空温式LNG气化器消雾的数值模拟研究

程 昊 李恩道 付子航

（中海石油气电集团有限责任公司，北京 100028）

0 引言

空温式气化器是利用空气作为热源的一种气化器，被广泛用于LNG接收站和气化站，其中在中国和日本主要用于气化站，而美国主要用于接收站［1］。当空温式气化器负荷增大到一定程度时，周围空气中的水分子凝结形成白雾，白雾阻挡场站内操作工人和槽车的视线成为安全隐患，严重时还会扩散至周边道路和社区对公共交通和居民生活造成影响［2-4］。随着我国LNG卫星站的不断增多，空温式气化器应用越来越广泛，研究一种有效的针对空温式气化器的消雾措施十分必要。

1 成雾原理及消雾方法

气化器周围产生白雾的主要原理如图1a所示［5］。当气化器工作时，周围的空气温度下降20～30℃，聚集在气化器底部P点，当P点温度降低至露点时，空气中的水分子凝结形成水滴从而形成白雾，冷空气持续生成则会导致白雾向外部扩散。假设冷空气扩散最远处为Q点，Q点温湿度代表当地大气环境情况，P点代表气化器下部白雾产生点，P点与Q点间的区域为白雾可能扩散的区域。如图1b所示，P、Q在湿度—温度图上分别代表露点和未饱和点，PQ连线与饱和线的交点为B，在饱和线上体现为R，因此P与B连线上的区域仍处在饱和线上，这段区域为白雾发生区，距离气化器较远的Q连线区域（包括A点）则位于饱和线之外，不会产生白雾。

图1 空温式气化器白雾发生区域示意图

对于一定大气温度和湿度条件下的露点温度，可以根据Magnus-Tetens近似法计算得到［6］：

式中，Td为露点温度，℃；a，b为系数，a＝17.27，b＝237.7；T为环境温度，℃；RH为相对湿度。

基于加快空气流通来消雾的理念，提出两种消雾方案：第一种是采用底部排气的消雾方式，由风机将雾气抽走向上空排放，其原理如图2a所示；第二种是顶部对流的消雾方式，如图2b所示。

图2 两种排气方案对照图

2 消雾方案的计算流体动力学模拟

为了获取全面量化的数据结果进行比较，采用国际上通用的ANSYS软件进行计算流体动力学（CFD）模拟。以广东省某LNG气化站为计算对象，其所处地区环境温度为27℃，湿度为80%，卫星站单台气化器尺寸为3.5 m×3.5 m×13 m，由于气化器结构的对称性，采用二维平面模拟，总模拟区域尺寸为100 m×50 m。

2.1 单台气化器正常工作的模拟

单台气化器工作的模拟如图3所示，从速度矢量图（左）可以看出，由于气化器在空间内形成冷源，周围空气进入气化器形成向下气流，在近地面形成2 m高的冷空气流，气化器底部和近地面空气流动速度最高为2.9 m／s。气化器底部温度最低，达到-2℃，近地面2 m以内空气温度均在露点以下。

2.2 底部排气消雾方案的模拟

图3 单台气化器运行时的速度场与温度场模拟图

对底部排气消雾方案进行模拟，每台风机气体流量为2×104m3／h，通风管道规格为DN800。CFD模拟得到的速度和温度场情况如图4所示，从速度分布图来看，气化器底部的围栏排气速度达到11 m／s以上，排出高度为30 m左右，排气侧的空气流动明显加强。从温度分布图来看，底部最低温度在0℃左右，比无措施工况下升高2℃，排风扇的另一侧近地面1 m左右处形成白雾，扩散距离约25 m，较无措施工况减半。

图4 底部排气消雾的速度场和温度场模拟图

2.3 顶部对流消雾方案的模拟

对第二种消雾方案进行模拟，如图5所示，模拟中在气化器的顶部设置一个风扇，以20 m／s的速度向下鼓风。从速度分布来看，顶部风机在气化器内部形成较为强烈的对流场，最大速度达到20 m／s，冷气到达底部后沿地面向四周扩散，地面流速达到14 m／s左右。从温度分布来看，气化器底部最低温度达7℃，比无措施工况上升9℃，露点以下区域仅为气化器周围地面0.5 m以内，扩散距离不超过10 m。从模拟结果看，该方案以加强对流的方式达到了使冷空气温度升高的目的，消雾效果较好。

图5 顶部对流消雾的速度场和温度场模拟图

3 消雾效果的影响因素分析

从不同地区气化器运行经验来看，湿度对白雾的产生和消散影响较大。在40%和80%两种空气湿度条件下，假设新鲜空气与雾气的混合比从0逐渐上升，混合气体的相对湿度将不断发生变化，如图6所示。40%湿度条件下，混合气体的相对湿度从100%均匀下降至40%，而80%湿度条件下，混合气体的相对湿度首先上升超过100%，直至新鲜空气占比超过70%才降至100%以下。

图6 相对湿度与空气混合比例的关系图

另外，经过模拟计算证实，风机流速的变化对消雾的效果影响较大。图7表示了不同的风机流速与消雾比例的关系，通过模拟不同风机流速下的雾气体积，得到相对于没有消雾措施情况下的消雾比例，从图7可见，两种方案的消雾效果均随着风机排风速度的提高而加强，顶部对流方案的消雾效果更好，同样风速情况下消雾的比例比底部排气方案要高20%以上。

图7 消雾比例与风速的关系图

3 结论

1）气化器工作时由于冷负荷较大，在气化器形成湿度为-2℃左右的冷气团沿地面向周围扩散，在近地面2 m范围内形成较大范围的白雾区域，模拟结果与气化站实测结果一致。

2）底部排气的消雾方案中，通过围栏和排风扇将白雾向高空排放，能够大大减少另一侧的白雾产生量，但是由于高空冷气团较重，冷气团向下聚集在气化器周围，因此会在排风一侧形成较大区域的白雾，导致白雾集中在排风一侧，实际消雾效果不明显。

3）顶部对流的消雾方案中，通过顶部的风扇加强气化器内部空气的对流，能够有效减少空气经气化器之后的温降，冷气团沿地面向四周流动速度加快，并且温度提升明显，模拟计算表明白雾生成区域相比正常运行工况大大降低。

4）白雾的产生与气化器的负荷、当地温度、湿度有很大关系。消雾措施目的是尽量减少白雾扩散范围而不是完全消除白雾，而在其他地区应当因地制宜地考虑消雾措施。

5）消雾的效果主要受空气湿度和排风速度影响，在排风速度达到一定数值后，消雾比例与排风速度呈线性关系，风速越高，消雾比例越大。