何曉茹

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

隨著生態(tài)環(huán)境問題日益突出，我們需要使用清潔能源，減少大氣污染物的排放，以改善大氣環(huán)境，走可持續(xù)發(fā)展道路[1]。天然氣就是一種清潔能源，它可以減少CO2、硫化物、氮氧化物以及粉塵的排放，因此被廣泛使用。而液化天然氣（Liquid Natural Gas，LNG）是天然氣的液態(tài)形式，其體積遠(yuǎn)比同量氣態(tài)天然氣的體積小，可以降低運輸空間，且能量密度高，因此，我們常使用LNG。

1 氣化器的選擇

LNG具有便于運輸、能量密度高等多個優(yōu)點，但是它在使用前必須經(jīng)過氣化，其核心設(shè)備就是氣化器。此外，在現(xiàn)代化的石油化工工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器設(shè)備的投資大約占到工業(yè)設(shè)備總投資的2／5以上[2]。由此可見，它的選擇很重要。而目前常用到的氣化器有四種，分別是浸沒燃燒式氣化器（SCV）、開架式氣化器（ORV）、中間流體式氣化器（IFV）以及空溫式氣化器（AAV）[3]。

SCV利用的是燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣，具體加熱過程是：煙氣通過分配管上的氣孔進(jìn)入換熱器殼程的水浴，進(jìn)而給管束中的LNG加熱。但是它不作為主換熱器使用，常常用于調(diào)峰。

ORV利用的是海水，具體加熱過程是：位于鋁合金管外部空間的海水從上部進(jìn)入，下部流出，而LNG位于鋁合金管的內(nèi)部，在海水流經(jīng)過程中，內(nèi)部的LNG被加熱氣化。但是在選用ORV時，常要考慮到：1）海水中是否含有對殼體涂層產(chǎn)生腐蝕的金屬離子；2）海水中沙子及懸浮物對殼體造成的磨損是否可以忽略；3）海水排出時的溫度是否符合當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)等等。它的使用對海水的要求較高。

IFV是一種傳統(tǒng)的管殼式換熱器，它主要分為3部分：冷凝器、蒸發(fā)器和調(diào)溫器。具體加熱過程是：海水作為熱源加熱蒸發(fā)器殼程中的中間物質(zhì)丙烷（常用的中間物質(zhì)還有氮氣和氟利昂），丙烷吸熱氣化；氣化后的丙烷上升加熱冷凝器管程中的LNG，兩者進(jìn)行換熱，丙烷冷凝，形成一個循環(huán)，而LNG氣化。但是因氣化后的天然氣溫度未達(dá)到外輸要求，此時海水會作為熱源對調(diào)溫器中的天然氣進(jìn)一步加熱?？偟膩碚f，IFV投資成本比較高。

AAV利用的是環(huán)境空氣，具體加熱過程是：在管外，空氣通過自然對流，不斷將熱量傳遞給翅片管；翅片管又經(jīng)過導(dǎo)熱，熱量由外壁面?zhèn)飨騼?nèi)壁面；在管內(nèi)，LNG經(jīng)過強制對流，不斷氣化成NG，如圖1所示。

圖1 AAV氣化流程

例如在海岸邊的某一氣化系統(tǒng)中，日氣化量、溫度和壓力分別是2830×104m3、277.5K和9MPa，大氣壓力和溫度分別為101325Pa和7～24℃，海水溫度為12～18℃，LNG的組分如表1。對三種常用的氣化器（開架式、空溫式以及浸沒燃燒式）進(jìn)行了對比，氣化工藝如表2所示[4]。

表1 LNG組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

表2 不同氣化工藝對比

比較發(fā)現(xiàn)，AAV總占地面積、重量較大，預(yù)算投資費用較高，但是它能耗、污染物排放量要明顯低于其他兩種。

現(xiàn)在，為了避免因外壁結(jié)冰，而影響空溫式氣化器正常使用這一狀況，常常在傳統(tǒng)空溫式氣化器的頂部安裝風(fēng)扇，加快頂部空氣流動，增強空氣對流傳熱效果，提高氣化器的整體傳熱效率。

2 空溫式氣化器

圖2是空溫式氣化器示意圖。布置方式為豎直并列蛇形管式，它包括豎直向上和豎直向下兩種流動方式。Klimenko[5]研究表明：因為自上向下流動時，沸騰換熱強度變差，所以LNG自下向上流動的傳熱效果比自上向下的好。目前，空溫式氣化器多采用豎直向上這一流動方式，即LNG從翅片管底部流入，NG從頂部流出，而空氣是從翅片管頂部和側(cè)部流入，底部流出。

圖2 空溫式氣化器示意圖

3 影響AAV傳熱性能的因素

影響AAV傳熱性能的因素大致有：LNG入口流速、操作壓力、空氣溫度、空氣流速以及翅片管結(jié)構(gòu)等。

3.1 LNG入口流速

由于下游用戶使用天然氣不均勻，因此氣化量具有波動性，其傳熱系數(shù)和焓差也會隨著氣化量發(fā)生變化，所以必須考慮LNG氣化量的影響，也就是入口流速帶來的影響。理論上，由于流量增大，流體湍流性增強，傳熱系數(shù)會隨著流量的增大而增大。但是由于流量增大，流體與管壁接觸的時間變短，換熱量減少，因此出入口焓差卻不會一直增大，在一定的運行工況和環(huán)境條件下存在著一個“極值焓差”，即空溫式氣化器出入口最大焓差，其對應(yīng)的氣化量即為最優(yōu)氣化量。

3.2 操作壓力

由于空溫式氣化器多用于管線調(diào)峰或者小型加氣站，工作壓力時有變化。當(dāng)壓力變化時，LNG的泡點、汽化潛熱等參數(shù)也會發(fā)生變化，繼而影響翅片管內(nèi)天然氣的氣化過程。所以要對不同的操作壓力進(jìn)行模擬，找出壓力對傳熱特性的影響規(guī)律。

3.3 空氣溫度

空溫式氣化器主要是利用大氣環(huán)境作為熱源加熱LNG，所以空氣側(cè)的換熱情況會直接決定空溫式氣化器的換熱效果。當(dāng)空溫式氣化器由于地區(qū)或是季節(jié)不同時，外側(cè)空氣溫度也會相應(yīng)改變，并且當(dāng)空氣溫度過低時，會導(dǎo)致外壁面結(jié)冰，直接影響到氣化器的正常使用。所以分析空氣溫度對翅片管傳熱性能的影響具有顯著意義。

3.4 空氣流速

空溫式氣化器要從空氣中獲得熱量來氣化LNG，它的氣化量受環(huán)境溫度影響較大。當(dāng)環(huán)境溫度較低時，氣化量達(dá)不到額定值，且氣化器外壁可能會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，需要用大量水沖洗才能夠正常使用，從而影響氣化器站的正常供氣。而在氣化器頂部安裝風(fēng)扇后，可以加快頂部空氣流動速度，保證空氣頂部溫度，強化傳熱效果，維持設(shè)備的正常運行。

3.5 翅片管結(jié)構(gòu)

考慮翅片管結(jié)構(gòu)對換熱性能的影響，主要是從翅片個數(shù)、翅片高度以及翅片厚度三方面進(jìn)行考慮的，如圖3所示。

圖3 翅片管結(jié)構(gòu)示意圖

增加翅片個數(shù)，主要是從改變傳熱面積角度出發(fā)的。通過增大換熱面積，進(jìn)而使更多的熱量傳遞至管內(nèi)，從而提高換熱效率。但是換熱效率并不是一直隨著翅片個數(shù)增加而增大，因為翅片個數(shù)過多時，意味著翅片夾角較小，翅片管外側(cè)的空氣溫度邊界層變厚，近壁面溫度梯度減小，從而單位面積換熱量減小。因此，需要研究翅片個數(shù)對傳熱性能的影響，從而確定適宜的翅片個數(shù)。

隨著翅片高度的增加，同樣的，傳熱面積也在不斷增加，傳熱效率隨之提高。但是當(dāng)翅片高度達(dá)到一定高度時，繼續(xù)增加翅片高度，換熱效率的增加已經(jīng)不是很明顯了。因此，從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，我們要保證在最小的占地面積條件下達(dá)到最大的換熱效率，即要通過模擬確定最佳的翅片高度。

當(dāng)翅片厚度增加時，傳熱面積同樣的也在增大，換熱效率也隨之增大，但是隨著翅片厚度的無限制增加，兩翅片間距離不斷減小。和過多增加翅片個數(shù)一樣，傳熱效率反而會隨之減小，所以需要通過模擬找出最佳的翅片厚度。

改變翅片管的結(jié)構(gòu)參數(shù)（翅片個數(shù)、翅片高度以及翅片厚度），理論上都是通過改變傳熱面積來改變換熱效率的，但因為過多增加翅片數(shù)目、翅片厚度會導(dǎo)致?lián)Q熱效率下降，且當(dāng)數(shù)目、高度、厚度增加時，投資費用也在增加。所以需要模擬不同尺寸的翅片管模型，確定出最佳的翅片個數(shù)，翅片高度以及翅片厚度。

4 結(jié)語

隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，現(xiàn)在廣泛使用液化天然氣。氣化器作為氣化站的核心設(shè)備，它的選擇也變得尤為重要。相比其他類型的氣化器，空溫式氣化器由于其能耗低、污染物排放量小等優(yōu)點，而被廣泛使用。

經(jīng)研究比較，現(xiàn)在空溫式氣化器常采用的布置方式為并列蛇形管式，流動方向為豎直向上。

而影響空溫式氣化器傳熱效率的因素有很多，例如，LNG入口流速、操作壓力、空氣溫度、空氣流速以及翅片管結(jié)構(gòu)等。因此，為了提高換熱效率，研究影響氣化器換熱性能的因素是十分必要的。