最新LNG中间介质气化器换热面积设计方法研究-天然气与石油

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1、最新LNG中间介质气化器换热面积设计方法研究-天然气与石油大型LNG中间介质气化器换热面积计算方法白宇恒基金工程：中国石油集团公司重大科技专项编号：2022E-1901* 作者简介：白宇恒1984-，男，内蒙古包头人，助理工程师，硕士，主要从事LNG液化及气化相关工程设计工作。1 廖勇1 陆永康1 刘家洪1 屈治国21中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川 成都 6100412西安交通大学，热流科学与工程教育部重点实验室，陕西 西安 710049摘 要：随着LNG产业在国内外的飞速开展，对LNG产业链中关键设备的研究越来越重要，LNG气化器是LNG接受终端的关键设备之一。文中提出了一

2、种新型大型LNG中间介质气化器Intermediate Fluid Vaporizer, IFV换热面积的计算方法，利用一维数值模拟，对以海水为热源，丙烷为中间介质的中间介质气化器的三个关键局部：蒸发器、凝结器和调温器，分别建立了一维数值模拟模型，对中间介质气化器的换热面积进行了计算。利用该模型，可根据给定的运行工况分别求得IFV三个换热器的换热面积。同时可得到工质在IFV内的状态参数及换热器各局部的传热系数的分布。利用该计算方法得到的气化器换热面积，足以满足工程设计的精度要求。关键词：LNG，IFV气化器，换热面积，设计方法DOI：Calculation Method for heat tr

3、ansfer area of Large Intermediate Fluid Vaporizer for LNGYuheng Bai1, Liao Yong1, Lu Yongkang1, Liu Jiahong1, Qu Zhiguo 21China Petroleum Engineering Co.,Ltd. Southwest Company, Chendu, Sichuan, 610017, China2MOE Key Laboratory of Thermal and Fluid Science of MOE, Energy and Power Engineering School

4、, Xian Jiaotong University, Xian 710049, ChinaAbstract With the rapid development of LNG industry around the world, the study on key equipments in LNG industry chain becomes particularly important. LNG vaporizer is one of key equipments in LNG receiving terminal. In this paper, an Intermediate Fluid

5、 Vaporizer (IFV) used to evaporate LNG was investigated. The seawater is applied as heat source, and the propane is used as intermediate working fluid. One-dimensional heat transfer model is established for the evaporator, condenser and thermolator. Based on the model, the heat transfer area of ever

6、y exchanger in the IFV could be calculated. In additionally, the state parameters distribution of fluids in IFV and the heat transfer coefficients of every part of exchangers are also obtained. The results, calculated using the method in this paper, are accurate enough to satisfy the engineering des

7、ign requirements.Key words: LNG, Evaporator, Heat transfer area, Method for Designing 0前言随着国内外LNG产业的快速开展1，各国大兴LNG接收站建设2。LNG中间介质气化器Intermediate Fluid Vaporizer, IFV是一种具有广泛应用潜力的气化LNG设备，因其结构特性，使得IFV比空气式气化器更高效，比浸没燃烧式气化器更节能，比开架式气化器适应性更强3-6。但是IFV的设计制造面临许多技术难题：一是其制造材料必须能耐低温、承高压、耐腐蚀、耐磨损；二是换热器的结构既要保证平安高效的运行，

8、又要方便维护检修7；三是要理论结合实践正确选取对换热器的换热效率有极大影响的中间介质；四是换热器内流动换热根底理论的研究，换热器内流动换热理论是换热器设计的根本依据，是优化换热器设计的根底8。针对以上问题，国内外学者对中间介质气化器的材料8、结构9-10及中间介质的选取上进行了相关的研究。但是还没有关于内部流动换热及换热器设计的研究。本文建立了中间介质换热器的一维数值模拟方法，以海水为热源，丙烷为中间介质，在此根底上给定工况，以流动换热理论为根底，对换热器的换热面积进行了设计计算。1 物理模型图1给出了IFV的结构原理图，结构上IFV主要有蒸发器、凝结器和调温器三个换热器组成。热源高温海水首先

9、进入调温器，温度为TWA1，在调温器换热管内流动放热，出口温度为TWA2，然后再进入蒸发器，在蒸发器的换热管内流动进一步放出热量，最后排出IFV，温度降为TWA3；低温LNG首先进入凝结器，温度为TLNG1，在凝结器换热管内流动吸热并气化，出口温度升高至TLNG2，然后进入调温器冲刷海水管束吸热，温度进一步升高至设计温度TLNG3；丙烷在蒸发器中吸热气化，在凝结器中放热液化，如此反复循环传递热量，其饱和温度恒为TPR。图1 IFV结构示意图2 数学模型IFV中蒸发器、凝结器和调温器均为管壳式换热器，流过3个换热器的工质既有不同又有联系，故进出各换热器的工质的状态参数相互影响。本文将3个换热器别

10、离开来独立建立一维模型，但是在对单个换热器进行计算模拟时，以整个IFV系统能量守恒关系作为先决条件，最终得到的计算结果不但满足单个换热器的能量守恒，也满足整个系统的能量守恒。在每个换热器中，分别建立如下的方程组，对每个换热器进行独立求解： (1) (2) (3)在对每个换热器进行独立计算时，计算结果还需要满足以下总能量守恒式：(4)(5)(6)以上各式中：和分别表示用能量方程和传热方程求得的换热量，kJ/h，对某一换热器进行求解时表示该换热器中工质间的换热量；表示工质的质量流量，kg/h，当对蒸发器求解时表示海水的质量流量，对凝结器和调温器求解时表示LNG的质量流量；表示某温度下工质的焓值，k

11、J/kg，对蒸发器求解时表示海水对应温度下的焓值，对凝结器和调温器求解时表示LNG对应温度下的焓值；下标i表示对各换热器求解时离散的份数，蒸发器和调温器i为211，凝结器为251；WA表示海水，PR表示丙烷。2.4 边界条件根据工程的设计思路，LNG进入IFV的温度TLNG1、流量qmLNG是的，天然气排出系统的温度TLNG3要满足用户的要求；LNG在在IFV内流动压损相对较小，本文假设LNG在恒压pLNG下流动换热；海水的入口温度TWA1由当地的气候条件决定，其排出温度TWA3不能太低，要满足环保指标的要求，故也设为定值，另海水压力pWA的变化对海水物性的影响很小，将其设为恒定值；丙烷的温度

12、TPR不能太高，否那么会对其盛装壳体的耐压性提出较高的要求，增加IFV的一次性制造本钱。海水的流量较大，整个计算的收敛特性对Twa2的变化非常敏感，假设Twa2为未知量，在计算之初要为Twa2赋初始值，该假设值必须与真值相差很小才能使整个计算过程顺利收敛，否那么很容易导致计算结果的发散，故将海水排出调温器的温度Twa2设为量。各参数及其设定值见表1。表1 参数值参数TWA1TWA2TWA3TLNG1TLNG3qmLNGTPRpLNGpWA/K/K/K/K/K/(kgs-1)/K/MPa/MPa设定值283.15282.15278.15111.15275.1590272.1512.00.4另外换

13、热管径的选取要符合相关规定，以方便采购，换热管亦不宜太长，否那么增大IFV的占地面积，可通过调整换热管的数量满足所需换热面积；调温器中天然气横掠管束的流道较为复杂，本文将其简化为等面积的流道。换热器的根本几何参数值见表2。表2 换热器根本几何参数值几何参数设定值几何参数设定值蒸发器中换热管长度/m8换热管外径/m0.02凝结器中换热管长度/m16换热管内径/m0.016调温器中换热管长度/m5.8低温天然气横掠管束面积/m20.42.5 物性和换热关联式IFV内的3种工质：海水、LNG或天然气、丙烷。其中海水和LNG或天然气假设为定压状态，但是二者的温度随着计算的进行及分布位置的不同而不同，丙

14、烷的饱和压力和饱和温度在计算过程中不断变化以寻求平衡状态，3种工质的物性都会随着各自温度的变化而变化，尤其是LNG，其物性随温度变化很大。提取REFPROP中计算甲烷和丙烷的物性子程序，经二次开发，嵌套到自主开发的主程序中用于计算LNG或天然气和丙烷的物性，而海水那么采用PROPATH中计算水的物性的子程序。换热关联式是换热器计算的重要参数，经过对现有文献的调研，分别采用表3中所列的流动换热关联式，用于计算换热器中各局部的外表传热系数，不考虑污垢热阻的影响。表3 流动换热关联式换热器换热区域换热关联式参考文献蒸发器管内12管外12凝结器管内13管外14调温器管内12管外123 计算步骤a) 海

15、水的温度TWA1、TWA2、TWA3，LNG的温度TLNG1、TLNG3和流量qmLNG，根据IFV整个系统的能量守恒关系可求得海水的流量qmWA，再根据调温器中海水和LNG能量守恒的关系求得LNG的温度TLNG2；b) 为调温器的换热面积赋初始值ATHERM，假设海水在调温器中的温度均匀为(TWA2+TWA3)/2，根据LNG温度将LNG在调温器中的流程均分为10段，对于整个换热段，各点的温度值均；c) 利用传热方程和能量方程的平衡关系求解前9段的换热面积，用初始总面积减去前9段的换热面积，获得第10段的换热面积；d) 利用传热方程和热平衡方程对第10段热平衡关系进行判断，假设不满足，那么更

16、新调温器的换热面积并返回3c)重新计算；e) 为蒸发器的换热面积赋初始值AEVAP，丙烷的饱和温度为TPR，根据海水温度将蒸发器的换热管均分为10段，对于整个换热段各点的温度均；f) 同调温器换热面积的计算，利用传热方程和能量方程的平衡关系循环迭代求解蒸发器的换热面积；g) 为凝结器的换热面积赋初始值，丙烷的饱和温度为TPR，根据LNG温度将凝结器的换热管均分为50段，对于整个换热段各点的温度均；h) 同调温器换热面积的计算，利用传热方程和能量方程的平衡关系循环迭代求解蒸发器的换热面积。4 计算结果4.1 工质温度分布图2给出了海水、丙烷和LNG的温度TWA、TPR和TLNG在蒸发器和凝结器中

17、的沿程变化曲线。图中横坐标为无量纲的位置，对于海水的温度，对应图1中从左到右蒸发器换热管的沿程位置；对于LNG为从凝结器入口到出口换热管的沿程位置；丙烷在壳体中的温度均匀恒定，故为一条直线。由图2可见，海水在蒸发器中从右到左温度逐渐降低，由于设计要求，海水的整体温降很小，导致海水的流量很大，同样海水温度在蒸发器中降幅也很小；丙烷的饱和温度为设定值，根本接近海水在蒸发器中的温度，丙烷饱和温度设置较高，有利于IFV运行的平安并可减少一次性制造本钱；LNG的温度从左到右逐渐升高，在入口段温升斜率较大，这是由于在入口段换热管内外温差较大，热流也相应较高，之后随着换热温差逐渐减小，LNG的温升斜率逐渐减

18、小。图2 蒸发器和凝结器中工质温度的分布图3给出了海水和低温天然气在调温器中的温度分布。横坐标为无量纲位置，对于海水的温度，对应图1中从左到右调温器换热管的沿程位置；对于天然气的温度为从入口到出口流道的沿程位置。同图2，从右到左海水的温降很小，所以在调温器换热面积的计算过程中将海水进出调温器的温度的几何平均值作为定性温度，对计算结果影响很小；低温天然气的温度从左到右逐渐升高，由于入口段换热管内外温差较大，相应热流也较大，随着天然气温度的升高，其温升斜率逐渐减小。图3 调温器中工质温度分布4.2 传热系数分布图4给出了蒸发器、凝结器和调温器的传热系数的分布。横坐标为无量纲位置，对蒸发器和凝结器为

19、从左到右沿换热管的沿程位置；对于调温器为沿天然气流道的位置。图4为蒸发器的传热系数、凝结器的传热系数和调温器的传热系数的沿程分布。由图4可见，蒸发器的换热效率最高，调温器和凝结器较低，对二者适当采取强化换热措施，将使IFV的换热效率整体提升。蒸发器的传热系数从左到右逐渐增大，主要是因为从右到左，海水的温度逐渐降低，导致管内外传热系数也相应降低，与蒸发器中换热管内外的流动传热关联式随温度的变化规律相符，蒸发器的传热曲线渐近线性，增幅约为1000 ；凝结器的传热系数从左到右逐渐增大，原因是LNG的温度逐渐升高，导致换热管外表的温度增大，由凝结器换热管内外的流动传热关联式可知，管内外传热系数均增大，

20、那么凝结器的传热系数也必然增大；调温器的传热系数从右到左逐渐降低，在入口段降低斜率较大，之后趋于平缓，主要原因是随着天然气温度的升高，超过临界温度后，天然气的等压热容随温度的升高而降低，故调温器传热系数主要受天然气等压热容随温度变化的影响，呈现如图4的变化规律。图4 传热系数的分布4.3 换热面积表4给出了在本文设计条件下蒸发器、凝结器和调温器的换热面积和各换热器内换热管的数量。其中蒸发器所需的换热面积最大，其次为凝结器，调温器的换热面积最小。但是由于各换热器中换热管的长度不同，蒸发器所需的换热管数量最多，而调温器中的换热管数量约为凝结器中的2倍，但是凝结器中换热管的长度是调温器中的4倍，所以

21、凝结器的换热面积应约为调温器的2倍，与表4中数据相符。表4 换热面积和换热管数量换热器换热面积/m2换热管数量/根蒸发器13793431凝结器674839调温器35417665 结论本文提出了一种设计IFV换热面积的一维计算方法，对特定设计条件下IFV的换热面积进行了模拟计算。利用该计算方法可根据实际工况条件，分别计算出IFV内蒸发器、凝结器和调温器的换热面积或换热管数量；同时还可给出海水、LNG沿流程的温度分布，是设计过程中热应力分析的重要输入参数；利用该计算方法还可求得各换热器的局部传热系数，可根据计算结果对换热器的结构设计进行改良，以增强换热器的整体换热效率。参考文献：1 钱伯章，朱建芳

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