嚴 平 William Yang 劉 勤 張歆悅 曹偉武

1.上海工程技術(shù)大學 2. CSIRO Mineral Resources 3.上海天然氣管網(wǎng)有限公司

新型LNG快速氣化裝置應(yīng)用試驗

嚴 平1William Yang2劉 勤3張歆悅1曹偉武1

1.上海工程技術(shù)大學 2. CSIRO Mineral Resources 3.上海天然氣管網(wǎng)有限公司

嚴平等.新型LNG快速氣化裝置應(yīng)用試驗.天然氣工業(yè)，2016, 36(12): 108-112.

液化天然氣（LNG）存在于低溫高壓環(huán)境，使用時必須先對其加熱氣化，因此LNG氣化裝置是不可缺少的重要裝備，對LNG的高效利用具有至關(guān)重要的作用。為此，研發(fā)了一種新型LNG快速氣化裝置。該裝置采用了已授權(quán)國家發(fā)明專利的氣流旋水子、煙氣循環(huán)系統(tǒng)、注水系統(tǒng)等創(chuàng)新技術(shù)，確保了裝置的運行安全、提高了運行效率。在實驗室試驗取得成功的基礎(chǔ)上，設(shè)計制造了工業(yè)性應(yīng)用裝置，并進行了試驗以驗證裝置設(shè)計的合理性。試驗結(jié)果表明：①新型LNG快速氣化裝置的效率、排煙損失、散熱損失、自身燃料耗氣率等都達到了設(shè)計要求，當負荷為1 800～2 200 m3/h時，效率均超過95%；當負荷為1 976.0 m3/h接近設(shè)計負荷2 000 m3/h時，效率為96.34%，最大負荷可達2 800 m3/h；②裝置的負荷適應(yīng)性強，且能適應(yīng)外界用氣負荷迅速增大的情況；③該裝置的自身燃料耗氣率低，僅為1.5%，符合節(jié)能要求。結(jié)論認為，該裝置熱效率高、啟動快、氣化速率高、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，不受環(huán)境條件影響，適用于天然氣供氣管網(wǎng)中因各種原因無法連網(wǎng)的相對獨立的中小規(guī)模區(qū)域。

新型LNG氣化裝置 啟動快 氣化速率高 傘型氣流旋水子 煙氣循環(huán) 注水系統(tǒng) 應(yīng)用試驗

天然氣因其高效、清潔、儲運使用便利而得到了廣泛應(yīng)用，但在城鎮(zhèn)或不適宜大規(guī)模連網(wǎng)的區(qū)域，常以LNG作為氣源獨立建網(wǎng)；在管網(wǎng)調(diào)峰或需應(yīng)急儲備的區(qū)域，也常以LNG 作為儲備氣源的首選。而LNG存在于低溫高壓環(huán)境，為確保LNG快速氣化投入使用，這些系統(tǒng)必須配置LNG加熱氣化裝置[1-5]。為此，研制了一種啟動快、氣化速率高、不受環(huán)境約束的新型LNG快速氣化裝置，并進行了應(yīng)用性試驗，其效果令人滿意。

1 新型LNG快速氣化裝置的工作原理

圖1為新型LNG快速氣化工業(yè)性應(yīng)用試驗裝置的結(jié)構(gòu)簡圖。如圖1所示，燃料在燃燒室內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫煙氣，高溫煙氣從煙氣噴嘴高速噴出，沖擊安裝在噴嘴正下方、下部浸沒于水中的氣流旋水子，在氣流旋水子圓弧形曲面的引導下，煙氣切向沖擊水面濺出水滴水霧，同時加熱蒸發(fā)出水蒸氣，在引風機的引導下，夾帶著水分的煙氣向上流動進入裝置外殼與燃燒室外壁之間的環(huán)形通道，通道內(nèi)安裝著上盤管，在流經(jīng)上盤管時，煙氣與在管內(nèi)流動的LNG換熱后，部分經(jīng)煙囪排入大氣，部分進入循環(huán)煙氣夾套，回到錐形噴嘴中與燃燒煙氣混合后一起噴出噴嘴，以強化煙氣流沖擊水面的效果。通過這種方式，可控制進入上盤管的煙氣溫度，以確保煙溫低于加熱LNG的安全溫度，保證裝置安全運行；同時可控制煙氣濕度，使煙氣中的水蒸氣在流經(jīng)上盤管時發(fā)生相變而強化傳熱。裝置傳熱面設(shè)計為上下螺旋盤管形式，上盤管圍繞燃燒室外筒自下而上盤旋，用于加熱氣化LNG；下盤管浸沒在水池中，用于加熱已氣化了的天然氣，使其達到工藝參數(shù)，應(yīng)用于工程實際[6-9]。

圖1 新型LNG快速氣化工業(yè)性應(yīng)用試驗裝置的結(jié)構(gòu)簡圖

2 新型LNG快速氣化裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計特點及創(chuàng)新

為實現(xiàn)上述工作原理，新型LNG快速氣化裝置設(shè)置了獨特的燃燒加熱和煙氣循環(huán)系統(tǒng)、換熱面布置和工質(zhì)流程系統(tǒng)、水系統(tǒng)等，其中傘型氣流旋水子、燃燒室內(nèi)外筒、錐形煙氣噴嘴、煙氣再循環(huán)系統(tǒng)和自動注水系統(tǒng)等是創(chuàng)新設(shè)計，已獲得3項國家發(fā)明專利授權(quán)[10-12]。

2.1創(chuàng)新設(shè)計的氣流旋水子

圖2 氣流旋水子的效果示意圖

氣流旋水子是原始創(chuàng)新技術(shù)，是新型LNG氣化裝置的關(guān)鍵部件，其外形圓弧曲線和安裝位置保證了垂直向下的煙氣流轉(zhuǎn)成切向沖擊水面，實現(xiàn)了高溫煙氣降溫增濕的目的。當從錐形噴嘴噴出的高溫煙氣沖擊氣流旋水子時，沿著其圓弧表面高速流動，轉(zhuǎn)成切向沖擊水面，濺出并卷吸水滴水霧形成帶水煙氣向上流動，在此過程中水分吸熱蒸發(fā)，煙氣放熱降溫，隨后進入裝有上盤管的換熱區(qū)域，與管內(nèi)的LNG換熱。該技術(shù)方案的優(yōu)點：①通過高溫煙氣與水大面積接觸產(chǎn)生熱質(zhì)交換，適當降低了煙溫，使煙溫控制在天然氣燃點溫度以下[13]，確保LNG氣化裝置的安全運行；②使受熱面內(nèi)外的工質(zhì)溫差不致過大，以避免管壁熱應(yīng)力損壞；③煙氣中的水蒸氣在換熱時發(fā)生凝結(jié)放熱，以有效提高傳熱效果。圖2為氣流旋水子的效果示意圖。

2.2創(chuàng)新設(shè)計煙氣再循環(huán)系統(tǒng)

煙氣再循環(huán)系統(tǒng)是裝置的創(chuàng)新技術(shù)，它與氣流旋水子一起保證了煙氣沖擊液面濺起水滴的效果。為了提高噴嘴出口的煙氣流速，保證沖擊效果，在燃燒室外設(shè)計一個同心圓筒，構(gòu)成一個環(huán)形通道，上端與循環(huán)煙氣入口連接，下端與錐形噴嘴連接，該環(huán)形通道作為煙氣循環(huán)煙道，將部分煙氣送回氣化裝置成為循環(huán)煙氣與燃燒煙氣混合，以提高噴口處的煙氣速度，強化煙氣沖擊水面的力度。該技術(shù)方案的優(yōu)點：①使循環(huán)煙氣與燃燒煙氣在錐形噴嘴中充分混合并高速噴出，有效地增大了煙速，提高了沖擊力度；②促進煙氣向水池的放熱，利于下盤管的換熱；③通過調(diào)節(jié)循環(huán)煙氣量，能有效地控制煙氣溫度以調(diào)節(jié)裝置運行；④低溫再循環(huán)煙氣的冷卻作用，保護燃燒室外壁不致超溫[14-15]。

2.3創(chuàng)新設(shè)計注水系統(tǒng)

注水系統(tǒng)是裝置的創(chuàng)新技術(shù)，是確保水池水位的關(guān)鍵。在循環(huán)煙氣通道頂部，沿燃燒室外壁設(shè)計布置了注水管，注水管為開有均勻小孔的圓環(huán)形不銹鋼管，管外裹有細不銹鋼絲網(wǎng)，確保水從小孔中噴出后沿鋼絲網(wǎng)均勻擴散。該技術(shù)方案的優(yōu)點：①確保水池水位，不致水位過低而影響煙氣濺出水滴的效果；②注入水的冷卻作用也保護燃燒室外壁不致超溫；③注入水蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣與混合煙氣流一起從噴口射出，也增強了煙氣的沖擊力。

3 LNG快速氣化裝置工業(yè)性應(yīng)用試驗研究

LNG快速氣化工業(yè)性應(yīng)用試驗系統(tǒng)建立在某天然氣管網(wǎng)有限公司所屬的LNG站內(nèi)，該LNG站的任務(wù)是：將天然氣供氣管網(wǎng)在低谷時多余的天然氣液化成LNG貯存?zhèn)溆没驅(qū)ν夤?yīng)，在應(yīng)急時將LNG氣化補充管網(wǎng)供氣。顯然，試驗系統(tǒng)建立在該站內(nèi)能確保LNG供應(yīng)穩(wěn)定，氣化后的天然氣能納入該站的進氣管道，從而形成一個封閉的試驗介質(zhì)循環(huán)回路，對LNG快速氣化裝置工業(yè)性試驗十分有利。試驗系統(tǒng)主要由裝置本體、燃氣供給系統(tǒng)、LNG供給系統(tǒng)、氣化后的天然氣回流系統(tǒng)、補給水系統(tǒng)、煙氣循環(huán)系統(tǒng)、儀表測試及自動控制系統(tǒng)等組成，整個試驗系統(tǒng)布置如圖3所示。

圖3 LNG快速氣化裝置工業(yè)性應(yīng)用試驗系統(tǒng)示意圖

試驗用的LNG快速氣化工業(yè)性應(yīng)用裝置的設(shè)計參數(shù)為：額定負荷為2 000 m3/h，LNG進口壓力為0.5～0.6 MPa，天然氣出口壓力為0.4～0.5 MPa，天然氣出口溫度為5～15 ℃，所用燃料為管道天然氣；以此進行設(shè)計計算，該裝置的設(shè)計效率為95.33%，排煙損失和散熱損失分別2.67%和1.5%，裝置的自身耗氣率為1.44%。

試驗以LNG快速氣化裝置的負荷為基準做了5個工況，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 LNG快速氣化裝置試驗數(shù)據(jù)匯總表

4 試驗結(jié)果與分析

4.1驗證新型LNG快速氣化裝置的設(shè)計參數(shù)

由表1可知：①裝置的試驗負荷范圍為1 744～2 808 m3/h，與設(shè)計值2 000 m3/h相比，完全滿足設(shè)計要求，尤其是其上限達到了140%額定負荷；②氣化后天然氣出口溫度試驗范圍為2.7～23.6℃，與設(shè)計值5～15 ℃相比，達到了設(shè)計要求，且其溫度上限達到了157%；③LNG進口壓力的試驗范圍為0.537～0.598 MPa，與設(shè)計值0.5～0.6 MPa相比，其上限基本相當，可認為達到設(shè)計要求，但下限高于設(shè)計值0.5 MPa；④氣化后天然氣出口壓力試驗范圍為0.502～0.546 MPa，與設(shè)計值0.4～0.5 MPa相比，上限達到了設(shè)計要求，下限也高于設(shè)計值0.4 MPa。試驗時系統(tǒng)壓力無法降低的原因：試驗系統(tǒng)的氣化天然氣出口與LNG站天然氣進氣管網(wǎng)相連，試驗系統(tǒng)的背壓即LNG站進氣壓力，因LNG站的進氣壓力無法降低。因此無法降低試驗系統(tǒng)壓力進行試驗。但分析認為，這并不影響LNG快速氣化裝置的工作性能，因為就氣化裝置而言，出口背壓降低，必然使負荷調(diào)節(jié)幅度增大，這對氣化裝置的運行更有益。由此可見，試驗用LNG快速氣化裝置達到了設(shè)計要求。

4.2新型LNG快速氣化裝置的效率

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，對LNG快速氣化裝置在各工況下運行時的正、反平衡效率及相關(guān)參數(shù)進行了計算，計算結(jié)果見表2。計算結(jié)果表明：各工況下正、反平衡效率的誤差均小于2%。因此計算結(jié)果有效。按規(guī)定，裝置效率以正平衡效率為準。

表2 LNG快速氣化裝置計算數(shù)據(jù)匯總表

圖4顯示了裝置效率與負荷的變化關(guān)系，當負荷為1 976.0 m3/h時，效率達到峰值96.34%，高于設(shè)計值95.33%；當負荷為1 744～2 228 m3/h時，效率均超過95%，可以認為LNG快速氣化裝置在該負荷范圍內(nèi)滿足設(shè)計要求，可見，裝置的負荷適應(yīng)能力較強。但隨著負荷繼續(xù)升高，裝置超負荷運行逐漸加大，其效率逐漸下降，當負荷為2 551～2 808 m3/ h時，效率分別為94.38%和93.20%，均低于設(shè)計要求；但應(yīng)指出的是：此時裝置負荷達到140%，在實際運用中，當外界用氣需求大幅上漲必須緊急供氣時，適當降低效率而滿足供氣需求有時是可以接受的，此時LNG快速氣化裝置的作用更為顯著。

圖4 LNG快速氣化裝置效率與負荷的關(guān)系曲線圖

4.3新型LNG快速氣化裝置的排煙損失、散熱損失、自身耗氣率

裝置排煙損失的設(shè)計值為2.67%，試驗值如表2所示：當負荷為1 976.0 m3/h（工況2）接近設(shè)計值2 000 m3/h時，排煙損失為2.66%，與設(shè)計值相符。但在負荷偏離設(shè)計值，尤其在超負荷運行時，裝置的排煙損失上升很快，導致裝置效率迅速下降，這是因為在低負荷時，為維持爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定，燃料量并不隨負荷下降而同步減少，其結(jié)果必然導致排煙溫度上升；而在高負荷時，隨著燃料量增加，雖然工質(zhì)吸熱量增加，但由于傳熱效果等各種因素的影響，吸熱量并不隨燃料量的增加而同步上升，其結(jié)果必然導致排煙溫度和排煙量迅速上升。顯然，排煙損失是影響裝置效率的主要因素，控制排煙溫度能夠有效提高裝置效率。

裝置散熱損失的設(shè)計值為1.5%，試驗值如表2所示：在負荷接近設(shè)計值時（工況2）為0.05%，與設(shè)計值相比，幾乎可以忽略；在負荷偏離設(shè)計值時，散熱損失均有所上升，但與設(shè)計值相比均可忽略，可見，試驗表明裝置的散熱損失很小，這是因為裝置的設(shè)計保證了裝置外壁溫度很低，因而有效地降低了散熱損失。

裝置自身耗氣率的設(shè)計值為1.44%，試驗值如表2所示：在負荷接近設(shè)計值時（工況2）為1.46%，與設(shè)計值相比，幾乎相當，可以認為滿足設(shè)計要求；在低負荷時，自身耗氣率增大，因為要保持爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定，燃料量不能同步下降；在高負荷時，自身耗氣率變化不大，可見，裝置節(jié)能效果較好。

5 結(jié)論

1）新型LNG快速氣化裝置是一種采用氣流旋水子、煙氣再循環(huán)系統(tǒng)、注水系統(tǒng)等多項創(chuàng)新技術(shù)的全新設(shè)施，已在工業(yè)性應(yīng)用試驗上獲得成功，各試驗參數(shù)達到設(shè)計值；該裝置適用于相對獨立的中小規(guī)模區(qū)域、需特殊供氣參數(shù)的區(qū)域、需應(yīng)急儲備供氣區(qū)域等以LNG作為供氣源的場合。

2）試驗結(jié)果表明：裝置負荷為1 976.0 m3/h時，效率達到峰值96.34%；當負荷在1 800～2 200 m3/h之間時，效率均超過95%，可見，LNG氣化裝置的負荷適應(yīng)性強，最大負荷可達2 800 m3/h，能適應(yīng)外界用氣負荷迅速增大的情況。

3）試驗結(jié)果表明：影響裝置效率的主要因素為排煙損失，裝置的散熱損失幾乎可以忽略；裝置自身耗氣率僅為1.46%，符合節(jié)能環(huán)保要求。

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（修改回稿日期 2016-09-06 編 輯何 明）

Application tests of a new-type LNG rapid gasification unit

Yan Ping1, William Yang2, Liu Qin3, Zhang Xinyue1, Cao Weiwu1
(1. Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China; 2. CSIRO Mineral Resources, Victoria 3168, Australia; 3. Shanghai Natural Gas Pipeline Network Co., Ltd., Shanghai 201204, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 12, pp.108-112, 12/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Liquefied natural gas (LNG) is stored under low temperature and high pressure. It has to be gasified before it is used. Therefore, LNG gasification unit is essential and it is vital to the high-efficiency utilization of LNG. In this paper, a new-type LNG rapid gasification unit was developed. Adopted in this unit are some innovative technologies authorized with the national patent of invention, such as the umbrella-shape gas flow circle unit, the flue gas circulation system and the water feed system, which help to guarantee its operation safety and increase its operation efficiency. After it was justified in lab test, the unit for industrial application was designed and manufactured and then tested to verify its design rationality. The results show that the new-type LNG rapid gasification unit meets the design requirements in the aspect of efficiency, exhaust gas loss, radiation loss and fuel gas consumption rate; at a load of 1 800–2 200 m3/h, its efficiency is over 95%; at a load of 1 976.0 m3/h which is close to the design value of 2 000 m3/h, its efficiency is 96.34% or even up to 2 800 m3/h; that this new-type LNG rapid gasification unit is adaptable to a large range of loads and can adapt to the rapid increase of external load; that its fuel gas consumption rate is only 1.5%, which is in the range of energy conservation; and that it presents the advantages of high heating efficiency, rapid startup, high gasification rate, compact structure, small land occupation and invulnerability to the environment, therefore, it is applicable to the middle and small independent regions which cannot be connected to the natural gas supply pipeline networks due to various reasons.

New-type LNG gasification unit; Rapid startup; High gasification rate; Umbrella-shape gas flow circle unit; Flue gas circulation; Water feed system; Application test

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.12.015

上海市科委重點支撐國際合作項目“新型LNG加熱氣化裝置流場溫度場優(yōu)化和實驗測試研究”（編號：13160501100）。

嚴平，女，1963年生，教授級高級工程師；主要從事天然氣引射輸配、預(yù)熱加熱和LNG快速氣化裝置方面的研發(fā)工作。地址：（201620）上海市龍騰路333號上海工程技術(shù)大學能源與環(huán)境工程研究所。電話：（021）67791175，13901935436。ORCID:0000-0002-1907-8559。E-mail:pingy@yeah.net

William Yang, born in 1963, principal research scientist, PhD; Received his doctorate degree in 2002 from Swinburne University of Technology; Mainly engaged in mechanical, biomedical engineering and measurement techniques research and development work. Address: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), Bayview Avenue, Clayton, Victoria 3168, Australia. Tel: +61 3 95458722, +61 467812042。ORCID: 0000-0002-7630-0419。E-mail: william.yang@csiro.au