中间介质气化器综述

王 凯

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

天然气作为一种清洁能源，正在提供全球能源供应方面发挥着重要的作用。天然气作为优质高效的低碳能源，可与可再生能源形成良性互补，促进可再生能源发展。我国 《能源生产和消费革命战略（2016-2030）》将发展天然气作为构建清洁低碳安全高效能源体系的主要措施。天然气的供应链中，消费市场通常位于距离气田很遥远的地方，液化天然气是针对大规模海上运输或者管道运输的一种有效措施，而在LNG接收端，气化器将LNG再气化的核心传热设备。市场上气化器种类繁多，中间介质气化器（IFV）则是其中一种。

1 中间介质气化器的优点

中间介质气化器的优点有：

1）相比于空温式气化器，中间介质气化器换热性能更好。中间介质气化器采用丙烷、异丁烷、氟利昂、氨等介质作为中间介质传热介质，将海水的热量传递给LNG，属于强制对流传热，而空温式气化器换热管管外是空气，属于自然对流传热，所以中间介质气化率高。

2）相比于浸没燃烧式气化器，中间介质气化器更节能。中间介质气化器的热源是海水，海水温度比较稳定，热容量大，是取之不尽的热源，也不需要进行辅助加热，即可在蒸发器中加热沸点很低的中间介质，所以中间介质节能。

3）中间介质气化器最大的优点是解决了其他气化器存在的结冰结霜问题。海水没有与凝结器直接接触，而是利用中间介质沸点低的特性，蒸发器中的海水加热使中间介质蒸发为气体，然后中间介质在凝结器上凝结传热，液化后受重力作用回落到蒸发器，再次被蒸发，如此在蒸发器和凝结器组成的壳程内封闭循环。

2 中间介质气化器的缺点

1）中间介质气化器是属于海工况设备，需要面对海面晃动问题。在晃动工况条件下，中间介质气化器中的蒸发器容易出现“干烧”问题，凝结器容易出现飞溅液体浸没管束现象从而换热失效。

2）相比与其他气化器，中间介质气化器耗材成本更高。中间介质气化器的制造材料需要耐低温，耐高压，耐腐蚀，耐磨损。蒸发器与调温器中与海水接触的换热管采用钛材或者衬钛复合。凝结器中与液化天然气接触的换热管采用304不锈钢，也可选择复合钢板。该气化器制作中用到的材料加工工艺复杂，尤其焊接工艺。

3 中间介质气化器的计算模型

中间介质气化器包含三个关键部分：调温器，蒸发器，凝结器。流经这三个换热器的工质存在联系但又各不相同，所以换热器的工质状态参数互相影响。如图1所示，海水首先从调温器进去，入口温度为Tsw1，在调温器中释放部分热量后从出口出来，温度降低为Tsw2；再从蒸发器入口进去，在蒸发器中释放部分热量给中间介质（丙烷）；最后从蒸发器出口出来，温度降低为Tsw3。天然气则从凝结器的入口进去，入口温度为Tlng1，在凝结器中吸收丙烷释放的热量后从出口出来，温度上升为Tlng2，再进入调温器吸收海水的部分热量后出来，温度上升为Tlng3。蒸发器和凝结器是封装在一个容器内，这样丙烷可以被循坏使用，作为中间介质传递热量，饱和温度为Tsat。

图1 中间介质气化器工作原理

2013，白宇恒等[1]人提出一种求解中间介质气化器换热面积的计算方法，将调温器，蒸发器，凝结器三个换热器分别独立建立一维数值模拟模型，再分别对三个换热器进行换热计算，该模型是在中间介质气化器能量守恒的基础上建立的，这样不仅满足中间介质气化器系统能量守恒，同时也满足单个换热器能量守恒。

2014年，Pu等[2]人提出的传热模型和计算方法为基础，进一步研究了IFV的温度校核计算。2015年，Xu等[3]通过考虑工质初始速度的考虑，提出了一种新型计算方法，对IFV的所需换热面积进行了数值计算。2018年，Han等[4]人通过考虑传热管长度的约束，建立了一种基于分布参数法的新数值模型，以确定IFV的传热性能和所需传热面积，研究了中间介质及其饱和参数、海水入口温度和海水温度降温度降的影响。

Bai、Pu和Xu的模型都是按照工程设计思路建立，液化天然气进入凝结器的温度Tlng1和流量msw是已知量，从调温器出来的天然气的温度Tlng3需要满足用户的要求，海水进入IFV的温度Tsw1由当地季节与气候决定，从IFV排出来的海水的温度需要符合环保标准，所以海水温度Tsw3也是已知量。丙烷的温度Tsat也被设为定值，忽略丙烷受到管内换热量变化带来的影响。海水物性对海水的压力Psw敏感度很低，所以可以设Psw为定值。液化天然气在凝结器和调温器中流动压力损失相对较小，可假设液化天然气是在恒定压力Plng下进行换热。Tsw2的变化对整个模型计算的收敛性有很大影响，在这个模型中，将Tsw2设为已知量，根据现场经验将Tsw2初步给出，否则计算容易发散。另外换热管的管径选取应满足相关标准的要求，太长会造成IFV占地面积太大，太短容易造成结构不合理，在计算过程中，可以通过改变管子的数量来改变换热面积；调温器中的天然气横略管束的流道并非等截面管道，需进行简化为等面积的流道进行计算。

4 中间介质相关研究进展

到目前为止，IF及其饱和条件对IFV性能的影响在公开文献中很少有报道。之前提到的白宇恒这篇文献中对换热计算的研究也仅限于丙烷这单一的中间介质。2013年，Patel[5]建议使用一些碳氢化合物（例如丙烷、丁烷或混合制冷剂）作为中间介质。碳氢化合物具有低成本，易获取，环保等优点，所以目前正被广泛研究与使用。

2015年，Xu等人[3]通过数值计算综合比较了IFV中5种候选中间介质（丙烷，丙烯，丁烷，异丁烷，二甲醚）在不同饱和温度下的换热面积和换热系数，并选择了合适的中间介质。结果表明，丙烯具有最佳的传热性能，但其较高的饱和压力需要增加容纳凝结器与蒸发器的管壳的壁厚，从而限制了其应用。随着丙烷饱和温度的升高，IFVs所需的总HTA首先降低，然后增加，最佳饱和温度在250-265K范围内。

2020年，王硕等人[6]提出采用混合工质作为中间介质，混合工质的摩尔分数为：1.25% N2，41.98% C2H6，30.63% C3H8，26.14%，C4H8，对IFV进行换热计算及分析，并对混合中间介质运行参数的优化和海水温降变化对换热效率的影响等开展研究。结果表明，以该混合工质作为中间介质，凝结器的对流换热系数随着混合工质的饱和温度升高而升高，蒸发器反而随之降低；蒸发器的换热性能随着海水温度的升高而越好，凝结器的换热性能反而不会随着海水温度的改变而变化。当海水温度范围为283.15～298.15K时，中间介质的最佳温度范围为256～265K。

5 对IFV的研究展望

目前对IFV的换热计算研究偏向于工程设计，都是将三个换热器分开进行独立求解，计算精度仅仅满足工程设计精度。对于如何从运行的角度将调温器、蒸发器、凝结器三者耦合进行换热计算与分析的研究较少。对IFV进行模拟换热计算中，需要将换热器根据长度或者焓值进行离散，目前的研究缺乏对离散的段数进行无关性验证。中间介质气化器的实验数据和工程数据很少，目前的研究缺乏有效的对比验证。很多文献中在模拟计算天然气物性时都是将天然气假设为单一物质甲烷利用REFPROP8.0程序进行物性计算。天然气作为混合物，有很多组分，组分种类与占比不同构造了贫组分，富组分等种类。具体的组分占比又表现出不同的物理性质，可以进一步在天然气组分方面进行研究。混合工质这方面还可以进一步研究，可以通过实验与模拟的方法获得最适合IFV的混合工质。换热关联式的选取也会影响计算结果。相比比其他气化器，IFV的换热性能更好，更适用于天然气冷能发电系统，可以进一步研研究IFV的冷能发电系统。

6 结语

中国的十四五规划将对能源转型和全球气候产生复杂影响，天然气作为清洁能源更加其发展受到重视，LNG产业链中，LNG接收站是必不可少的环节，气化器在接收站中扮演着重要角色。中间介质气化器是一种新型的LNG气化器，由于由于没有结冰与结霜的问题，换热性能优越，在市场上受到了广泛关注。同时，IFV的热源是海水，不仅容易取得，还绿色环保，可用作冷能发电，符合新时代能源发展要求。