嚴(yán)平 曹偉武 錢(qián)尚源 劉偉軍 楊俐運(yùn)

1.上海工程技術(shù)大學(xué) 2.上海理工大學(xué)

新型LNG加熱氣化裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

嚴(yán)平1曹偉武1錢(qián)尚源1劉偉軍1楊俐運(yùn)2

1.上海工程技術(shù)大學(xué) 2.上海理工大學(xué)

LNG加熱氣化裝置是LNG輸配應(yīng)用系統(tǒng)中不可或缺的重要設(shè)備。為此，論述了煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置的結(jié)構(gòu)布置，設(shè)計(jì)研究了該裝置的燃燒加熱和煙氣循環(huán)系統(tǒng)、煙氣循環(huán)和工質(zhì)流程系統(tǒng)、水系統(tǒng)等，其中氣流旋水子、燃燒室內(nèi)外筒、錐形煙氣噴口、煙氣再循環(huán)系統(tǒng)和自動(dòng)注水系統(tǒng)等都是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。為檢驗(yàn)該裝置的性能，還研究設(shè)計(jì)了裝置試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中獲得成功，裝置結(jié)構(gòu)合理、技術(shù)先進(jìn)、熱效率高，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性已得到鑒定和認(rèn)可。

LNG 加熱氣化裝置 煙氣自擊回旋 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 氣流旋水子 錐形煙氣噴口 自動(dòng)注水 試驗(yàn)研究

LNG已成為能源戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)調(diào)整和儲(chǔ)備的重要資源，LNG工業(yè)也成為全球發(fā)展最迅猛的行業(yè)之一［1－3］。

1 國(guó)內(nèi)LNG及其加熱氣化裝置的應(yīng)用情況

LNG在實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須加熱氣化后才能并網(wǎng)供氣，因此天然氣供氣管網(wǎng)必需配置LNG加熱氣化裝置。在眾多中小城市以及距離氣源地較遠(yuǎn)的城市和區(qū)域，由于經(jīng)濟(jì)和地域條件的限制，需要獨(dú)立建設(shè)天然氣管網(wǎng)，也因此需要建設(shè)中小規(guī)模的LNG加熱氣化供氣站；另外，LNG加熱氣化后上網(wǎng)供氣也能有效保障天然氣供氣管網(wǎng)的應(yīng)急、調(diào)峰功能。因此，供氣管網(wǎng)中需要許多中小型的LNG加熱氣化裝置，這類裝置是LNG輸配應(yīng)用系統(tǒng)中不可或缺的重要裝備［4－6］。

目前我國(guó)常用的LNG加熱氣化裝置主要有水加熱型氣化裝置、浸沒(méi)式燃燒加熱型氣化裝置、空氣加熱型氣化裝置、蒸汽加熱型氣化裝置和中間載熱介質(zhì)加熱型氣化裝置等［7－8］，這些裝置各有優(yōu)點(diǎn)、不足之處和適用場(chǎng)合，但在節(jié)能、耗材和使用等方面均有值得改進(jìn)提高的地方。例如：使用較廣的空氣加熱型氣化裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不消耗能源，運(yùn)行費(fèi)用低，但其缺點(diǎn)是占地面積大，單位氣化容量的投資高，運(yùn)行過(guò)程受環(huán)境條件的影響大，當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，其翅片表面容易結(jié)霜而影響LNG的氣化，有時(shí)因環(huán)境溫度太低，導(dǎo)致氣化效率大大降低甚至無(wú)法正常運(yùn)行。因此，研究一種有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、不受環(huán)境影響、氣化效率高并能迅速啟閉以適應(yīng)外界負(fù)荷需要的新型LNG加熱氣化裝置是很有必要的。為此，研制了新型煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置［9］。

2 新型煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)是根據(jù)工程實(shí)際的需要并結(jié)合試驗(yàn)條件而確定的，額定氣化負(fù)荷為500 m3／h，供氣表壓力為0.4 MPa，供氣溫度為20℃。裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置凈重1 255 kg，管程設(shè)計(jì)壓力為1.2 MPa，殼程設(shè)計(jì)壓力為常壓，管程最高工作壓力小于等于0.8 MPa，殼程最高工作壓力為常壓，管程水壓試驗(yàn)壓力為1.5 MPa，管程設(shè)計(jì)溫度為－160℃，殼程設(shè)計(jì)溫度為500℃，使用介質(zhì)為L(zhǎng)NG、天然氣、煙氣、水及水蒸氣。

2.1 裝置的燃燒加熱和煙氣循環(huán)系統(tǒng)

煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置采用燃料燃燒產(chǎn)生的熱量加熱氣化LNG，燃料為天然氣，燃燒器采用低NOx燃燒，燃燒方式為強(qiáng)制通風(fēng)微正壓燃燒，燃燒功率在81～160 k W范圍內(nèi)可調(diào)，燃燒器配有獨(dú)立閥組控制運(yùn)行。燃燒器安裝在試驗(yàn)裝置頂部，火焰向下噴射進(jìn)入燃燒室。燃燒室由同心的內(nèi)筒和外筒相套組成，內(nèi)外筒之間形成環(huán)形夾套，內(nèi)筒為直筒形圓柱，外筒由上下2段組成，上段為直筒形，略長(zhǎng)于內(nèi)筒，下段為圓錐形煙室，逐漸收縮形成煙氣噴口，如圖1所示。燃燒器燃燒產(chǎn)生的火焰噴入內(nèi)筒，充分燃燒后形成的煙氣經(jīng)內(nèi)筒流入外筒下段的圓錐形煙室，不斷加速后從噴口噴出，形成煙氣射流。噴口下方設(shè)置氣流旋水子，由支架支承在LNG加熱氣化裝置的底部。氣流旋水子是一個(gè)傘形圓盤(pán)，如圖1所示，其外表面由拋物線、雙曲線和圓弧等弧線構(gòu)成光滑曲面，圓盤(pán)邊緣微微上翹，傘形圓盤(pán)的尖頂對(duì)準(zhǔn)噴口的中心。LNG加熱氣化裝置的底部是一個(gè)水池，水面正好浸沒(méi)圓盤(pán)邊緣，這樣，高速煙氣從噴口向下噴射到尖頂上，在尖頂和弧形表面的引導(dǎo)下，切向沖擊水面，濺起并卷吸水滴，同時(shí)加熱水并使之蒸發(fā)，形成濕度很高的煙氣流，濕煙氣流向上流經(jīng)加熱氣化裝置外殼和燃燒室外筒之間構(gòu)成的環(huán)形通道，與受熱面換熱后，在循環(huán)風(fēng)機(jī)的引導(dǎo)下，進(jìn)入排煙管道。循環(huán)風(fēng)機(jī)后的排煙管道分成2路，1路為排煙道直接排向大氣，另1路通過(guò)煙氣循環(huán)管道回到裝置，進(jìn)入燃燒室內(nèi)外筒之間的夾套成為循環(huán)煙氣。低溫的循環(huán)煙氣冷卻了燃燒室內(nèi)筒，保護(hù)內(nèi)筒壁不致超溫，更重要的是流經(jīng)夾套的循環(huán)煙氣進(jìn)入燃燒室外筒下段圓錐形煙室，與從內(nèi)筒中噴出的燃燒煙氣混合，不僅增大了煙氣量以保證噴口噴出的煙氣速度，而且降低了燃燒煙氣的溫度以保證進(jìn)入受熱面的煙氣溫度不致過(guò)高，符合LNG加熱氣化的技術(shù)安全要求。在排煙道和循環(huán)煙道上分別裝有調(diào)節(jié)閥門(mén)，試驗(yàn)時(shí)可根據(jù)需要分別調(diào)節(jié)2個(gè)閥門(mén)的開(kāi)啟度，得到試驗(yàn)需要的循環(huán)煙氣量。

圖1 新型LNG加熱氣化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 裝置的受熱面布置和工質(zhì)流程系統(tǒng)

煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置的受熱面分上下2個(gè)盤(pán)管，上盤(pán)管布置在裝置外殼和燃燒器外筒之間的圓環(huán)形空間中，如圖1所示。LNG由低溫貯液罐通過(guò)引入管進(jìn)入上盤(pán)管的進(jìn)口集箱，從上盤(pán)管進(jìn)口集箱側(cè)面引出4根直徑為30 mm的不銹鋼管，圍繞著燃燒器外筒各自向上盤(pán)繞8圈，然后4根盤(pán)管分別接入上盤(pán)管出口集箱，上盤(pán)管出口集箱的上封蓋上裝有安全閥，下封蓋上開(kāi)孔焊有連接管與下盤(pán)管進(jìn)口集箱相連。這樣從上盤(pán)管進(jìn)口集箱進(jìn)入的LNG均勻分配給4根盤(pán)管，與在管外橫向沖刷的高溫濕煙氣換熱后進(jìn)入上盤(pán)管出口集箱，經(jīng)連接管流入下盤(pán)管進(jìn)口集箱。

下盤(pán)管布置在裝置外殼和氣流旋水子支架之間的圓環(huán)形空間中，該處是一個(gè)水池（如圖1所示），因此整個(gè)下盤(pán)管浸沒(méi)于水池中。從下盤(pán)管進(jìn)口集箱側(cè)面引出4根直徑為30 mm的不銹鋼管，4根管子圍繞氣流旋水子支架各自向上盤(pán)繞2圈，然后4根盤(pán)管分別接入下盤(pán)管出口集箱，下盤(pán)管出口集箱的上封蓋上開(kāi)孔焊有直徑為50 mm的天然氣引出管。這樣來(lái)自上盤(pán)管的已氣化了的天然氣進(jìn)入下盤(pán)管進(jìn)口集箱，均勻分配給4根盤(pán)管，與水池中被高溫?zé)煔饧訜岬乃畵Q熱，達(dá)到工藝要求的壓力和溫度后，進(jìn)入下盤(pán)管出口集箱，經(jīng)天然氣引出管向外界供氣。

圖2 引入管、引出管及其閥門(mén)組的流程圖

2.3 裝置的水系統(tǒng)

如前所述，煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置的底部是一個(gè)加熱水池，水池上方為傘形氣流旋水子，水面正好淹沒(méi)氣流旋水子圓盤(pán)的邊緣，這樣高溫?zé)煔鈴腻F形噴口射出時(shí)，在氣流旋水子的引導(dǎo)下切向沖擊水面，一方面卷吸水滴、霧和水蒸氣形成濕煙氣，強(qiáng)化與上盤(pán)管的對(duì)流換熱和凝結(jié)換熱；另一方面高溫?zé)煔庵苯蛹訜崃怂刂械乃?，且在上盤(pán)管中因放熱而凝結(jié)成的水滴借重力跌入水池也加熱了水，從而滿足了水池加熱下盤(pán)管中天然氣的需要，這一設(shè)計(jì)是新型加熱氣化裝置的關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)。

然而在此過(guò)程中，會(huì)有部分水被煙氣帶走，如不及時(shí)補(bǔ)充，會(huì)導(dǎo)致水池中的水位越來(lái)越低，使水面無(wú)法淹沒(méi)氣流旋水子圓盤(pán)的邊緣，從而破壞煙氣沖擊卷吸水滴的過(guò)程，最終破壞加熱氣化裝置的正常運(yùn)行。為補(bǔ)充煙氣排放時(shí)帶走的水分，設(shè)計(jì)了補(bǔ)水系統(tǒng)。補(bǔ)水系統(tǒng)布置在燃燒室內(nèi)、外筒之間環(huán)形夾套的頂部，沿夾套頂部裝有圓環(huán)形補(bǔ)水管與進(jìn)水管連接，進(jìn)水管的另一端與計(jì)量泵連接，圓環(huán)形補(bǔ)水管上開(kāi)有均勻布置的小孔，這樣在裝置運(yùn)行時(shí)，根據(jù)煙氣帶走的水量，設(shè)置好計(jì)量泵的流量，就可及時(shí)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水的目的。水從圓環(huán)形補(bǔ)水管上的小孔噴出，在燃燒室內(nèi)、外筒之間的環(huán)形通道中向下流動(dòng)，由于環(huán)形通道中溫度很高，噴入的水會(huì)部分吸熱蒸發(fā)，部分吸熱后流入水池。由此可見(jiàn)，從圓環(huán)形補(bǔ)水管上小孔噴出的水不僅補(bǔ)充了水池水量，而且在環(huán)形通道中吸熱，與在同一通道中流動(dòng)的循環(huán)煙氣一起冷卻燃燒室內(nèi)筒壁，防止其過(guò)熱，同時(shí)補(bǔ)給水與循環(huán)煙氣一起流入燃燒室外筒的錐形段，與高溫燃燒煙氣混合形成混合煙氣，有效降低燃燒煙氣溫度?；旌蠠煔鈴膰娍趪姵觯倥c水池中的水換熱，溫度被進(jìn)一步降低，低于LNG的燃點(diǎn)溫度后再進(jìn)入上盤(pán)管以保證裝置的安全運(yùn)行。

3 新型煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置的試驗(yàn)系統(tǒng)

煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置是一個(gè)全新的裝置，為檢驗(yàn)該裝置的性能，設(shè)計(jì)研究了裝置的試驗(yàn)系統(tǒng)。

3.1 試驗(yàn)用各類工質(zhì)的流程系統(tǒng)

試驗(yàn)采用的燃料天然氣來(lái)自日常供氣管網(wǎng)。從供氣管網(wǎng)引出供氣管接到燃燒器上，供氣管上裝有閥門(mén)，試驗(yàn)時(shí)開(kāi)啟閥門(mén)，再開(kāi)啟燃燒器的自動(dòng)點(diǎn)火裝置即可點(diǎn)火燃燒。

試驗(yàn)采用的被加熱工質(zhì)有2種，為安全起見(jiàn)，試驗(yàn)先用液氮作為被加熱工質(zhì)，在此基礎(chǔ)上再用LNG進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)用液氮或LNG都是灌裝在3個(gè)低溫貯液罐中的，每個(gè)貯液罐的容積為480 L。根據(jù)LNG的使用規(guī)范，為保證安全，3個(gè)低溫貯液罐均放置在室外。為滿足試驗(yàn)時(shí)對(duì)工質(zhì)流量的要求，3個(gè)低溫貯液罐并聯(lián)在工質(zhì)引入管上，每個(gè)低溫貯液罐既可各自單獨(dú)供工質(zhì)，也可隨意組合同時(shí)向加熱氣化裝置供工質(zhì)。試驗(yàn)時(shí)的工質(zhì)耗量用電子平臺(tái)秤計(jì)量，為此3個(gè)貯液罐必須一起放在電子平臺(tái)秤上，以測(cè)定工質(zhì)耗量。

每個(gè)貯液罐的出口處均裝有公稱直徑為15 mm的低溫球閥，閥后均用公稱直徑為15 mm的金屬軟管與工質(zhì)引入管連接，引入管的一端封死，另一端連接在上盤(pán)管進(jìn)口集箱的下封蓋上。引入管上裝有閥門(mén)組，起到阻止低溫工質(zhì)回流、截止管路流通和調(diào)節(jié)管道壓力等作用。引出管上也裝有閥門(mén)組，同樣起到截止管路流通和調(diào)節(jié)管道壓力等作用，其流程圖如圖2所示（圖2中所示LNG加熱氣化裝置的左側(cè)為引入管閥門(mén)組的流程圖，右側(cè)為引出管閥門(mén)組的流程圖）。引出管閥門(mén)組后裝有阻火器，以防室外雷電等回火進(jìn)入裝置。阻火器后的引出管管徑擴(kuò)大為80 mm，沿實(shí)驗(yàn)室外墻升到屋頂上空，將氣化后的天然氣排入大氣。為消除排氣引起的噪音，排氣管道末端裝有擴(kuò)口消音器，并裝有避雷針，防止雷擊。

3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)布置

為了對(duì)新型LNG加熱氣化裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究，在試驗(yàn)系統(tǒng)和裝置上布置了多組測(cè)點(diǎn)。

3.2.1 煙氣系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)布置

在燃燒室外筒下段錐形噴口與氣流旋水子尖頂之間布置了1個(gè)高溫?zé)犭娕?，測(cè)量噴口噴出的煙氣溫度；在裝置頂部按等邊三角形三頂點(diǎn)位置向上盤(pán)管管圈之間插入3組熱電偶，每組有3個(gè)測(cè)點(diǎn)，以測(cè)量上盤(pán)管管圈間的溫度分布場(chǎng)；在循環(huán)煙道和排煙道上各設(shè)置了1個(gè)測(cè)量孔，可分別測(cè)量循環(huán)煙氣和排煙的溫度、濕度、速度和流量。

3.2.2 被加熱工質(zhì)系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)布置

低溫工質(zhì)耗量用型號(hào)為XK3190－A9P的電子平臺(tái)秤稱重，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，試驗(yàn)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)的低溫工質(zhì)耗量即為裝置的實(shí)時(shí)氣化量。在上盤(pán)管上布置了4組熱電偶，每組6個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別焊接在4根盤(pán)管的外壁上，以監(jiān)測(cè)整個(gè)上盤(pán)管的壁溫變化狀況；在下盤(pán)管入口集箱的下封蓋上開(kāi)孔安裝熱電偶，測(cè)量連接管內(nèi)的天然氣溫度，以監(jiān)測(cè)上、下盤(pán)管間的熱量分配情況；在下盤(pán)管的4根盤(pán)管上分別焊接了4個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)下盤(pán)管的壁溫變化。試驗(yàn)主要采用K型熱電偶加補(bǔ)償導(dǎo)線和T型熱電偶，將測(cè)試數(shù)據(jù)輸入電腦進(jìn)行記錄和處理。在天然氣引出管的閥門(mén)組前裝有溫度計(jì)和壓力表，以測(cè)量排出天然氣的溫度和壓力，即裝置對(duì)外供氣的溫度和壓力。

3.2.3 水池中的測(cè)點(diǎn)布置

水池中布置了3個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)，從上至下依次焊接在氣流旋水子的支架上，以監(jiān)測(cè)水池中的水溫分布狀況；補(bǔ)水系統(tǒng)采用容積式定時(shí)定量電磁計(jì)量泵，調(diào)節(jié)泵的頻率和行程即可控制泵的流量，以準(zhǔn)確而均勻地泵入所需水量。計(jì)量泵的給水箱中裝有1個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)，以測(cè)量補(bǔ)給水的溫度。

4 裝置的試驗(yàn)研究和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

主要試驗(yàn)參數(shù)為：液氮流量為5～19 kg／min；LNG流量為2～14 kg／min；循環(huán)煙氣流量為0～100%的排煙量；水池水位高度從氣流旋水子圓盤(pán)底部向上不超過(guò)20 mm。試驗(yàn)按規(guī)定的操作程序啟動(dòng)后進(jìn)入運(yùn)行系統(tǒng)，按規(guī)定記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算。

4.1 裝置的熱效率分析

裝置正平衡熱效率按被加熱工質(zhì)有效利用熱占裝置輸入總熱量的份額計(jì)算，裝置反平衡熱效率主要計(jì)算了排煙熱損失和散熱損失，因?yàn)檠b置所用燃料是天然氣，且燃燒條件較好，因此化學(xué)不完全燃燒損失、機(jī)械不完全燃燒損失和灰渣熱物理?yè)p失就忽略不計(jì)了。

當(dāng)試驗(yàn)工質(zhì)為液氮時(shí)，裝置的額定負(fù)荷是按裝置加熱氣化LNG時(shí)的額定負(fù)荷所需的熱當(dāng)量計(jì)算的，試驗(yàn)時(shí)液氮輸入量的范圍為5.5～16.0 kg／min，試驗(yàn)結(jié)果表明，裝置的最佳流量范圍為12.5～14.0 kg／min，此時(shí)裝置的正平衡熱效率和反平衡熱效率均超過(guò)93%，最佳熱效率達(dá)96%，正、反平衡熱效率之間的差值均在允許范圍內(nèi)。當(dāng)試驗(yàn)工質(zhì)為L(zhǎng)NG時(shí)，裝置的額定負(fù)荷按設(shè)計(jì)要求的500 m3／h計(jì)，試驗(yàn)時(shí)LNG輸入量的范圍為2.0～8.5 kg／min，試驗(yàn)結(jié)果表明，裝置的最佳流量范圍為5.5～6.5 kg／min，此時(shí)裝置的正平衡熱效率和反平衡熱效率均超過(guò)94%，最佳熱效率超過(guò)97%，正、反平衡熱效率之間的差值均在允許范圍內(nèi)。經(jīng)分析裝置熱效率高的原因主要是因?yàn)檠b置的排煙溫度低，僅為55℃左右，因此燃料燃燒過(guò)程中所產(chǎn)水蒸氣的氣化潛熱能釋放出來(lái)，被有效利用了，且裝置設(shè)計(jì)緊湊，散熱量很小。

4.2 裝置換熱面的換熱特性分析

裝置換熱面由上盤(pán)管和下盤(pán)管組成。上盤(pán)管的換熱工況比較復(fù)雜，其管內(nèi)是低溫液體，在換熱過(guò)程中從管外吸熱，經(jīng)過(guò)加熱、氣化、過(guò)熱3個(gè)階段變成氣體，換熱過(guò)程包含了強(qiáng)制對(duì)流換熱和沸騰換熱；而管外是帶有較多水分的煙氣，在橫向沖刷上盤(pán)管的過(guò)程中向管內(nèi)放熱，煙氣溫度降低，所含水蒸氣降溫凝結(jié)成水，放出氣化潛熱，換熱過(guò)程包含了強(qiáng)制對(duì)流換熱和凝結(jié)換熱。在上盤(pán)管的整個(gè)換熱過(guò)程中，管內(nèi)外均存在相變，因此很難針對(duì)每種換熱方式分析上盤(pán)管的換熱規(guī)律，比較合理的方式是分析研究整個(gè)換熱過(guò)程的平均換熱特性。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出上盤(pán)管管內(nèi)、外的平均對(duì)流換熱系數(shù)及濕煙氣與低溫工質(zhì)換熱的平均傳熱系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)于液氮，當(dāng)其流速為1.0～1.5 m／s時(shí)，盤(pán)管內(nèi)的平均強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)為80～105 W／（m2·K），盤(pán)管外的平均強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)為278～610 W／（m2·K），濕煙氣與低溫工質(zhì)間的平均傳熱系數(shù)為58～80 W／（m2·K）；對(duì)于LNG，當(dāng)其流速為1.0～1.5 m／s時(shí)，盤(pán)管內(nèi)的平均強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)為114～151 W／（m2·K），盤(pán)管外的平均強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)為210～288 W／（m2·K），濕煙氣與低溫工質(zhì)間的平均傳熱系數(shù)為68～87 W／（m2·K）。

下盤(pán)管的換熱工況相對(duì)簡(jiǎn)單，其管內(nèi)是已氣化的天然氣，管外是水池中的水，換熱按水自然對(duì)流的方式計(jì)算。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：對(duì)于液氮，水與下盤(pán)管間的傳熱系數(shù)為181～285 W／（m2· K）；對(duì)于LNG，水與下盤(pán)管間的傳熱系數(shù)為102～163 W／（m2·K）。

4.3 LNG輸入量與正平衡熱效率和傳熱系數(shù)的關(guān)系

圖3為正平衡熱效率與LNG輸入量的關(guān)系圖。從圖3可以看出，裝置正平衡熱效率隨工質(zhì)LNG輸入量的增大而提高，當(dāng)循環(huán)煙氣量增大（即循環(huán)煙道調(diào)風(fēng)門(mén)的開(kāi)度從50%增大到75%）時(shí)，裝置正平衡熱效率反而降低，原因是循環(huán)煙氣量增大，導(dǎo)致混合煙氣溫度降低，使傳熱溫差減小，LNG的吸熱量降低。

圖3 正平衡熱效率與LNG輸入量的關(guān)系圖

圖4為上盤(pán)管與濕煙氣換熱時(shí)傳熱系數(shù)與LNG輸入量的關(guān)系圖。反映了當(dāng)燃料天然氣輸入熱負(fù)荷不變、循環(huán)煙道調(diào)風(fēng)門(mén)的開(kāi)度為50%時(shí)，濕煙氣與上盤(pán)管換熱的傳熱系數(shù)與LNG輸入量之間的關(guān)系，此時(shí)上盤(pán)管外濕煙氣量基本不變，傳熱系數(shù)的變化主要由管內(nèi)LNG的對(duì)流換熱系數(shù)決定。隨著LNG輸入量的增大，其管內(nèi)流速上升，導(dǎo)致上盤(pán)管傳熱系數(shù)增大，且隨著LNG輸入量的增大，在輸入熱負(fù)荷不變時(shí)，其溫升下降，從而增大了管內(nèi)外的傳熱溫差，促進(jìn)了傳熱。

圖4 上盤(pán)管與濕煙氣換熱時(shí)傳熱系數(shù)與LNG輸入量關(guān)系圖

5 結(jié)論

1）煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置是一種采用創(chuàng)新技術(shù)的新型裝置，已在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中獲得成功，裝置的結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)先進(jìn)，熱效率高，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性已通過(guò)鑒定并得到認(rèn)可。

2）裝置采用的創(chuàng)新技術(shù)如氣流旋水子、燃燒室內(nèi)外筒、上下盤(pán)管結(jié)構(gòu)和煙氣再循環(huán)系統(tǒng)等，使裝置具備了啟動(dòng)快、氣化速率高、不受環(huán)境條件影響、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、符合節(jié)能環(huán)保要求等諸多優(yōu)點(diǎn)。所用創(chuàng)新技術(shù)已申請(qǐng)多項(xiàng)國(guó)家專利，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)［10－11］。

3）針對(duì)管內(nèi)存在沸騰放熱、管外存在凝結(jié)放熱的強(qiáng)制對(duì)流換熱的復(fù)雜工況，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，提供了可供借鑒的換熱參數(shù)。

煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置適用于因各種原因無(wú)法聯(lián)網(wǎng)的相對(duì)獨(dú)立的中小規(guī)模天然氣供氣管網(wǎng)區(qū)域、管網(wǎng)負(fù)荷變化范圍較大的調(diào)峰區(qū)域、需要迅速頻繁供氣或停氣的區(qū)域以及需要應(yīng)急保障的供氣區(qū)域等。

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Structural design and experimental research of a new plant for heating and vaporizing LNG

Yan Ping1，Cao Weiwu1，Qian Shangyuan1，Liu Weijun1，Yang Liyun2
（1.Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China；2.University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 31，ISSUE 6，pp.98－102，6／25／2011.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

A plant for heating and vaporizing LNG is a necessary key part for the LNG transportation and distribution system.Therefore，this paper first discusses the structural layout of a new plant for heating and vaporizing LNG by use of flue gas lashing and sending up spray.Then，the related design and research are also introduced in detail，including heating and flue gas circulating system，working medium flow process，and water system，etc.，among which the gas flow circle unit，the inner and outer cylinder of a combustion chamber，the cone nozzle of flue gas，the flue gas recirculation，and the automatic water feeding apparatus belong to the innovative design with independent intellectual property rights.In order to verify this plant＇s performance，an experimental unit is thus designed.From experimental studies，this said plant has achieved encouraging results：reasonable structural layout，advanced technology，high thermal efficiency，and its technical and economic advantages already appraised and recognized as well.

LNG，heated and gasified device，flue gas lashing and sending up spray，structural design，experimental research

上海市科委科技攻關(guān)項(xiàng)目（編號(hào)：10160501900）。

嚴(yán)平，女，1963年生，高級(jí)工程師；主要從事天然氣引射輸配、加熱和LNG加熱氣化爐的開(kāi)發(fā)研究工作。地址：（201620）上海市上海工程技術(shù)大學(xué)能源與環(huán)境工程研究所。電話：（021）67791175，13901935436。E－mail：pingy＠yeah.net

嚴(yán)平等.新型LNG加熱氣化裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究.天然氣工業(yè)，2011，31（6）：98－102.

10.3787／j.issn.1000－0976.2011.06.021

2011－03－01 編輯 何 明）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2011.06.021

Yan Ping，senior engineer，born in 1963，is mainly engaged in research and development of LNG heating boilers.

Add：No.333，Longteng Rd.，Shanghai 201620，P.R.China

Tel：＋86－21－6779 1175 Mobile：＋86－13901935436 E－mail：pingy＠yeah.net