新型LNG加熱氣化裝置的結(jié)構(gòu)設計及試驗研究

摘 要

摘要：LNG加熱氣化裝置是LNG輸配應用系統(tǒng)中不可或缺的重要設備。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，設計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)
摘要：LNG加熱氣化裝置是LNG輸配應用系統(tǒng)中不可或缺的重要設備。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，設計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)和自動注水系統(tǒng)等都是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新設計。為檢驗該裝置的性能，還研究設計了裝置試驗系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明：煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置在實驗室試驗中獲得成功，裝置結(jié)構(gòu)合理、技術(shù)先進、熱效率高，其技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)越性已得到鑒定和認可。
關(guān)鍵詞：LNG加熱氣化裝置；煙氣自擊回旋；結(jié)構(gòu)設計；氣流旋水子；錐形煙氣噴口；自動注水；試驗研究
    LNG已成為能源戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)調(diào)整和儲備的重要資源，LNG工業(yè)也成為全球發(fā)展最迅猛的行業(yè)之一[1～3]。
1 國內(nèi)LNG及其加熱氣化裝置的應用情況
    LNG在實際應用時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的城市和區(qū)域，由于經(jīng)濟和地域條件的限制，需要獨立建設天然氣管網(wǎng)，也因此需要建設中小規(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輸配應用系統(tǒng)中不可或缺的重要裝備[4～6]。
    目前我國常用的LNG加熱氣化裝置主要有水加熱型氣化裝置、浸沒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、不足之處和適用場合，但在節(jié)能、耗材和使用等方面均有值得改進提高的地方。例如：使用較廣的空氣加熱型氣化裝置的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，不消耗能源，運行費用低，但其缺點是占地面積大，單位氣化容量的投資高，運行過程受環(huán)境條件的影響大，當環(huán)境溫度較低時，其翅片表面容易結(jié)霜而影響LNG的氣化，有時因環(huán)境溫度太低，導致氣化效率大大降低甚至無法正常運行。因此，研究一種有自主知識產(chǎn)權(quán)、不受環(huán)境影響、氣化效率高并能迅速啟閉以適應外界負荷需要的新型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加熱式化裝置的結(jié)構(gòu)設計
    煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置的設計參數(shù)是根據(jù)工程實際的需要并結(jié)合試驗條件而確定的，額定氣化負荷為500m3/h，供氣表壓力為0.4MPa，供氣溫度為20℃。裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置經(jīng)重1255kg，管程設計壓力為1.2MPa，殼程設計壓力為常壓，管程最高工作壓力小于等于0.8MPa，殼程最高工作壓力為常壓，管程水壓試驗壓力為1.5MPa，管程設計溫度為-160℃，殼程設計溫度為500℃，使用介質(zhì)為LNG、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，燃燒方式為強制通風微正壓燃燒，燃燒功率在81～160kW范圍內(nèi)可調(diào)，燃燒器配有獨立閥組控制運行。燃燒器安裝在試驗裝置頂部，火焰向下噴射進入燃燒室。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。噴口下方設置氣流旋水子，由支架支撐在LNG加熱氣化裝置的底部。氣流旋水子是一個傘形圓盤，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，圓盤邊緣微微上翹，傘形圓盤的尖頂對準噴口的中心。LNG加熱氣化裝置的底部是一個水池，水面正好浸沒圓盤邊緣，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下，切向沖擊水面，濺起并卷吸水滴，同時加熱水并使之蒸發(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)風機的引導下，進入排煙管道。循環(huán)風機后的排煙管道分成2路，1路為排煙道直接排向大氣，另1路通過煙氣循環(huán)管道回到裝置，進入燃燒室內(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入受熱面的煙氣溫度不致過高，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，試驗時可根據(jù)需要分別調(diào)節(jié)2個閥門的開啟度，得到試驗需要的循環(huán)煙氣量。

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個盤管，上盤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由低溫貯液罐通過引入管進入上盤管的進口集箱，從上盤管進口集箱側(cè)面引出4根直徑為30mm的不銹鋼管，圍繞著燃燒器外筒各自向上盤繞8圈，然后4根盤管分別接入上盤管出口集箱，上盤管出口集箱的上封蓋上裝有安全閥，下封蓋上開孔焊有連接管與下盤管進口集箱相連。這樣從上盤管進口集箱進入的LNG均勻分配給4根盤管，與在管外橫向沖刷的高溫濕煙氣換熱后進入上盤管出口集箱，經(jīng)連接管流入下盤管進口集箱。
    下盤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，該處是一個水池(如圖1所示)，因此整個下盤管浸沒于水池中。從下盤管進口集箱側(cè)面引出4根直徑為30mm的不銹鋼管，4根管子圍繞氣流旋水子支架各自向上盤繞2圈，然后4根盤管分別接入下盤管出口集箱，下盤管出口集箱的上封蓋上開孔焊有直徑為50mm的天然氣引出管。這樣來自上盤管的已氣化了的天然氣進入下盤管進口集箱，均勻分配給4根盤管，與水池中被高溫煙氣加熱的水換熱，達到工藝要求的壓力和溫度后，進入下盤管出口集箱，經(jīng)天然氣引出管向外界供氣。
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加熱水池，水池上方為傘形氣流旋水子，水面正好淹沒氣流旋水子圓盤的邊緣，這樣高溫煙氣從錐形噴口射出時，在氣流旋水子的引導下切向沖擊水面，一方面卷吸水滴、霧和水蒸氣形成濕煙氣，強化與上盤管的對流換熱和凝結(jié)換熱；另一方面高溫煙氣直接加熱了水池中的水，且在上盤管中因放熱而凝結(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管中天然氣的需要，這一設計是新型加熱氣化裝置的關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)。
    然而在此過程中，會有部分水被煙氣帶走，如不及時補充，會導致水池中的水位越來越低，使水面無法淹沒氣流旋水子圓盤的邊緣，從而破壞煙氣沖擊卷吸水滴的過程，最終破壞加熱氣化裝置的正常運行。為補充煙氣排放時帶走的水分，設計了補水系統(tǒng)。補水系統(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)形補水管與進水管連接，進水管的另一端與計量泵連接，圓環(huán)形補水管上開有均勻布置的小孔，這樣在裝置運行時，根據(jù)煙氣帶走的水量，設置好計量泵的流量，就可及時實現(xiàn)補水的目的。水從圓環(huán)形補水管上的小孔噴出，在燃燒室內(nèi)、外筒之間的環(huán)形通道中向下流動，由于環(huán)形通道中溫度很高，噴入的水會部分吸熱蒸發(fā)，部分吸熱后流入水池。由此可見，從圓環(huán)形補水管上小孔噴出的水不僅補充了水池水量，而且在環(huán)形通道中吸熱，與在同一通道中流動的循環(huán)煙氣一起冷卻燃燒室內(nèi)筒壁，防止其過熱，同時補給水與循環(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，溫度被進一步降低，低于LNG的燃點溫度后再進入上盤管以保證裝置的安全運行。
3 新型煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置的試驗系統(tǒng)
    煙氣白擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置是一個全新的裝置，為檢驗該裝置的性能，設計研究了裝置的試驗系統(tǒng)。
3.1 試驗用各類工質(zhì)的流程系統(tǒng)
    試驗采用的燃料天然氣來自日常供氣管網(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，試驗時開啟閥門，再開啟燃燒器的自動點火裝置即可點火燃燒。
    試驗采用的被加熱工質(zhì)有2種，為安全起見，試驗先用液氮作為被加熱工質(zhì)，在此基礎上再用LNG進行試驗。試驗用液氮或LNG都是灌裝在3個低溫貯液罐中的，每個貯液罐的容積為480L。根據(jù)LNG的使用規(guī)范，為保證安全，3個低溫貯液罐均放置在室外。為滿足試驗時對工質(zhì)流量的要求，3個低溫貯液罐并聯(lián)在工質(zhì)引入管上，每個低溫貯液罐既可各自單獨供工質(zhì)，也可隨意組合同時向加熱氣化裝置供工質(zhì)。試驗時的工質(zhì)耗量用電子平臺秤計量，為此3個貯液罐必須一起放在電子平臺秤上，以測定工質(zhì)耗量。
    每個貯液罐的出口處均裝有公稱直徑為15mm的低溫球閥，閥后均用公稱直徑為15mm的金屬軟管與工質(zhì)引入管連接，引入管的一端封死，另一端連接在上盤管進口集箱的下封蓋上。引入管上裝有閥門組，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)為引入管閥門組的流程圖，右側(cè)為引出管閥門組的流程圖)。引出管閥門組后裝有阻火器，以防室外雷電等回火進入裝置。阻火器后的引出管管徑擴大為80mm，沿實驗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口消音器，并裝有避雷針，防止雷擊。

3.2 試驗系統(tǒng)的測點布置
   為了對新型LNG加熱氣化裝置進行試驗研究，在試驗系統(tǒng)和裝置上布置了多組測點。
3.2.1煙氣系統(tǒng)的測點布置
   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個高溫熱電偶，測量噴口噴出的煙氣溫度；在裝置頂部按等邊三角形三頂點位置向上盤管管圈之間插入3組熱電偶，每組有3個測點，以測量上盤管管圈間的溫度分布場；在循環(huán)煙道和排煙道上各設置了1個測量孔，可分別測量循環(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)的測點布置
   低溫工質(zhì)耗量用型號為XK3190-A9P的電子平臺秤稱重，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，試驗進入穩(wěn)態(tài)時的低溫工質(zhì)耗量即為裝置的實時氣化量。在上盤管上布置了4組熱電偶，每組6個測點，分別焊接在4根盤管的外壁上，以監(jiān)測整個上盤管的壁溫變化狀況；在下盤管入口集箱的下封蓋上開孔安裝熱電偶，測量連接管內(nèi)的天然氣溫度，以監(jiān)測上、下盤管間的熱量分配情況；在下盤管的4根盤管上分別焊接了4個熱電偶測點，以監(jiān)測下盤管的壁溫變化。試驗主要采用K型熱電偶加卒}償導線和T型熱電偶，將測試數(shù)據(jù)輸入電腦進行記錄和處理。在天然氣引出管的閥門組前裝有溫度計和壓力表，以測量排出天然氣的溫度和壓力，即裝置對外供氣的溫度和壓力。
3.2.3水池中的測點布置
 水池中布置了3個熱電偶測點，從上至下依次焊接在氣流旋水子的支架上，以監(jiān)測水池中的水溫分布狀況；補水系統(tǒng)采用容積式定時定量電磁計量泵，調(diào)節(jié)泵的頻率和行程即可控制泵的流量，以準確而均勻地泵入所需水量。計量泵的給水箱中裝有1個熱電偶測點，以測量補給水的溫度。
4 裝置的試驗研究和試驗數(shù)據(jù)分析
   主要試驗參數(shù)為：液氮流量為5～19kg/min；LNG流量為2～14kg/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底部向上不超過20mm。試驗按規(guī)定的操作程序啟動后進入運行系統(tǒng)，按規(guī)定記錄試驗數(shù)據(jù)并進行計算。
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算，裝置反平衡熱效率主要計算了排煙熱損失和散熱損失，因為裝置所用燃料是天然氣，且燃燒條件較好，因此化學不完全燃燒損失、機械不完全燃燒損失和灰渣熱物理損失就忽略不計了。
    當試驗工質(zhì)為液氮時，裝置的額定負荷是按裝置加熱氣化LNG時的額定負荷所需的熱當量計算的，試驗時液氮輸入量的范圍為5.5～16.0kg/min，試驗結(jié)果表明，裝置的最佳流量范圍為12.5～14.0kg/min，此時裝置的正平衡熱效率和反平衡熱效率均超過93%，最佳熱效率達96%，正、反平衡熱效率之間的差值均在允許范圍內(nèi)。當試驗工質(zhì)為LNG時，裝置的額定負荷按設計要求的500m3/h計，試驗時LNG輸入量的范圍為2.0～8.5kg/min，試驗結(jié)果表明，裝置的最佳流量范圍為5.5～6.5kg/min，此時裝置的正平衡熱效率和反平衡熱效率均超過94%，最佳熱效率超過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為裝置的排煙溫度低，僅為55℃左右，因此燃料燃燒過程中所產(chǎn)水蒸氣的氣化潛熱能釋放出來，被有效利用了，且裝置設計緊湊，散熱量很小。
4.2 裝置換熱面的換熱特性分析
    裝置換熱面由上盤管和下盤管組成。上盤管的換熱工況比較復雜，其管內(nèi)是低溫液體，在換熱過程中從管外吸熱，經(jīng)過加熱、氣化、過熱3個階段變成氣體，換熱過程包含了強制對流換熱和沸騰換熱；而管外是帶有較多水分的煙氣，在橫向沖刷上盤管的過程中向管內(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，換熱過程包含了強制對流換熱和凝結(jié)換熱。在上盤管的整個換熱過程中，管內(nèi)外均存在相變，因此很難針對每種換熱方式分析上盤管的換熱規(guī)律，比較合理的方式是分析研究整個換熱過程的平均換熱特性。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，可以計算出上盤管管內(nèi)、外的平均對流換熱系數(shù)及濕煙氣與低溫工質(zhì)換熱的平均傳熱系數(shù)。計算結(jié)果表明：對于液氮，當其流速為1.0～1.5m/s時，盤管內(nèi)的平均強制對流換熱系數(shù)為80～105W/(m2·K)，盤管外的平均強制對流換熱系數(shù)為278～610W/(m2·K)，濕煙氣與低溫工質(zhì)間的平均傳熱系數(shù)為58～80W/(m2·K)；對于LNG，當其流速為1.0～1.5m/s時，盤管內(nèi)的平均強制對流換熱系數(shù)為114～151W/(m2·K)，盤管外的平均強制對流換熱系數(shù)為210～288W/(m2·K)，濕煙氣與低溫工質(zhì)間的平均傳熱系數(shù)為68～87W/(m2·K)。
    下盤管的換熱工況相對簡單，其管內(nèi)是已氣化的天然氣，管外是水池中的水，換熱按水自然對流的方式計算。根據(jù)試驗測得的值進行計算，結(jié)果表明：對于液氮，水與下盤管間的傳熱系數(shù)為181～285W/(m2·K)；對于LNG，水與下盤管間的傳熱系數(shù)為102～163W/(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，當循環(huán)煙氣量增大(即循環(huán)煙道調(diào)風門的開度從50%增大到75%)時，裝置正平衡熱效率反而降低，原因是循環(huán)煙氣量增大，導致混合煙氣溫度降低，使傳熱溫差減小，LNG的吸熱量降低。
 

    圖4為上盤管與濕煙氣換熱時傳熱系數(shù)與LNG輸入量的關(guān)系圖。反映了當燃料天然氣輸入熱負荷不變、循環(huán)煙道調(diào)風門的開度為50%時，濕煙氣與上盤管換熱的傳熱系數(shù)與LNG輸入量之間的關(guān)系，此時上盤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，導致上盤管傳熱系數(shù)增大，且隨著LNG輸入量的增大，在輸入熱負荷不變時，其溫升下降，從而增大了管內(nèi)外的傳熱溫差，促進了傳熱。

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，已在實驗室試驗中獲得成功，裝置的結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)先進，熱效率高，其技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)越性已通過鑒定并得到認可。
    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、上下盤管結(jié)構(gòu)和煙氣再循環(huán)系統(tǒng)等，使裝置具備了啟動快、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。所用創(chuàng)新技術(shù)已申請多項國家專利，具有自主知識產(chǎn)權(quán)[10～11]。
    3) 針對管內(nèi)存在沸騰放熱、管外存在凝結(jié)放熱的強制對流換熱的復雜工況，在試驗范圍內(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法聯(lián)網(wǎng)的相對獨立的中小規(guī)模天然氣供氣管網(wǎng)區(qū)域、管網(wǎng)負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)域以及需要應急保障的供氣區(qū)域等。
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(本文作者：嚴平1 曹偉武1 錢尚源1 劉偉軍1 楊俐運2 1.上海工程技術(shù)大學；2.上海理工大學)