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LNG气化器的分类及工作原理

更新时间:2021-11-25

  天然气主要用于发电、化工工业、城镇居民燃气和工业燃气、汽车燃料等,其他用途包括LNG的冷能利用、天然气战略储备安全供气的需要等。

  LNG气化器是种专门用于液化天然气气化的换热器,主要应用于沿海大型LNG接收站、LNG液化工厂、LNG气化站、LNG加液站等,是实现气化功能的关键设备。本文主要介绍各种LNG气化器的分类,以及几种LNG气化器的的结构、工作原理、特点及使用环境等,并对不同类型的LNG气化器进行分析比较,为实际工程的需要提供借鉴;同时着重介绍了空温式气化器。

  天然气主要用于发电、化工工业、城镇居民燃气和工业燃气、汽车燃料等,其他用途包括LNG的冷能利用、天然气战略储备安全供气的需要等。

  LNG气化器是种专门用于液化天然气气化的换热器,主要应用于沿海大型LNG接收站、LNG液化工厂、LNG气化站、LNG加液站等,是实现气化功能的关键设备。本文主要介绍各种LNG气化器的分类,以及几种LNG气化器的的结构、工作原理、特点及使用环境等,并对不同类型的LNG气化器进行分析比较,为实际工程的需要提供借鉴;同时着重介绍了空温式气化器。

  根据使用的频率,LNG气化器可以分为基本负荷型和应急调峰型。基本负荷型使用频率高、气化量大,选型时主要考虑的是设备的运行成本。应急调峰型是为了补充用气高峰时供气量的不足或应急需要,其工作特点是使用率低、工作时间是随机性的,具有紧急启动的功能,选型时要求设备投资尽可能低,而对运行费用则不太苛求。

  根据LNG气化的热媒不同来对LNG气化器进行分类,常见的LNG气化热媒有空气、河水或海水、天然气燃烧、电加热、工厂废热等。美国标准NFPA 59A将LNG气化器分为加热气化器、环境气化器和工艺气化器3类。

  根据气化量不同来对LNG气化器进行分类,气化量小于50t/h的是小型LNG气化器,一般用于气化量较小的场合,如各种小型的LNG卫星接收站、气化站;而我国沿海都是大型的LNG接收站,必须采用气化量大的LNG气化器。

  其中,①~④主要应用于沿海大型的LNG接收站,而⑤~⑩主要应用于各种小型的LNG卫星接收站、气化站。另外还有其他结构类别如缠绕管式气化器、烟气冲击旋水型LNG气化器、空气热源式气化器等;本文就以下几种常见的LNG气化器进行介绍。

  开架式气化器是一种水加热型气化器,以海水为热源,其气化量最大可达180t/h,在0~100%的负荷范围内运行,同时根据需求的变化遥控调整气化量。特点是投资较大,运行费用较低,操作和维护容易,比较适用于基本负荷型LNG接收站。以海水热源,对海水质量要求高,同时在外表面应做好涂层保护等防腐措施。

  开架式气化器的基本单元是铝合金传热管,传热管内部有星形断面、外部有翅片,同时管内有螺旋杆,以增加LNG传热;若干传热管按板状排列后两端与集气管或集液管焊接形成管板,再由若干管板组成气化器。工作原理是LNG在管内向上流动,由气化器顶部喷淋装置喷淋的海水在管板外表面自上而下流动,将管内LNG气化,工作原理如图1所示。

  开架式气化器运行时在板型管束的下部尤其是集液管外表面会结冰,影响气化器的传热性能,OsakaGas和Kobel Steel联合研发采用了局部双层结构的传热管,有效改善了结冰的状况,被称为SuperORV,其换热管如图2所示。

  浸没燃烧式气化器属燃料加热型气化器,它以燃料燃烧产生的烟气为热源,由于烟气与水直接接触,加热水的同时激烈地搅动水,热水再与管内LNG进行热交换,大大提高了传热效率。浸没燃烧式气化器的热效率在98%左右,可快速启动,能对负荷的突然变化作出反应,适用于紧急情况或者调峰用气。它的特点是整体投资和安装费用很低,占地面积小,操作灵活;但是操作费用很高。

  浸没燃烧式气化器的结构是换热管束浸泡在池水中,下部与LNG总管焊接,上部与NG总管焊接,LNG下进上出。工作时燃料气体和空气按比例混合均匀后进入燃烧器内充分燃烧,产生的高温烟气经分配管上的小孔喷射到池水中,烟气进入池水形成大量气泡,迅速上升加热并剧烈搅动池水,有效地加热管束中的LNG使之气化。其工作原理如图3所示。

  中间介质式气化器有不同的形式,包括管壳式气化器(STV)和中间流体式气化器,其共同之处就是用中间介质作为热媒,中间介质可以是丙烷或醇(甲醇或乙二醇)水溶液,加热介质可为海水、热水、空气等,可以改善结冰带来的影响。

  采用管壳式换热器作为气化器,水或甲醇(或乙二醇)水溶液作为中间热媒气化LNG,初始热源可以用热水、海水或空气。先用初始热源将中间热媒加热,再用已被加热的中间热媒通过管壳式气化器去气化LNG。中间热媒需用循环泵强制循环,因此耗能较高。

  工作原理是以海水或近邻工厂的热水作为热源,并用此热源去加热中间介质(丙烷)并使其气化,再用丙烷蒸气去气化LNG。该气化器由三部分组成:①海水(或其他热源流体)和丙烷进行换热;②丙烷和LNG进行换热;③天然气过热,即用海水对LNG气化后的NG加热。工作原理如图4所示,这种气化器解决了海水(或其他热源流体)的冰点问题,在海上浮动储存与气化、循环加热、冷能发电等得到广泛的应用。

  缠绕管式气化器工作原理是加热介质走壳程,LNG走管程,管程为螺旋缠绕式换热器结构;从底部管箱进入的LNG,在管程内受热气化后从顶部排出,循环水在壳程加热管程内天然气,结构如图5所示。气化器要由壳程介质的温度和流量决定,主要特点是在相同的体积内拥有较大的换热面积,同时可实现多股流体一起换热。

  空温式气化器是利用空气自然对流加热低温LNG使其气化成常温气体的换热设备。其由铝翅片管按一定的间距连接而成,一般是单程式;为了增大空气侧的换热面积,在换热管的外侧加装星形翅片,目前最常用的是8翅片结构,如图6所示,另外还有12翅片和4翅片结构。实际中运行的LNG空温式气化器如图7所示。

  LNG空温式气化器即为空气源式气化器(AAV),可以分为间接接触式和直接接触式两类。间接接触式利用空气加热闭式管路的传热流体,再与LNG进行换热气化;直接接触式则利用空气直接气化LNG。间接接触式应用较多的包括空气翅片式换热气化和空气冷却塔气化技术;直接接触气化包括环境空气气化和强制通风气化。

  LNG空温式气化器虽然换热效率低,但是制造成本和运行成本也很低,经常作为LNG卫星站(指在中小城市及距离气源地较远的小型天然气接收站和气化站)内的主气化器。缺点是其对环境温度很敏感,冬天易结冰,在我国北方使用受到一定的限制;同时占地面积大,在土地资源少的区域也受到限制。

  目前,LNG卫星站都离市区较远,土地资源影响不大,同时可通过增加水浴式LNG气化器来解决环境温度的影响,所以LNG空温式气化器是小型LNG接收站、气化站、加注站等的主要气化器类型。空温式气化器根据用途可以分为增压式和供气式两类,两者结构基本相同,只有些微差别。主要是增压式空温气化器只具有蒸发部,而供气式空温气化器包含蒸发部和加热部。

  国内的空温式气化器主要应用于LNG卫星站,而目前国外也逐渐将空气源式气化器应用于大型LNG接收站。如美国、印度就采用了几种形式的AAV,建成了几座LNG接收站。

  水浴式气化器是以水为热媒的气化器,在大型LNG接收站中,开架式气化器、浸没燃烧式气化器以及管壳式气化器中以海水为热媒的气化器,均属于水浴式气化器;在LNG卫星站中,水浴式气化器主要包括电加热式、燃料燃烧式等,它具有传热效率高,结构紧凑,占地面积小等优点。本文指的水浴式气化器主要是用于LNG卫星站的小型气化器,它广泛应用于LNG卫星站的天然气加热,在土地资源有限的地方还可以代替空温式气化器作为主气化器。

  在以空温式气化器为主气化器的LNG气化站中,常常将BOG气化器和水浴式气化器集成成撬,从而缩小了空间,如图8所示。水浴式气化器的主要功能是当空温式气化器及BOG气化器出口温度不能满足管网需求时,将开启该装置,将空温式气化器及BOG气化器的天然气加热后送入下游装置。

  LNG气化器的选型应综合考虑环境因素、气化器用途、成本效率、稳定性和安全性等,确定合理的气化器类型和规格。

  用于大型LNG接收站的气化器主要有开架式气化器(ORV)、浸没燃烧式气化器(SCV)和中间介质式气化器(IFV),综合比较如表3所示。

  近年来,国内各地的天然气需求逐年增加,同时,国内的LNG卫星站的数量也与日俱增。空温式气化器,作为LNG卫星站的主要设备之一,是整个供应系统的核心设备,其气化能力的大小决定着一个LNG卫星站的供应规模。所以LNG卫星站设备中空温式气化器的选型尤为重要。

  LNG卫星站的气化器选型应综合考虑环境条件、设计规模、占地面积、投资成本、运营成本、运行稳定性、辅助设备等因素,选出最优的气化方案。

  空温式气化器对环境温度极为敏感,冬天易结冰,所以目前大部分LNG卫星站采用空温气化器加水浴复热撬的方式,大部分时间采用完全空温气化、在极端气温日辅以串联水浴复热;既有效地利用了环境热量,又保证了储气温度稳定。因此,空温气化器加水浴复热撬的方式技术经济性较好,造价和运行费用较低。

  空温式气化器的选型应根据设计规模来确定,并考虑一定的裕量,通常按照高峰小时用气量的1.2~1.3倍确定。同时,为了维修或应急情况,一般应备有一组空温式气化器。单台空温式气化器的规格一般从50Nm3/h~5000Nm3/h,空温式气化器气化量越大,体积就越大,重量就越重,运输和安装难度增加,根据调研,目前国内LNG行业尚无单台气化能力为5000Nm/h及以上规格的气化器在役运行,气化量需求大时是靠组合来满足需求。对国外来说,根据美国公司提供的数据,LNG空温式气化器单台最大气化量可达到7500Nm/h。实际工程中,气化量为5625Nm/h的空温式气化器使用较多。

  空温式气化器一般为露天安装,结构分为立式和卧式。立式结构气化器占地面积相对较小,但是随风度等级及地震烈度影响较大;卧式结构气化器占地面积相对较大,同时却更加稳定,选择式应综合考虑。

  翅片管结构也是气化器选型的一个重要因素。空温式气化器通过铝翅片管与环境进行换热,铝翅片管的翅片面积直接影响到换热量和气化量的大小。增加翅片管面积可以通过加长加宽翅片或增加翅片管上的翅片数量来完成。加长加宽翅片,会使气化器的体积增大,气化器结构设计难度增大;增加翅片数量又常受铝铸造工艺限制,国内产品一般为8翅片,12翅片的较少。

  气化器的运行稳定性极为重要,由于空温式气化器运行中会不断结霜,影响传热效率,所以要定期作除霜处理。目前气化器运行一般以8h为一班,所以要求气化器最大气化保持时间不低于8h。气化器运行时,温度变化大,易产生冷裂,要求气化器结构设计上具备消除温度应力影响的措施。

  LNG空温式气化器根据用途可以分为增压式和供气式两类,两者结构基本相同,只有些微差别。主要是增压式空温气化器只具有蒸发部,而供气式空温气化器包含蒸发部和加热部。LNG卫星站常见的空温式气化器类型有卸车增压气化器、储罐增压气化器、主空温式气化器、BOG气化器、EAG气化器,主要是气化量、进出口温度、设计压力等参数不同,原理相同。

  LNG空温式气化器是LNG卫星站的核心设备,目前国内外已做了大量研究分析,以下阐述了LNG空温式气化器的结构设计、传热研究及安全性研究。

  空温式气化器的结构比较简单,主要由星形翅片管组成,对其结构设计主要体现在翅片管管径、翅片数量、翅片管长度等基本参数的计算,而这些是通过翅片管传热来确定的。空温式气化器的设计方法,包括热力计算,提出通常导气管长度的选取根据汽化器对换热面积裕量的要求而定。管通径、管壁厚度、出口管径

  及气化器结构的设计方法。提出了根据LNG低温潜液泵的流量计算调压器的流量和结构。调研发现,目前尽管我国空温式气化器生产规模和装备量较大,但由于没有国家标准和行业标准,使得空温式气化器的设计、制造和使用处于没有依据和约束的状态,制造厂停留在比较初级的水平,大多仅仅是进行模仿性生产,设计上也仅采用经验方法计算,几乎不考虑气化器在使用过程中的传热问题。生产的气化器存在以下问题:气化量不足、体积庞大、流道布置不合理、流体阻力过大、造价过高等,使用中也发生各种各样的问题,其中最为突出的是翅片管表面结霜及结冰现象,导致气化能力下降及过液问题。

  空温式气化器运行时内部流体为天然气,有液态、气态、气液混合态,可能发生泄漏、爆炸等,危害性极大,所以空温式气化器安全性研究极为重要。

  LNG空温式气化器的安全距离,气化器与其他任何火源之间的水平净距应大于15米,到围墙的水平净距不小于30米;布置多台加气化器时,各气化器之间的水平净距至少为1.5米;气化器与LNG储罐、控制室、办公大楼、车间等的水平净距至少为15米。

  空温式气化器的进出口温度对气化器安全运行很重要,应设置温度检测仪,测量LNG、蒸发气体和加热介质的进出口温度。同时每台气化器都应该在进口、出口处设置紧急切断阀和安全阀,另外为防止泄漏的LNG进入备用气化器,可在进口处安装两个阀门,并采用安全阀排放积存的两个阀门之间的LNG蒸发气体。

  气化器运行时,温度变化大,易产生冷裂,要求气化器结构设计上具备消除温度应力影响的措施。

  (1)LNG气化器的分类方法较多,常见的分类方法包括:使用的频率、热媒的不同、气化量大小、结构差异等。其中大型LNG接收站一般采用ORV、SCV、IFV等;而大部分LNG卫星站采用空温式气化器和电加热水浴式气化器。

  (2)LNG卫星站的气化器选型应综合考虑环境条件、设计规模、占地面积、投资成本、运营成本、运行稳定性、辅助设备等因素,选出最优的气化方案。空温式气化器和水浴式复热器串联的方式,既有效地利用了环境热量,又保证了储气温度稳定。因此得到广泛应用。

  (3)空温式气化器结构设计时应充分考虑设计裕量、结构形式、翅片管换热计算、运行条件和时间、温差补偿措施及气化器用途等因素。目前国内外已对空温式气化器做了大量研究分析,主要包括LNG空温式气化器的结构设计、传热研究及安全性研究。我国空温式气化器生产规模和装备量较大,但由于没有国家标准和行业标准,使得空温式气化器的设计、制造和使用处于没有依据和约束的状态,制造厂停留在比较初级的水平,大多仅仅是进行模仿性生产,设计上也仅采用经验方法计算,几乎不考虑气化器在使用过程中的传热问题。