一种新型LNG汽化器的设计

赵 丽 张周卫, 张小卫 郭舜之 李 河 丁世文

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院；2.甘肃中远能源动力工程有限公司)

一种新型LNG汽化器的设计

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(1.兰州交通大学环境与市政工程学院；2.甘肃中远能源动力工程有限公司)

针对传统LNG汽化器在连续工作中出现的结霜结冰现象，基于减压节流阀的工作原理，设计了一种新型LNG汽化器，以实现LNG汽化器的连续安全稳定高效运行。

LNG汽化器 减压节流阀

近年来，随着我国LNG行业的发展，与LNG相关的换热设备逐渐被人关注。LNG的物理特性(沸点-162℃)导致它对LNG换热设备有严格要求，常用的LNG换热设备是LNG汽化器[1]。LNG汽化器是一种专门将LNG蒸发汽化的换热装置，由LNG汽化器换热段、进口法兰管件、主管管路、分支管路法兰、主管管路法兰及LNG汽化器支架等构成。汽化器的基本传热单元是传热管。LNG汽化器一般选用环境汽化器，液态的天然气通过汽化器中的管线或者叶片与大气相通，液态天然气吸收空气中的热量后汽化[2]。然而，传统的LNG汽化器在运转过程中长时间接触液化天然气，以致汽化器传热管线上极易结霜和结冰，从而对LNG的汽化造成影响。通常情况下，传统汽化器在正常工作4h后，必须停运4h，这样才能保证汽化器的再次正常换热[2]。

阀门是管道系统中应用最广泛的执行机构，可以用来截断或调节管道系统中的介质流量[3]。基于此，笔者通过分析减压节流阀的减压节流作用，设计一种改进的带有减压节流阀的LNG汽化器，以缓解传统LNG汽化器结霜结冰的现象，提高其汽化效率。

1 减压节流阀

LNG汽化器管道内流动的是低温气体，所以对减压节流阀的性能有较高要求。减压节流阀(图1)是一种-200℃低温系统管道内置节流阀，直接将阀门通过上下卡箍安装于管道内即可实现管道内低温流体的减压节流过程，无需法兰或螺纹连接即可实现低温流体无密封、无泄漏管道输运与过程控制[4]。减压节流阀能够解决管道内低温流体由于低温高压工况易突变进而引起密封面破坏造成管道泄漏的问题，适用于管道内流体的减压与节流过程，有利于管道内低温流体的压力与温度控制，使低温相变输运过程保持相对稳定，实现流体的过程控制。

图1 减压节流阀结构示意图

减压节流阀涉及管道内置阀门原理、节流微分制冷效应及预应力平衡原理等。首先，将阀门安装于管道内并实现低温过程控制阀门管道内置。由于低温阀门安装于管道内，外表无连接件、无密封、无泄漏，整体管道连续不中断，管道连接处无密封面，因此解决了低温流体管道内连接件密封易破坏、系统易泄漏等问题。同时，管道外为光滑管，管道内阀门无安装痕迹，使过程控制工艺流程更加简单，外部设备管理更加方便。其次，通过管道内置节流阀控制管道低温系统温度，可产生节流制冷效应并输出冷量，使流体温度为所需控制温度。最后，应用预应力平衡原理，使弹簧在低温工况下的预应力与管道内工作压力达到平衡[4]。当管道压力达到弹簧预应力时阀门打开并节流减压，管道压力降低后阀门自动关闭，以此实现低温流体在管道内无密封无泄漏的节流制冷与降压过程。另外，通过减压机构控制低温系统内低压压力为流体所需控制压力，当管道内压力达到系统许用压力时，减压阀自动打开；小于许用压力时，阀门关闭，以此实现定压控制过程。

2 带有减压节流阀的LNG汽化器

2.1 工作流程

带有减压节流阀的LNG汽化器(图2)主要包括LNG汽化器换热段、进口法兰管件、减压节流阀、主管管路、分支管路法兰、主管管路法兰及LNG汽化器支架等。具体的工作流程为：LNG从主管管路法兰注入主管管路，通过与主管管路连接的支管法兰、减压节流阀、进口法兰进入汽化器换热管道进行换热，被汽化的LNG从汽化器另一端的出口排出。

图2 带有减压节流阀的LNG汽化器主视图

2.2 基本原理

传统LNG汽化器的换热段与分支管路法兰、分支管路法兰下部与主管管路均采用直接焊接。法兰管件与汽化器换热段一一对应。传统LNG汽化器的管道外和翅片间很容易产生结霜、结冰现象，导致管段的整体换热系数减小，工作效率降低。而笔者设计的带有减压节流阀的LNG汽化器，在分支管路法兰和进口法兰之间接入减压节流阀，并与管路法兰、进口法兰、汽化器换热段一一对应。当LNG进入减压节流阀时，刚开始阀门处于关闭状态，LNG在管道内短暂停留，管道外的空气温度较高，会对管道内的LNG有一定的加热作用。当LNG的压力累积达到减压节流阀的控制压力时，减压节流阀泄压，使一部分LNG被汽化进入换热器管道，另一部分LNG在汽化管道的物理作用下被汽化[1]。LNG汽化器的汽化管道四周装有很多正方形翅片，其主要作用是增加管道外的换热面积，使管段内的液体更易汽化。

3 结束语

针对传统LNG汽化器不能长时间连续运行的问题，在分支管路法兰和进口法兰之间接入减压节流阀，设计了一种带有减压节流阀的LNG汽化器。改进的LNG汽化器在减压节流阀的作用下，使一部分LNG汽化进入管道，实现流体的过程控制，从而使设备可以连续运行，提高LNG汽化器的汽化效率。然而，国内对LNG汽化器的研究才刚起步，因此后续需要对带有减压节流阀的新型LNG汽化器进行进一步的开发。

[1] 孟波,刘隆,王启.LNG低温阀门安全服役性能研究[J].化工机械,2015,42(5):701～705.

[2] 张小卫,张周卫,汪雅红,等.一种带有减压节流阀的LNG汽化器[P].中国:CN201520314912.6,2015-09-02.

[3] 李颀,栾翔鹤.智能阀门定位器的研究与开发[J].化工自动化及仪表,2010,37(4):64～66.

[4] 张周卫,汪雅红,张小卫,等.低温系统管道内置减压节流阀[P].中国:CN201110292879.8,2012-05-16.

DesignofNewLNGCarburetor

ZHAO Li1, ZHANG Zhou-wei1,2, ZHANG Xiao-wei2, GUO Shun-zhi1, LI He1, DING Shi-wen1
(1.SchoolofEnvironmentandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity;2.GansuZhongyuanEnergyandPowerEngineeringCo.,Ltd.)

Considering the frost formation and icing on the continuously-operated LNG carburetors, having the working principle of throttle valves based to design a new LNG carburetor was implemented to realize continuous and efficient and stable operation of the LNG carburetor.

LNG carburetor, throttle valve

甘肃省自然科学基金项目(1208RJZA234)；甘肃省财政厅基本科研业务费(214137)；甘肃省教育厅硕导项目(1104-01)。

赵丽(1990-)，硕士研究生，从事换热器设备的研究。

联系人：张周卫(1974-)，副教授，从事空间低温制冷技术、多股流多相流超低温换热技术的研究，zhangzwemail@126.com。

TQ051.6

A

0254-6094(2017)02-0182-03

2016-05-26，

2016-06-27)