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1、三种 LNG 海水气化器的换热计算模型及方法刘家琛 1，巨永林 1，傅允准2（ 1上海交通大学制冷与低温工程研究所 ，上海 200240;摘要: 随着我国经济的快速发2展上，海对工能程源技的术需大求学日机益械增工加程，学天院然气，在上我海国2一01次62能0）源中的比重越来越大 。 除了通 过长输管道进口天然气外 ，近年来 ，通过 LNG 船海上运输进口 LNG 发展十分迅速 。通过 LNG 船运输需要建立大 量的LNG接收站。文中介绍了目前主要使用的三种 LNG接收站气化器形式和各自的优缺点。通过对三种LNG 海水气化器内部流动换热性能分析 ，建立起海水气化器的设计模型 。 在模型的基础上提
2、出了各个气化器设计计算 的具体方法，通过与实际 LNG 气化器参数的验证比较 ，表明文中提出的模型和计算方法可以用来指导 LNG 海水气 化器的设计。关键词：液化天然气（LNG）；海水气化器；传热模型；设计计算Heat transfer model and calculation method for three typesof LNG seawater vapori zersLiu Jiachen1，JuYonglin1，FuYunzhun2(1. Institute of Ftefrigeration andCryoynics, Shanghaiaotong University, Sha
3、nghai 200240 China；2. Schod of Mechanical E ngin eel ng, Shanghai U niversityofE ngin eeri ngScie nce, Shanghai 201620 China)Abstract: With the rapid developme nt of economics, the dema nd fonatural gas haSee ngrowi ng dramatically. Besi des the tr ansportati on ofn atural gas b ylong pi pel i ne, t
4、he import of natural gas b yLNG ( l i quefi ed Natu ral Gas) carr iers has b eenncreas- ing in recentyears,which requirestheconstruction of alarge number oLfNG terminals.Three typical LNG terminal vaporizers currently used andtheir respective advantages anddisadvantages were descri bed in thispaper.
5、Throughtheanalysesof thecryo- genic fluid flowand heat transfer performance for tLhNreGeseawatevraporizers,thedesignmodel wasproposed.On thebasisof themodel,the specific methodsof thedesign andcalculation foreachvaporizer werepresented.Thegoodcomparison between thecalculatedresult and data sheet sho
6、ws tthhaetdesign model andcalculation method can bgeuidancefor the desi gn of thedif- ferentLNGseawatevraporizers.Keywords:LNG, Vaporizer, Heat transfer model,Designandcalculation收稿日期:20140926基金项目 : 工业和信息化部高技术船舶科研项目 。作者简介: 刘家琛（1990）,男,硕士研究生,主要从事低温流体传热特性研究1 引言天然气作为一种优质 、高效 、清洁的能源和化 工原料,在世界能源结构中的地位和作用
7、不断提 升。我国能源中长期发展规 划明确指出:“ 十二 五”期间,大力发展天然气 ,2030 年天然气将占到 一次能源的 10%,成为我国能源发展战略中的一 个亮点和绿色能源支柱之 一1。目 前 天然气 进 口除了通过陆上长输管道 外,另一个主要运输途 径就是通过海上液化天然气（LNG）船2。通过 LNG船运输就要大力建设LNG接收站,包括LNG 码头和LNG储罐区。LNG接收站是由众多相关 设备总成的一个有机整体 ,通过这些设备的相互 协作,才能将海上运输来的 LNG 通过一定的工艺 流程存储在LNG储罐并外输至用户。这些设备 包括卸料臂 、储罐、低压输送泵 、高压输送泵、气化 器、BOG压
8、缩机、火炬塔等。目前LNG接收终端 主要有三种类型的气化器: 开架式气化器 （OFV）、浸没燃烧式气化器（SCV）和带有中间传 热介质的气化器 （IFV） 3 。国内对LNG海水气化器设计的 研究还比较 少。 王萌等4 对超级开架式气化器传热管进行 了数值模拟 ,利用两组离散化方程组得到了气化 器的传热过程,并且对给定边界条件下气化器 ,作出了表面换热系数和温度分布曲线 。于 国杰5 等对 LNG 浸没式气化器壳程流场进行了三维模 拟，得出喷射燃气的雷诺数对水浴流动影响较大 ， 排列和管束对流场影响明显 。白 宇恒等6 对大 型 LNG 中间介质气化器换热进行了计算 ，对给定 工况下 IFV
9、气化器获得了换热面积和各部分传热 系数分布。为了更好的实现 LNG 气化器的国产 化，本文通过对 LNG 气化器内部的流动以及结构 分析，利用传热学知识分别对三种类型气化器进 行设计，以满足 LNG 气化需求。2开架式气化器(OF/)设计分析21 OFV 气化器模型介绍 开架式气化器是以海水为热源的气 化 器，是 用于基本负荷型的大型气化装置，可在0 100% 的负荷范围内安全运 行，可以根据需求的变化遥 控调整气化 量7。整个气化器利用铝合金支架 固定安装 ，基本单元是传热管 ，由平行分布的传热 管组成面板，两端连接上下总管焊接形成一个板 型管束 ，几个面板组合成一个模块 ，然后模块串联 形
10、成气化器，其结构和工作原理如图 1 所示8。 气化器顶部有海水喷淋装置 ，海水喷淋在管束外 表 面上进行换热 ，依靠重力的作用自上而下流动 。LNG分配器LNG在管内向上流动，海水在管外向下流动过程 中将热量传递给LNG,从而组成了一个逆流换热 器使得管内LNG能够加热并且气化9。 OF/ 气化器适用于基本负荷型气化需求 ， 技术成熟 ， 被 广泛应用 ， 但是其对水质要求较高 ， 且容易出现结 冰而影响气化效果， 所以应用有一定限制 10。海水沿着管子径向流动 ， 在不断下降 过程中 与管内的LNG进行换热。但国内外对流体纵 掠 管束流动换热的研究很少 ， 主要是由于其换热效 果没有横掠管束
11、好 。 虽然二者换热有一定差距 ， 但是可以通过修正系数来进行简单的修正 ， 从而 得到二者的关联。 于是，可采用横掠顺排管束的 计算方法来近似纵掠管束的换热 。 所采用的换热 关联式为11:h =0. O33Feo.8Po. 36牛(1)ol2. 3管内LNG计算模型由于 LNG 入口压力过大， 超过了其临界压 力， 所以其为单相液体时 ， 可以按照过冷状态的换 热关联式进行计算 。 但是当其温度也达到了临界 温度时候， 其状态就完全成为了超临界态 ， 其流态 也没有了气液之分 ， 统一为超流体状 态。 而超流 体状态下，LNG物性变化剧烈,其速度也不断变 化， 直接影响到换热效果的计算 。
12、 在 DB 公式 的基础上 ， 可以进一步优化与修正其所产生的误 差， 将超临界流体的比热 、物性变化加入考虑 ， 从 而总结出适合甲烷超临界换热的关联式 12。h =0. 0156Fe0.82P0.5( Pw)0.3(CP)n 辱 (2)ibC dbpb iH HpTTwb式中 ， 平均比热为2. 4总传热模型 热量由海水通过管壁传递到管内海 水， 包含了三个环节: ( 1 )海水到管外壁的 传热;(2)管外 壁到管内壁的传热；(3)管内壁到LNG的传热。 于是整个传热过程的传热系数可表示为 :K =(4 各 +占+ r 2+F) ( 3) h d h o i d w式中：h、h 为管子内、
13、外的表面传热系数;ior 、r 为管子内、外侧的污垢热阻 。o得到总体传热系数之后 ， 即可通过传 热量得 到气化器所需换热面积 A， 其计算公式为 ：其中At采用对数平均温差法进行计算。(4)图 1 OF/ 结构和工作原理图Fig1 OF/ structureandoperating principle diagram2. 2管外海水计算模型3 浸没燃烧式气化器( SC / ) 计算分析3.1 SC/ 气化器模型介绍浸没燃烧型气化器是一种水浴式气 化器，如 图2 所示。其由四部分组成，即气体燃烧室、加热 盘管 、水箱以及其他附件 。天然气管路置于水浴 液位以下 ，一个或几个燃烧器将燃烧后的烟
14、气直 接排入水浴 中，引起水浴的剧烈扰动 ，LNG 通 过 管壁与水进行换热并气 化13。烟 气 的放 热量 基 本相当于LNG气化所需的热量，而水浴的温度 (30C左右)保持不变。这种气化器设计紧凑,安 装不需要占用大量空间 ， 其特点是设备投资低 、启 动快， 能适应负荷的突然变化 ， 对水质要求较低 。 但是由于其配有大量部件 ，运行成本较大，因而适 于紧急情况或调峰时使用 14。燃料气和空气废气 天然气图 2 SCV 工作原理图Fig2 SCV operating principle diagram32 管外海水侧计算模型海水为常压状态， 进出口温度相差也较小。 海水在饱和压力有确定的
15、饱和温度 ， 即海水在沸 腾过程中物性是不变的 。 管外为燃气通入海水槽 中， 产生大量气泡， 沸腾传热， 其换热关联式 为11:h =90q067M05pm( lgp) 055or r rm = 012 02l g F(5)p式中：F为表面平均粗糙度，对一般工业用 p管材表面，F = 0 30. 4“m； q为热流密度,单位p为W/m2； M为相对分子质量；p为对比压力(液 rr体压力与该液体的临界压力之比 ； 海水的临界压 力为 22.8MPa。3.3管内LNG计算模型SCV 气化器管内 LNG 换热类似于 OFV 气化 器的管内换热，于是可以直接利用 OFV 气化器管 内 LNG 换热关联式，即超临界甲烷换热关联式进 行计算，可得到不错的结果。3.4 总的传热模型计算 SCV 气化器总的传热模型 ， 可以按照类 似于 OFV 气化器的模型进行计 算。 水箱中的水 直接被燃气加热 ， 然后水跟换热管管壁进行换热 ， 再经过换热管管壁内部的导热 ， 最后将热量传递 给管内的 LNG， 使其被加热并且气化 。 整个传热 过程的传热系数 、换热面积以及换热管管数都可 以按照 OFV 气化器的计算公式 进行计算。 但应 注意二者管外换热系数以及管长的不 同， 因 此 SCV气化器设计有其特殊的适用条件和方法。4 带有中间传热介质的气
