第28卷第2期煤氣與熱力Ⅴol.28No.22008年2月gas heatFeb.20088液化天然氣LNG空溫式氣化器氣化過程的數值分析高華偉,段常貴,解東來2,王烜(1.中燃哈工大燃氣技術研究院,廣東深圳518033;2.華南理工大學,廣東廣州510641)摘要:根據傳熱機理的不同,將低溫LNG在空溫式氣化器內的流動過程分為3段,建立了各段內天然氣傳熱的模型,進行了數值計算。建立的模型可為LNG氣化站氣化器選型及運行管理提供理論依據。關鍵詞:空溫式氣化器;傳熱模型;數值計算;LNG氣化中圖分類號:TU996文獻標識碼:A文章編號: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 temperatureING 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 stationKey words: air-heated vaporizer; heat transfer model numerical calculation; LNG vaporiza1概述2空溫式氣化器氣化過程的分析我國已建成的LNC氣化站規(guī)模不一,供應用戶空溫式氣化器包含蒸發(fā)部與加熱部,蒸發(fā)部由有居民用戶,也有工業(yè)用戶和商業(yè)用戶。在實際應端板管連接并排的導熱管構成,加熱部由用彎管接用中,液化天然氣總是要氣化并恢復到常溫以后才頭串聯(lián)成一體的導熱管組成。導熱管是將散熱片和使用,空溫式氣化器是整個供應系統(tǒng)的核心設備。管材擠壓成型,其橫截面一般為星形翅片,翅片材質空溫式氣化器的優(yōu)點是直接吸收大氣中熱量,采用鋁合金。ING空溫式氣化器的安裝形式為立不消耗水、電等,運行成本低;缺點是氣化器體積大,式、露天在冬季氣化器出口天然氣溫度較低。目前,對于氣化器中LNG的氣化過程是一個以沸騰換熱LNG空溫式氣化器的研究還比較少,一般是依據現為主的傳熱傳質過程。ING在翅片管內流動吸熱有的相關經驗來進行設計制造,實際使用偏差較大。氣化,管外傳熱為自然對流換熱,熱量由空氣通過翅研究空溫式氣化器的傳熱是一項十分重要的技術基片及管壁傳給LNC。當LNG溫度達到泡點時,液體礎性工作,可為合理選擇空溫式氣化器及其經濟評開始中國煤化工衡;隨后氣相中各價提供理論依據,也可作為工程設計的參考,具有現組分CNMHG趨近于原料液化實意義。天然氣中各組分所占比例,最終氣體中各組分的比·B19第28卷第2期煤氣與熱力www.watergasheat.com例與原料液體中各組分所占比例相同,此時的溫度相段的對流換熱計算。LNG的物性參數(黏度、熱稱為露點。泡點是液相段和氣液平衡段的分界點,導率、密度等)的計算,可采用《氣液熱物性估算手露點是氣液平衡段和氣相段的分界點,二者是氣化冊》中推薦的公式1器傳熱模擬中的關鍵參數①空氣與管壁間的對流換熱量由于LNG在氣化器內的氣化過程較復雜,為了關于自然對流換熱的計算,有研究者在整理大更好地分析氣化器的傳熱性能,本文僅研究干空氣量文獻數據的基礎上推薦了豎壁的自然對流準則關條件下的氣化器傳熱情況,且對氣化器的傳熱進行聯(lián)式1如下簡化0.387Ra°①剛進入氣化器的低溫LNG與氣化器中原0.825+有LNG的混合是在一瞬間完成的,即氣化器中LNG+(0.492/Pr)的溫度與各組分的比例在液體內部處處均勻。(1)②沿管程分為3段:液相段、氣液平衡段和氣式中M-努塞爾數相段,各段天然氣的熱物性參數采用相應公式計算Ra—瑞利數③在氣液平衡段,氣化器中液化天然氣液體P普朗特數與氣體任意時刻均處于氣液平衡狀態(tài)。把式(1)用于定熱流邊界條件下求取壁面的平④管流采用一維近似,不考慮壓縮性和熱膨均Mn時,應取壁面長度一半處的壁面溫度與流體脹性。溫度之差作為計算溫差,以此處的邊界層平均溫度⑤氣化器管壁僅考慮徑向導熱。為定性溫度。則定性溫度可表示為:3傳熱模擬計算T經研究LNG在氣化器中的流動過程及傳熱特點,為便于分析,可把氣化器傳熱看作一根翅片管傳式中T—定性溫度,K熱,低溫LNG從翅片管底部進入,上部出去,這對傳T.—微元段翅片管外壁平均溫度,K熱模擬結果影響很小。T微元段天然氣起始溫度,K3.1邊界條件査空氣熱物性數據包,可得空氣在溫度為T從翅片管入口處開始算起,沿著翅片管長度方時的熱物性數據從而可求得Ra,見下式:向,每隔1cm取1個微元,建立氣化器氣化過程的has(T。-TPr傳熱模型。所需要確定的邊界條件有:天然氣組成2氣化器工作壓力、天然氣流量及環(huán)境溫度等。天然式中g重力加速度,m/s2氣組成及參數見表1,空溫式氣化器的主要技術參φ—體積膨脹系數K數見表2。T——環(huán)境溫度,K表1天然氣組成及參數1定型尺寸,m氣相體積分數/%氣態(tài)密度液態(tài)密度氣態(tài)低熱值空氣運動黏度,m2/s甲烷乙烷丙烷(M·m3)/(kg·m3)(M·m3空氣與翅片管的表面?zhèn)鳠嵯禂礱可由式(4)確777617544700.824634039476表2LNG空溫式氣化器主要技術參數設計溫度/℃-196·Nu(4)進口行溫度/℃-145--162設計溫度/℃式中a微元段空氣與翅片管的表面?zhèn)鳠嵯党隹趇行溫度/℃≥環(huán)境溫度的數值-5數,W/(m2·K最高工作壓力/MPa1.0氣化量/(m3h1中國煤化工)可由下式求出3.2單相流體對流換熱段計算CNMHG(5)單相流體對流換熱段的計算適用于液相段及氣式中φ—換熱量,Wwww.watergasheat.com高華偉,等:LNG空溫式氣化器氣化過程的數值分析第28卷第2期A1-微元段翅片管外表面積線性增加,二者之間的差值慢慢減小,只是減小趨勢②氣化器翅片管管壁導熱量不很明顯。圖2為氣相段天然氣溫度和翅片管外壁管壁的導熱量方程式是:溫度隨翅片管長度的變化曲線。翅片管外壁溫度與中=(7.。-7.,)A2(6)氣體溫度隨著翅片管長度的變化趨勢基本一致。式中A?！X合金的熱導率,W/(m·K)δ——翅片管壁厚,mT—微元段翅片管內壁平均溫度,KA2微元段管壁導熱面積,m2翅片管外壁溫度③天然氣與管壁間對流換熱量天然氣溫度天然氣與翅片管管壁間的表面?zhèn)鳠嵯禂礱x1可由下式求出翅片管長度/mcr=",·NVu圖1液相段天然氣溫度和翅片管外壁溫度隨翅片管式中a——天然氣與翅片管管壁的表面?zhèn)鳠嵯甸L度變化曲線數,W/(m2·K)A天然氣的熱導率,W/(m·K)天然氣與翅片管管壁間的對流換熱量為翅片管外壁溫度天然氣溫度中=ar(T.-T)A38)還240式中A3微元翅片管內表面積,m2④傳熱系數LNG空溫式氣化器的傳熱包括管內LNG的對流換熱、管壁的導熱管外空氣的無限空間對流換熱及污垢的傳熱,總傳熱系數計算式為翅片管長度/m圖2氣相段天然氣溫度和翅片管外壁溫度隨翅片管K=16+1(9長度變化曲線式中K—總傳熱系數,W/(m2·K)R——污垢熱阻,取0.002m2·K/W2B肋化系數n肋化效率33氣液兩相段對流換熱計算,E.E一在兩相強制對流傳熱區(qū)域中,流型主要為環(huán)狀流動,熱量靠傳導和對流通過液膜傳遞,而蒸氣則在氣核和液膜的交界面上不斷生成。在此區(qū)中傳熱系翅片管長度/m數很高,可高達200kW/(m2·K)13)。對于低溫流圖3液相段傳熱系數隨翅片管長度變化曲線體而言,管內沸騰的局部傳熱系數比較精確的計算圖3為液相段氣化器傳熱系數隨翅片管長度的式是由 Klinenko所歸納的關系式。變化曲線。在液相段,傳熱系數成線性單調降低,傳4模型計算結果與分析熱系w//w2圖4為氣相段氣模型計算結果見圖1~6。圖1為液相段天然化器中國煤化工化曲線。在氣相氣溫度和翅片管外壁溫度隨翅片管長度變化曲線。段,YHECNMHG,此時氣相段的傳翅片管外壁溫度和天然氣溫度隨翅片管長度幾乎成熱系數為70-145W/(m2·K)。B21第28卷第2期煤氣與熱力www.watergasheat.com150圖5為液相段氣化器單位長度傳熱量隨翅片管長度的變化曲線。氣化器單位長度傳熱量線性降130低,傳熱量為1300~2000W/m。圖6為氣相段氣化器單位長度傳熱量隨翅片管長度的變化曲線。傳熱量沒有液相段下降的速度快,但仍是單調降低,傳100熱量為0~600W/m。經模型求解,當氣化器出口溫度為-5℃時,液相段長度為46.9m,氣液平衡段長度為105.0m,氣翅片管長度/m相段長度為225.5m,總長度約377.4m。圖4氣相段傳熱系數隨翅片管長度變化曲線5結論≈2000建立模型模擬氣化器換熱,模擬結果直觀地顯示了氣化器內部天然氣溫度場和外壁面溫度場的分1800布、氣化器傳熱系數的大小及液相段、氣液平衡段、氣相段在翅片管中的分布。同時,模型可為ING氣化站氣化器選型及運行管理提供理論依據1400參考文獻1300[1]趙紅玲.氣液熱物性估算手冊[M].北京:化學工業(yè)翅片管長度/m圖5液相段氣化器單位長度傳熱量隨翅片管[2]章熙民,任澤霈,梅飛鳴.傳熱學(第3版)[M].北長度變化曲線京:中國建筑工業(yè)出版社,1993[3]楊強生.對流傳熱與傳質[M].北京:高等教育出版社,19[4]陳國邦張鵬.低溫絕熱與傳熱技術[M].北京:科學出版社,200420作者簡介:高華偉(1983男,河南西華人碩士生,主要研究方向為城市LNG氣化站化器傳熱模擬研究。翅片管長度/m電話:(0755)82966246圖6氣相段氣化器單位長度傳熱量隨翅片管E-mail:ghw200406@126.com長度變化曲線收稿日期:2007-02-12;修回日期:2007-04-20標準規(guī)范簡訊《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》國家標準發(fā)布007年10月23日,建設部發(fā)布了《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》國家標準,編號為GB50424-2007,自2008年5月1日起實施。該標準由建設部標準定H中國煤化工:出版發(fā)行。CNMHG本刊通訊員供稿)