LNG气化器的工作原理和应用

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：LNG气化器是一种专门用于液化天然气气化的换热器,但由于液化天然气的使用特殊性,使LNG气化器也颇具特色。液化天然气在管内向上流动,在海水沿管板向下流动的过程中,LNG被加热气化。在传热管内侧,LNG蒸发时的传热系数相对较低,新型的气化器对传热管进行了强化设计。

在实际应用中,不管是民用燃气还是工业应用,液化天然气总是要气化并恢复到常温以后才使用。LNG气化器是一种专门用于液化天然气气化的换热器,但由于液化天然气的使用特殊性,使LNG气化器也颇具特色。低温的液态天然气要转变成常温的气体,必须要提供相应的热量使其气化。热量的来源可以从环境空气和水中获得,也可以通过燃料燃烧或蒸气来加热LNG。

对于基本负荷型系统使用的气化器,使用率高(通常在80%以上),气化量大。首先考虑的应该是设备的运行成本,最好是利用廉价的低品位热源,如从环境空气或水中获取热量,以降低运行费用。以空气或水作热源的气化器,结构最简单,几乎没有运转部件,运行和维护的费用很低,比较适合于基本负荷型的系统。

对于调峰型系统使用的气化器,是为了补充用气高峰时供气量不足的装置,其工作特点是使用率低,工作时间是随机性的。应用于调峰系统的气化器,要求启动速度快,气化速率高,维护简单,可靠性高,具有紧急启动的功能。由于使用率相对较低,因此要求设备初投资尽可能低,而对运行费用则不大苛求。

1.空气加热型气化器

空气加热型气化器也称为“空温式”或“空浴式”气化器,对于气化容量相对较小的LNG气化装置,大多数都采用空气加热型气化器。利用环境温度的空气加热低温的LNG,使之气化并复温。空气加热不需要消耗燃料和动力,结构简单,维护简便,运行成本低。

空气加热型气化器的缺点是受环境因素的影响较大,如气温、风速和湿度等。占地面积大也是其另外一个缺点,因此,单台气化器容量上限约为2500m³/h,导致单位气化量的设备成本较高。

这种气化器通常采用有翅片的铝合金管制造,高压型的气化器则采用不锈钢和铝合金的复合管。不锈钢管在内测承受高压,铝合金容易加工翅片,在外侧与空气接触换热。这种气化器因为占地面积大,通常采用立式结构。

空气加热型和高压空气加热型气化器技术参数,见表5-4。

表5-4 空气加热型气化器技术参数

2.水加热型气化器

用水作热源的LNG气化器应用很广,特别是用海水作为热源。因为很多LNG生产装置和接受装置都是靠海建设,海水温度比较稳定,热容量大,是取之不尽的热源。一种名为开架式气化器(OPEN RACK VAPORIZER简称ORV),就是以海水作热源的气化器。用于基本负荷型的大型气化装置,最大天然气流量可达180t/h。气化器可以在0%～100%的负荷范围内运行。可以根据需求的变化遥控调整气化量。

整个气化器用铝合金支架固定安装。气化器的基本单元是传热管,由若干传热管组成板状排列,两端与集气管或集液管焊接形成一个管板,再由若干个管板组成气化器。气化器顶部有海水的喷淋装置,海水喷淋在管板外表面上,依靠重力的作用自上而下流动。液化天然气在管内向上流动,在海水沿管板向下流动的过程中,LNG被加热气化。气化器外形如图5-17所示,其工作原理如图5-18所示。这种气化器也称为液膜下落式气化器(fallingfilm)。虽然水的流动是不停止的,但这种类型的气化器工作时,有些部位可能结冰。使传热系数有所降低。

图5-17 气化器外形

1—平板形换热管 2—水泥基础 3—挡风屏 4—单侧流水槽 5—双侧流水槽 6—平板换热器悬挂结构 7—多通道出口 8—海水分配器 9—海水进口管 10—隔热材料 11—多通道进口 12—海水分配器

水加热型气化器的投资较大,但运行费用较低,操作和维护容易,比较适用于基本负荷型的LNG接收站的供气系统。但这种气化器的气化能力,受气候等因素的影响比较大,随着水温的降低,气化能力下降。通常气化器的进口水温的下限大约为5℃,设计时需要详细了解当地的水文资料。表5-5列出一些开放式海水加热型LNG气化器的技术参数。

大型的气化器装置可由数个管板组组成,使气化能力达到预期的设计值,而且可以通过管板组对气化能力进行调整。

图5-18 ORV气化器工作原理

表5-5 一些正在运行的海水加热型LNG气化器技术参数

为了避免水在管外结冰和提高气化器的传热性能,使气化器的结构更加紧凑,有关生产厂商进行了不断的改进。通过改进传热管的结构,加强单位管长的换热能力和避免外表结冰。

水膜在沿管板下落的过程中具有很高的传热系数,可达到5800W/(m²·K)。在传热管内侧,LNG蒸发时的传热系数相对较低,新型的气化器对传热管进行了强化设计。传热管分成气化区和加热区,采用管内肋片来增加换热面积和改变流道的形状,增加流体在流动过程的扰动,达到增强换热的目的。

管外如果产生结冰,也会影响传热性能。为了改善管外结冰的问题,采用具有双层结构的传热管,LNG从底部的分配器先进入内管,然后进入内外管之间的夹套。夹套内的LNG直接被海水加热并立即气化,然而在内管内流动的LNG是通过夹套中已经气化的LNG蒸气来加热,气化是逐渐进行。夹套虽然厚度较薄,但能提高传热管外表面的温度,所以能抑制传热管外表结冰,保持所有的传热面积都是有效的,因此提高了海水与LNG之间的传热效率。

新型的LNG气化器具有以下一些特点:

1)紧凑型设计,节省空间。

2)提高换热效率,需要的海水量大大减少,可节约能源。

3)可靠性增强,所有与天然气接触的组件都用铝合金制造,可承受很低的温度,所有与海水接触的平板表面镀以铝锌合金,防止锈蚀。

4)LNG管道连接处安装了过渡接头,减少了泄漏,加强了运行的安全性。

5)能够快速起动,并可以根据需求的变化遥控调整天然气的流量,改善了运行操作性能。

6)开放式管道输送水,易于维护和清洁。

大阪煤气公司于1998年开始使用新型ORV技术,目前已有气化能力为150t/h的商用LNG气化器,每根传热管的气化能力得到了大幅度的提高,达到了300kg/h。在海水温度为283K的设计条件下,可以大幅度地减少传热管的数量。安装所需要的空间比普通ORV减少了40%。此外,整个建造成本和运行费用分别减少10%和15%以上。

采用海水作热源的气化器时,对海水有如下要求:

1)重金属离子:Hg⁺⁺检测不出;Cu⁺⁺≤10×10^-9。

2)固体悬浮物:≤80×10^-6。

3)pH值为7.5～8.5。

4)要求过滤器在海水取水处能够去除10mm以上的固体颗粒。

为了防止海水对基体金属的腐蚀,可以在金属表面喷涂保护层,以增加腐蚀的阻力。涂层材料可采用质量分数为85%Al+15%Zn的锌铝合金。

3.具有中间传热流体的气化器(图5-19)

图5-19 具有中间传热流体的气化器

采用中间传热流体的方法可以改善结冰带来的影响,通常采用丙烷、丁烷或氟利昂等介质作中间传热流体。实际使用的气化器的传热过程是由两级换热组成:第一级是由LNG和丙烷进行换热;第二级是丙烷和海水进行换热。这样加热介质不存在结冰的问题。由于水在管内流动,因此可以利用废热产生的热水。换热管采用钛合金管,不会产生腐蚀,对海水的质量要求也没有过多的限制,这种气化器已经广泛应用在基本负荷型的LNG气化系统,最大天然气流量达150t/h。

4.燃烧加热型气化器

在燃烧加热型气化器中,浸没式燃烧加热型气化器是使用最多的一种。结构紧凑,节省空间,装置的初始成本低。它使用了一个直接向水中排出燃气的燃烧器,由于燃气与水直接接触,燃气激烈地搅动水,使传热效率非常高。水沿着气化器的管路向上流动,LNG在管路中气化,气化装置的热效率在98%左右。每个燃烧器每小时105GJ的加热能力,适合于负荷突然增加的要求,可快速启动,并且能对负荷的突然变化做出反应。可以在10%～100%的负荷范围内运行,适合于紧急情况或调峰时使用。运用气体提升的原理,可以在传热管外部获得激烈的循环水流,管外的传热系数可以达到5800～8000W/(m²·K)。

浸没式燃烧加热型气化器的工作原理如图5-20所示,表5-6列出其技术参数。

图5-20 浸没式燃烧加热型气化器的工作原理

表5-6 一些正在运行的浸没式燃烧加热型LNG气化器技术参数

①是指标准状态下的空气体积流量。

5.蒸气加热型LNG气化器

蒸气加热型LNG气化器主要是在LNG船上应用,而且具有多用途的特点。主要应用包括以下方面:

1)惰性气体的清除与纯化。在LNG储罐完成惰化后,用于置换LNG储罐中的惰性气体,是气化器的基本的工作模式。

2)急状态天然气供应。在天然气卸货时,为了增加液舱内的背压,通常需要从岸站上向LNG液舱内输送天然气,以防止LNG液面下降时液舱内产生负压。如果由于某些异常情况下,岸站上不能供气时,则可起动蒸气加热型LNG气化器,将适量的LNG旁通到气化器中,气化后再送回液舱,以维持液舱内的压力。

3)液舱惰化。在某些情况下,需要向LNG舱充注惰性气体,以保持安全。也可以用气化器来气化液氮,产生氮气,对液舱进行惰化处理。

4)紧急卸货。正常情况下,LNG的卸货时通过安装在液舱内的潜液泵来输送液货。如果潜液泵也出现了故障,不能卸货时,需要将该液舱的LNG转移到潜液泵正常的液舱,由运转正常的潜液泵来卸货。用气化器给泵有故障的液舱供气增压,将LNG压送到潜液泵正常的液舱。

蒸气加热型LNG气化器是直接用蒸气加热,LNG在管内流动,蒸气在管外流动,LNG被蒸气加热气化。这类气化器的特点是效率高、结构紧凑、可靠性好、运行范围宽、温度控制容易及维护方便。

需要注意的是:蒸气加热型LNG气化器在大温差条件下的可靠性。

LNG和LN₂在常压下的温度分别是-162℃和-196℃,与加热蒸气的温差达到300～400℃,因而机械强度设计方面,要充分考虑这些因素的影响。减少管道对管板连接处的热应力,防止过度的热应力产生。

另一点需要注意的是:由于传热温差很大,LNG的蒸发是强迫对流换热条件下膜态沸腾。膜态沸腾时,传热系数变得很低,流型属于不平衡的两相流动。在这种两相流中,低温液体与过热气体共存,LNG是多组分流体,它的组分和沸点随着沸腾的发展而变化,这些因素也使性能计算变得复杂。

LNG气化器的工作原理和应用

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