LNG空温式气化器气化过程的数值分析

.第28卷第2期煤气与热力Vol. 28 No. 22008年2月GAS & HEATFeb.2008液化天然气LNG空温式气化器气化过程的数值分析高华伟'，段常贵'，解东来”，王垣'(1.中燃哈工大燃气技术研究院，广东深圳518033; 2.华南理工大学，广东广州510641)摘要:根据传热机理的不同,将低温LNG在空温式气化器内的流动过程分为3段,建立了各段内天然气传热的模型,进行了数值计算。建立的模型可为LNG气化站气化器选型及运行管理提供理论依据。关键词:空温式气化器; 传热模型; 数值计算; LNG 气化中图分类号: TU996文献标识码: A文章编号: 1000 - 4416(2008 )02 -0B19 -04Numerical Analysis of Vaporization Process in LNGAir-heated VaporizerGAO Hua-wei,DUAN Chang-gui,XIE Dong-lai ,WANG XuanAbstract:According to different heat transfer mechanisms, the flow process of low temperatureLNG in air-heated vaporizer is divided into three sections. 'The models for natural gas heat transfer of eachsection are established, and the numerical calculation is performed. The established model can providetheoretical basis for lectotype，operation and management of vaporizers in LNG vaporization station.Key words : air-heated vaporizer; heat transfer model; numerical calculation; LNG vaporiza-tion1概述2空温式气化器 气化过程的分析我国已建成的LNG气化站规模不一，供应用户空温式气化器包含蒸发部与加热部，蒸发部由有居民用户,也有工业用户和商业用户。在实际应端板管连接并排的导热管构成,加热部由用弯管接用中,液化天然气总是要气化并恢复到常温以后才头串联成一体的导热管组成。导热管是将散热片和使用,空温式气化器是整个供应系统的核心设备。管材挤压成型,其横截面一-般为星形翅片,翅片材质空温式气化器的优点是直接吸收大气中热量,采用铝合金。LNG空温式气化器的安装形式为立不消耗水、电等,运行成本低;缺点是气化器体积大,式、露天。在冬季气化器出口天然气温度较低。目前,对于气化器中LNG的气化过程是- -个以沸腾换热LNG空温式气化器的研究还比较少,一般是依据现为主的传热传质过程。LNG在翅片管内流动吸热有的相关经验来进行设计制造,实际使用偏差较大。气化， 管外传热为自然对流换热,热量由空气通过翅研究空温式气化器的传热是-项十分重要的技术基片及管壁传给LNG。当LNG温度达到泡点时，液体础性工作,可为合理选择空温式气化器及其经济评开始沸腾气化,气相与液相处于平衡;随后气相中各价提供理论依据,也可作为工程设计的参考,具有现组分所占比例随时间不断变化，并趋近于原料液化实意义。天然气中各组分所占比例，最终气体中各组分的比●B19.第28卷第2期煤气与热力www. watergasheat. com例与原料液体中各组分所占比例相同，此时的温度相段的对流换热计算。LNG 的物性参数(黏度、热称为露点。泡点是液相段和气液平衡段的分界点，导率密度等)的计算,可采用《气液热物性估算手露点是气液平衡段和气相段的分界点,二者是气化册》中推荐的公式"。器传热模拟中的关键参数。①空气与管壁间的对流换热量由于LNG在气化器内的气化过程较复杂,为了关于自然对流换热的计算,有研究者在整理大更好地分析气化器的传热性能,本文仅研究干空气量文献数据的基础上推荐了竖壁的自然对流准则关条件下的气化器传热情况，且对气化器的传热进行联式2]:如下简化:0.387Ra'6①刚进入气化器的低温LNG与气化器中原Nu=f0.825 +-[1 +(O.42//>/01有LNG的混合是在一瞬间完成的,即气化器中LNG(1)的温度与各组分的比例在液体内部处处均匀。②沿管程分为3段:液相段、气液平衡段和气式中Nu-- 努塞尔数相段,各段天然气的热物性参数采用相应公式计算。瑞利数③在气液平衡段， 气化器中液化天然气液体Pr--普朗特数与气体任意时刻均处于气液平衡状态。把式(1)用于定热流边界条件下求取壁面的平④管流采用一维近似,不考 虑压缩性和热膨均Nu时,应取壁面长度--半处的壁面温度与流体胀性。温度之差作为计算温差,以此处的边界层平均温度⑤气化器管壁 仅考虑径向导热。为定性温度。则定性温度可表示为:3传热模拟计算Two+TTm=- 2(2)经研究LNG在气化器中的流动过程及传热特点,为便于分析,可把气化器传热看作一根翅 片管传式中.-定性温度,K热,低温LNG从翅片管底部进入,上部出去,这对传T.一微元段翅片管外壁 平均温度,K热模拟结果影响很小。T一微元段天然气起始温度,K3.1边界条件查空气热物性数据包，可得空气在温度为T。从翅片管人口处开始算起，沿着翅片管长度方时的热物性数据,从而可求得Ra,见下式:向,每隔1 cm取1个微元,建立气化器气化过程的Ra_Bgo(T。-T.)B(3)传热模型。所需要确定的边界条件有:天然气组成、D气化器工作压力、天然气流量及环境温度等。天然式中g- -重力加速度,m/s2气组成及参数见表1,空温式气化器的主要技术参体积膨胀系数,K -数见表2。T。一环境温度,K表1天然气组成及参数定型尺寸,m气相体积分数/%气态密度液态密度 气态低热值,一-空气运动黏度 , m?/s|甲烷乙烷丙烷|(MJ.m°)(kg.m°3)(MJ.m-2)空气与翅片管的表面传热系数a可由式(4)确77.7617.544. 700.82463.4039. 476定:表2 LNG 空温式气化器主要技术参数进口设计温度/C- 196.Nu(4)运行温度/-145~ - 162式中a-微元段空气与翅片管的表面传热系出口-20~ 100数,W/(m2●K)运行温度/C≥环境温度的数值-5最高工作压力/MPa1.0λ。一空气热导率,W/(m. K)气化量/(m’●h1)1 250空气与管壁间的对流换热量可由下式求出:3.2单相流体对流换热段计算φ=a(T。- T.0)A(5)单相流体对流换热段的计算适用于液相段及气式中 φ换热量,Wwww. watergasheat. com高华伟,等:LNG空温式气化器气化过程的数值分析第28卷第2期A-微元段翅片管外表面积,m2线性增加,二者之间的差值慢慢减小，只是减小趋势②气化器翅片管管璧导热量不很明显。图2为气相段天然气温度和翅片管外壁管壁的导热量方程式是:温度随翅片管长度的变化曲线。翅片管外壁温度与(6气体温度随着翅 片管长度的变化趋势基本一一致。φ=-(T.o-T.,)A2155式中λ。-铝合金的热导率，W/(m. K)1501458-翅片管壁厚,m140- 微元段翅片管内壁平均温度,K着135微元段管壁导热面积,m2d 130. 翅片管外壁温度125③天然气与管壁间对流换热量---.天然气温度120天然气与翅片管管壁间的表面传热系数ar可115由下式求出:110103050翅片管长度/ma=一A. Nu(7)图1液相段天然气温度和翅片管外壁温度随翅片管式中a--天然气与翅片管管壁的表面传热系长度变化曲线数,W/(m2. K)270 tλ.一天然气的热导率，W/(m. K)260天然气与翅片管管壁间的对流换热量为:250一翅片管外壁温度----天然气温度φ=a(Tw- T)As(8)式中A3一 微元翅片管内表面积,m2唱230④传热系数220LNG空温式气化器的传热包括管内LNG的对210流换热、管壁的导热、管外空气的无限空间对流换热200200 250及污垢的传热,总传热系数计算式为:图2气相段天然气温 度和翅片管外壁温度随翅片管(9)ar λa aβη195p式中K-总传热系数,W/(m2 ●K)R一-污垢热阻 ,取0.002 m? . K/w(2l; 190β肋化系数嘉185-η- -肋化效率3.3气液两 相段对流换热计算180-在两相强制对流传热区域中,流型主要为环状流动,热量靠传导和对流通过液膜传递,而蒸气则在17520气核和液膜的交界面上不断生成。在此区中传热系翅片管长度/m .数很高,可高达200kW/(m2●K)”。对于低温流图3液相段传热系数随翅片 管长度变化曲线体而言,管内沸腾的局部传热系数比较精确的计算图3为液相段气化器传热系数随翅片管长度的式是由Klinenko 所归纳的关系式41。变化曲线。在液相段,传热系数成线性单调降低,传4模型计算结果与分析热系数为175~190 W/(m2●K)。图4为气相段气模型计算结果见图1 ~6。图1为液相段天然化器传热系数随翅片管长度的变化曲线。在气相气温度和翅片管外壁温度随翅片管长度变化曲线。段,传热系数按- -定 规律单调降低,此时气相段的传翅片管外壁温度和天然气温度随翅片管长度几乎成热系数为70~145 W/(m2●K)。第28卷第2期煤气与热力www. watergasheat. com50p图5为液相段气化器单位长度传热量随翅片管t 140长度的变化曲线。气化器单位长度传热量线性降e 130低，传热量为1 300~2 000 W/m。图6为气相段气巨120化器单位长度传热量随翅片管长度的变化曲线。传盛110热量没有液相段下降的速度快，但仍是单调降低,传1000t热量为0~ 600 W/m。0经模型求解,当气化器出口温度为-5 C时,液相段长度为46.9 m,气液平衡段长度为105.0 m,气5150200250翅片管长度/m相段长度为225.5 m,总长度约377.4 m。图4气相段传 热系数随翅片管长度变化曲线5结论建立模型模拟气化器换热，模拟结果直观地显广2000示了气化器内部天然气温度场和外壁面温度场的分品1800布、气化器传热系数的大小及液相段.气液平衡段、气相段在翅片管中的分布。同时,模型可为LNG气业1600化站气化器选型及运行管理提供理论依据。1 500参考文献:[1] 赵红玲.气液热物性估算手册[M]. 北京:化学工业0￥203010、50出版社,2005.图5液相段气化器 单位长度传热量随翅片管[2] 章熙民，任泽霈,梅飞鸣.传热学(第3版)[M].北长度变化曲线京:中国建筑工业出版社,1993.[3] 杨强生.对流传热与传质[M].北京:高等教育出版社,1985.它500陈国邦，张鹏.低温绝热与传热技术[M].北京:科学美40业出版社,2004.300作者简介:高华伟(1983- )， 男，河南西华人，，100硕士生，主要研究方 向为城市LNG气化站气化器传热模拟研究。200 250电话:(0755 )82966246图6 气相段气化器单位长度传热量随翅片管E - mai:ghw200406@ 126. com收稿日期:2007 -02-12;修回日期 :2007 -04-20. 标准规范简讯●《油气输送管道穿越工程施工规范》国家标准发布2007年10月23日,建设部发布了《油气输送管道穿越工程施工规范》国家标准,编号为GB 50424-2007,自2008年5月1日起实施。该标准由建设部标准定额研究所组织中国计划出版社出版发行。(本刊通讯员供稿)。B22.