黃中峰, 王云航, 鄒 偉

(1.重慶興燃能源有限責任公司， 重慶 400020； 2.重慶燃氣集團股份有限公司，重慶 400020； 3.重慶燃氣集團股份有限公司江北分公司， 重慶 400020)

1 概述

LNG空溫式氣化器翅片管外表面受周圍空氣溫度、相對濕度影響較大，氣化過程吸收周圍熱量導致周圍溫度降低，出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，嚴重時導致氣化器受力不均，出現(xiàn)側(cè)向拉力，導致管路破裂、燃氣泄漏，發(fā)生事故；同時，結(jié)霜也影響了氣化器的傳熱性能。因此，深入研究LNG空溫式氣化器的結(jié)霜機理，分析其影響因素并采取有效的控制措施至關重要。秦海杰等[1]對氣化器表面結(jié)霜特性進行了研究，指出空氣相對濕度對結(jié)霜過程的影響。張建文等[2]分析了固體壁面自然對流傳熱的數(shù)值研究現(xiàn)狀，指出熱交換過程中表面結(jié)霜的影響。馬強等[3]對水平冷表面上結(jié)霜過程進行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示冷表面處水蒸氣濃度高，相轉(zhuǎn)移速率快，霜密度增大。陳叔平等[4]通過實驗和理論分析相結(jié)合的方法進行了深冷并聯(lián)翅片管氣化器傳熱特性研究，分析了氣化器在結(jié)霜工況下的傳熱性能。張洋念[5]進行了霜層生長過程實驗，發(fā)現(xiàn)模擬圖像具有分形特征且隨著霜層厚度的增加，分形維數(shù)隨之增大。趙鵬等[6]通過實驗的方法研究了單根豎直星型翅片管的結(jié)霜特性及傳熱特性，發(fā)現(xiàn)霜層的生長與空氣溫度、空氣相對濕度等都有關系。高華偉等[7]對LNG空溫式氣化器氣化過程進行了數(shù)值分析。

LNG空溫式氣化器是由多根相同形式的翅片管并列組合，每根翅片管為星型結(jié)構(gòu)，翅片管由8翅片或12翅片組成(本文的翅片管為12翅片)，管材多為低溫鋁合金，氣化器布置以立式為主，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。液化天然氣從管內(nèi)由下至上流過，在氣化過程中吸收周圍環(huán)境熱量，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，管外周圍空氣溫度下降，持續(xù)運行一段時間后氣化器將會結(jié)霜，霜層熱阻逐漸增大，嚴重影響氣化器的氣化效率。目前，氣化器需要定期進行停機切換，因結(jié)霜后增加了霜層熱阻，需要進行停機融霜后才可繼續(xù)使用[8]。

表1 空溫式氣化器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文只研究氣化器外表面結(jié)霜情況，對翅片管之間結(jié)霜情況不作研究。

2 氣化器霜層厚度監(jiān)測

2.1 氣化器監(jiān)測點布置

為了分析氣化器周圍結(jié)霜情況，在氣化器從左端開始第5根翅片管(正中間)位置距離地面50 cm處為起始點，由下至上分別在1.5 m、3.0 m、4.5 m、6.0 m的位置布置4個紅色噴漆監(jiān)測點，分別為監(jiān)測點1、監(jiān)測點2、監(jiān)測點3、監(jiān)測點4，監(jiān)測點布置見圖1。

圖1 LNG空溫式氣化器監(jiān)測點布置

2.2 氣化器霜層厚度測量

本次測試過程中，該站氣化器周圍環(huán)境空氣溫度為8 ℃，空氣相對濕度為76%，氣化器間距為3.5 m，在此條件下，在夜間0:00時刻開始啟動一臺未結(jié)霜的氣化器，現(xiàn)場試驗過程中使氣化器連續(xù)運行24 h，并測量氣化器的霜層厚度。霜層厚度的測量裝置主要有紅外線測距儀、硬紙板和升降梯，由人員利用紅外線測距儀和硬紙板，搭載升降梯定期實測氣化器霜層厚度。

具體方法如下：

① 利用升降梯分別升至各個監(jiān)測點，做好相應標記；

② 將硬紙板貼靠于監(jiān)測點的位置，硬紙板與氣化器外壁面(翅片管圓管外壁面)保持平行狀態(tài)，由紅外線測距儀測量從氣化器外壁面到硬紙板的距離，即為該監(jiān)測點的霜層厚度；

③ 分別測出4個監(jiān)測點的霜層厚度，并記錄。

實測的24 h氣化器霜層厚度與時間的關系見圖2。

圖2 LNG氣化器霜層厚度與時間的關系

從圖2可知，氣化器結(jié)霜由氣化器底部逐漸向頂部延伸，霜層厚度逐漸減小。氣化器運行2 h后監(jiān)測點1最大厚度可達24 mm，隨著氣化器持續(xù)運行，霜層厚度繼續(xù)增加。在運行24 h后，監(jiān)測點1霜層厚度最大達到180 mm。從監(jiān)測點1到監(jiān)測點4的霜層厚度最大值依次減小。從現(xiàn)場觀察，氣化器結(jié)霜長度達到7 950 mm，接近氣化器總長度(8 000 mm)。

3 氣化器結(jié)霜機理及影響因素分析

3.1 空溫式氣化器結(jié)霜機理

空溫式氣化器結(jié)霜主要由空氣中水蒸氣相變成固態(tài)結(jié)晶，其幾何結(jié)構(gòu)及堆積規(guī)律隨著結(jié)霜進程而發(fā)生變化，導致霜層的形成過程十分復雜，并不是簡單的結(jié)晶堆積過程。通過對表面結(jié)霜原因分析，將結(jié)霜過程分為3個階段：霜晶生長期、霜層生長期、霜層充分生長期[9]。

① 霜晶生長期

霜晶生長期由空氣中水蒸氣相變?yōu)楣虘B(tài)冰晶結(jié)構(gòu)，霜晶為偏平六邊形結(jié)構(gòu)，溫度較低時轉(zhuǎn)變?yōu)榧氶L針狀結(jié)構(gòu)，霜晶量較少。

② 霜層生長期

霜層生長期是指翅片表面固態(tài)冰晶隨著時間推移逐漸堆積，發(fā)展成致密的霜晶結(jié)構(gòu)，且厚度也迅速增加。霜層增長過快影響氣化器外圍空間的氣體流通，阻礙熱量傳遞，因此，霜層生長期是控制霜層增長的最佳時期，控制霜層生長期的霜層厚度至關重要。

③ 霜層充分生長期

隨著氣化器持續(xù)運行，氣化器溫度逐漸降低，霜層堆積加厚，且霜層硬度增加，各翅片霜層充實地粘結(jié)在一起。此時，人工除霜難度增大。

3.2 霜層熱導率和霜層熱阻的計算

3.2.1霜層孔隙率

現(xiàn)場實測氣化器霜層霜塊的孔隙率。分別從監(jiān)測點1、監(jiān)測點2、監(jiān)測點3、監(jiān)測點4取霜塊，取500 mL的 0 ℃的冰水倒入量筒，將取下的4塊霜塊同時一起放入該量筒，即刻記下量筒中水上升的體積V0(即霜塊融化前的體積)。隨即迅速將量筒中的水倒出。待霜塊完全融化后，記下此時量筒中水的體積V(即霜塊融化后水的體積)。由式(1)計算出霜塊的平均孔隙率φ。

(1)

式中φ——霜塊的平均孔隙率

V0——霜塊融化前的體積，mL

V——霜塊融化后水的體積，mL

經(jīng)現(xiàn)場實測，計算得到霜塊的平均孔隙率φ為6.13%。

3.2.2霜層熱導率

通過以下經(jīng)驗公式[10]計算霜塊(即霜層)的熱導率。

(2)

ε=0.42(0.1+0.995ρ)

(3)

ρ=(1-φ)ρice+φρa

(4)

(5)

(6)

1.308×10-4

(7)

λmax=(1-φ)λice+φλa

(8)

式中λf——霜層熱導率，W/(m·K)

ε——中間變量

λmin——霜層熱導率的最小值，W/(m·K)

λmax——霜層熱導率的最大值，W/(m·K)

ρ——霜層的密度，kg/m3

ρice——冰的密度，kg/m3，取920 kg/m3

ρa——空氣的密度，kg/m3，取1.39 kg/m3

λice——冰的熱導率，W/(m·K)

λa——空氣的熱導率，W/(m·K)

Tm——霜層平均溫度，K，取霜層表面溫度和翅片管外表面溫度的算術平均值，本文取255 K

經(jīng)計算，霜層熱導率λf為1.796 W/(m·K)。

3.2.3霜層熱阻

通過現(xiàn)場實測出不同空氣溫度、空氣相對濕度、氣化器間距情況下的霜層厚度，再通過公式(9)分別計算出相應各工況下的霜層熱阻，并繪制相應的曲線圖，從而得出相應的變化規(guī)律。霜層熱阻計算公式如下：

(9)

式中Rf——霜層熱阻，m2·K/W

δf——霜層厚度，m

3.3 氣化器結(jié)霜影響因素

氣化器結(jié)霜的程度用霜層熱阻來表示，霜層熱阻的影響因素主要有空氣溫度、空氣相對濕度、氣化器間距等，在設計時應綜合考慮各項因素。

① 空氣溫度的影響

測試試驗過程中，保持空氣相對濕度為76%、氣化器間距為3.5 m不變?？赏ㄟ^運行其他3臺氣化器以降低待測氣化器周圍的空氣溫度，使用溫度表實時監(jiān)測，待達到指定的測量空氣溫度時，啟動一臺無結(jié)霜的待測氣化器，此時為0時刻，開始計時。同時，通過調(diào)節(jié)其他3臺氣化器的運行工況來控制待測氣化器周圍的空氣溫度，使其在24 h的運行過程中一直維持在指定的測量空氣溫度。運行至第24 h時，測量各監(jiān)測點的霜層厚度。改變指定的測量空氣溫度，重復上述操作步驟，測量得到不同的空氣溫度下第24 h時的霜層厚度。在氣化器周圍環(huán)境空氣溫度為單一變量的情況下，通過公式(9)分別計算得出不同溫度下的霜層熱阻，見圖3。

圖3 空氣溫度對霜層熱阻的影響

可見，隨著空氣溫度的降低，霜層熱阻呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。霜層熱阻越大，氣化器傳熱性能越低，氣化效率越低。

② 空氣相對濕度的影響

測試試驗過程中，保持空氣溫度為8 ℃、氣化器間距為3.5 m不變。可通過加濕器或水噴霧器來實現(xiàn)不同空氣相對濕度。待氣化器周圍環(huán)境空氣相對濕度達到指定的測量空氣相對濕度時，啟動一臺無結(jié)霜的待測氣化器，此時為0時刻，開始計時。同時，使空氣相對濕度在24 h的運行過程中一直維持在指定的測量空氣相對濕度。運行至第24 h時，測量各監(jiān)測點的霜層厚度。改變指定的測量空氣相對濕度，重復上述操作步驟，測量得到不同的空氣相對濕度下第24 h時的霜層厚度。在空氣相對濕度為單一變量的情況下，通過公式(9)分別計算得出不同空氣相對濕度下第24 h時的霜層熱阻，見圖4?？梢?，隨著空氣相對濕度的增加，霜層熱阻呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當空氣相對濕度達到30%左右時，對氣化器的傳熱性能影響較大。

圖4 空氣相對濕度對霜層熱阻的影響

③ 氣化器間距的影響

氣化器間距(外壁到外壁的間距)對結(jié)霜也有一定的影響，主要考慮多臺氣化器周圍空氣流通對結(jié)霜的影響。在重慶地區(qū)選擇不同氣化器間距的氣化站進行實地研究，測量霜層厚度。在測試試驗過程中，保持空氣溫度為8 ℃、空氣相對濕度為76%不變。啟動一臺無結(jié)霜的待測氣化器，此時為0時刻，開始計時。運行至第24 h時，測量各監(jiān)測點的霜層厚度。對于不同的氣化器間距的氣化站，重復上述操作步驟，測量得到不同的氣化器間距下第24 h時的霜層厚度。在氣化器間距為單一變量的情況下，通過公式(1)分別計算得出不同氣化器間距下第24 h時的霜層熱阻，見圖5。

圖5 氣化器間距對霜層熱阻的影響

可見，隨著氣化器間距的增大，霜層熱阻逐漸降低。通過對多個氣化站實際調(diào)研，考慮到占地面積等因素，氣化器間距宜為3～5 m。

④ 小結(jié)

綜上所述，將3個影響因素按照它們對應的霜層熱阻最大值從大到小排序，順序為空氣溫度、空氣相對濕度、氣化器間距，相應的霜層熱阻最大值分別為0.100、0.085、0.070 m2·K/W。因此,空氣溫度對霜層熱阻的影響最大。

4 控制技術分析

4.1 控制技術及應用

① 空氣溫度控制

根據(jù)上述影響因素分析，防止氣化器結(jié)霜，可通過提高空氣溫度來解決，提高空氣溫度目的在于抑制氣化器冰霜的生成。因此，可采用蒸汽加熱的方式，將熱蒸汽噴灑在氣化器周圍以提高空氣溫度，進而抑制冰霜的生成。

② 空氣相對濕度控制

氣化器運行時，會吸收周圍的熱量，產(chǎn)生大量白霧，導致周圍空氣相對濕度增大，若不及時處理，將進一步在氣化器周圍凝結(jié)成霜?？梢圆扇C械排霧的方式增加空氣流通性，在氣化器進液端地面距離氣化器3～5 m的位置布置4臺功率為2.2 kW的防爆風機進行機械排霧，增加空氣的流通性，將產(chǎn)生的白霧吹散，進而降低空氣相對濕度。經(jīng)現(xiàn)場實測，采用4臺上述防爆風機可將空氣相對濕度降低至8%左右，有效降低了空氣相對濕度對氣化器結(jié)霜的影響。防爆風機現(xiàn)場實際布置見圖6。

圖6 防爆風機現(xiàn)場布置

③ 氣化器間距控制

目前，大部分氣化站場地面積較小，部分氣化器間距較近，空氣流通性較差，空氣中水蒸氣難以擴散，因此，溫度過低時容易結(jié)霜。在氣化器布置時應至少保證氣化器間距在3 m以上，以保障足夠的空氣流通，降低結(jié)霜的速率。

④ SCADA智能監(jiān)控系統(tǒng)控制

氣化站內(nèi)氣化區(qū)可采用SCADA智能監(jiān)控系統(tǒng)對氣化器出入口溫度、壓力及氣化量等參數(shù)進行實時監(jiān)控。當氣化器管內(nèi)溫度較低、氣化器結(jié)霜時，可及時切換氣化器組，以降低氣化器結(jié)霜的速率，同時保證氣化器連續(xù)運行，不影響正常供氣。

4.2 控制效果分析

采取控制措施后，在與圖2同樣的條件下，即該站氣化器周圍環(huán)境空氣溫度為8 ℃，空氣相對濕度為76%，氣化器間距為3.5 m，對氣化器觀測24 h，霜層厚度與時間的關系見圖7。

圖7 采取控制措施后霜層厚度與時間的關系

通過上述控制措施，氣化器結(jié)霜現(xiàn)象得到較大程度的改善。由圖2和圖7對比分析，在采取控制措施前、后，布置的4個監(jiān)測點中監(jiān)測點1的霜層厚度最大，應采取有效措施控制監(jiān)測點1的霜層厚度。監(jiān)測點1在采取控制措施前的最大霜層厚度為180 mm(見圖2)，采取控制措施后，由圖7可知，監(jiān)測點1的最大霜層厚度為79 mm，霜層厚度減少56.1%。采取控制措施前，氣化器結(jié)霜長度為7 950 mm，采取控制措施后，結(jié)霜長度為3 400 mm，結(jié)霜長度減少57.2%。綜上所述，上述控制措施對抑制氣化器結(jié)霜起到很大作用，氣化效率得到明顯提高，氣化器連續(xù)運行時間增長，能夠滿足供氣要求。

5 結(jié)論

① 分析LNG空溫式氣化器的結(jié)霜機理，將結(jié)霜過程分為霜晶生長期、霜層生長期、霜層充分生長期，應嚴格控制霜層生長期，防止氣化器大面積結(jié)霜。

② 在LNG氣化站現(xiàn)場取樣，通過實測，得到霜層孔隙率為6.13%。

③ 分析空氣溫度、空氣相對濕度、氣化器間距對氣化器結(jié)霜的影響，通過實測霜層厚度，計算得出氣化器霜層熱阻隨影響因素的變化規(guī)律，得出空氣溫度對氣化器霜層熱阻影響最大，因此要嚴格控制氣化器周圍空氣溫度。

④ 提出減少氣化器結(jié)霜的控制措施(蒸汽加熱氣化器周圍空氣、機械排霧、氣化器間距控制、SCADA智能監(jiān)控)，運行實踐表明，采取控制措施后，有效控制了氣化器的結(jié)霜現(xiàn)象，霜層厚度和結(jié)霜長度明顯減小。