, TAO Wen-quan. Heat Transfer [M]. Beijing: Higher Education Press, 2006.)

[11] 张尚文. 液化天然气开架式气化器工艺研究和设计[J]. 石油化工设备，2012，41(3) :25-28.

(ZHANG Shang-wen. Process Study and Design of Liquefied Natural Gas Open Rack Vaporizer [J]. Petro-chemical Equipment, 2012, 41(3):25-28.)

[12] 柴诚敬. 化工原理[M]. 北京：高等教育出版社，2005.

(CHAI Cheng-jing. Principles of Chemical Engineering [M]. Beijing: Higher Education Press, 2005.)

[13] 傅忠诚，薛世达，李振鸣. 燃气燃烧新装置[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1984.

(FU Zhong-cheng，XUE Shi-da，LI Zhen-ming. New Devices of Gas Fired [M]. Beijing: China Architecture & Building Press，1984.)

[14] 王修彦. 工程热力学[M]. 北京：机械工业出版社，2008.

(WANG Xiu-yan.Engineering Thermodynamics[M].Beijing:China Machine Press，2008.)

[15] 董其伍，张垚. 换热器[M]. 北京：化学工业出版社，2008.

(DONG Qi-wu，ZHANG Yao. Heat Exchanger[M].Beijing: Chemical Industry Press，2008.)

[16] 曹文胜，鲁雪生，顾安忠，等. 液化天然气接收终端及其相关技术[J].天然气工业，2006，26(1)： 112-115.

(CAO Wen-sheng, LU Xue-sheng，GU An-zhong，et al. LNG Receiving Terminal and It’s Correlative Techniques[J]. Natural Gas Industry，2006，26(1)：112-115.)

[17] 邢云，刘淼儿.中国液化天然气产业现状及前景分析[J].天然气工业，2009，29(1): 127-130，154-155.

(XING Yun, LIU Miao-er. Status Quo and Prospect Analysis on LNG Industry in China [J]. Natural Gas Industry，2009，29(1): 127-130，154-155.)

[18] 王保庆.天然气液化工艺技术比较分析[J].天然气工业，2009，29(1): 118-120，153.

(WANG Bao-qing. LNG Processing Technologies and Comparison Analysis[J]. Natural Gas Industry，2009，29(1):118-120，153.)

(许编)

ProcessCalculationofLiquefiedNaturalGasSubmergedCombustionVaporizer

LUDe-long1,2,ZHANGShang-wen1,2,WENXiao-long1,2,ZHOUShao-bin1,2,LIJin-bo1,2,WUYan-bo1,2,XUNJiao1,2,LÜTian-tian1,2

(1. Lanpec Technologies Limited, Lanzhou 730070, China;2. Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co. Ltd., Shanghai 201518, China)

The utility ratio of natural gas in primary energy is getting higher and higher. Main while, liquefied natural gas (LNG) industry is developing rapidly. To provide data reference and technical supports to LNG vaporization key equipments, and taking an actual LNG process unit as example, a submerged combustion vaporizer (SCV) has been studied. Using HYSYS process simulation software and the heat transfer principles for all kinds of flow states, through the analysis and calculation of LNG physical property, the structure of SCV, fluid heat transfer, and tube side pressure drop, it is found that， ①The overall heat transfer coefficient of the SCV is up to 763.41 W/(m2·K).②The theory heat exchange area is about 854.62 m2, and the actual heat transfer area in this example is 957.56 m2.③The tube side pressure drop of the SCV is only 24.904 kPa. It shows that the heat exchange efficiency is preferable, the fluid flow distribution is normal, the equipment structure is reasonable and it meets the requirements of heat exchange. These calculated results are consistent with those of the imported equipment. It provides the basis for the research and development of SCV data reference and powerful technical support. It also has the reference significance to the research, development, optimization and operation of the similar equipment.

liquefied natural gas; submerged combustion vaporizer; HYSYS; process design and calculation

TQ050.2； TK124

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.004

1000-7466(2017)04-0017-06①

2017-03-20

芦德龙(1988-)，男，甘肃兰州人，工程师，学士，主要从事工艺系统及化工设备设计与研发工作。