LNG纏繞管水浴式氣化器防結冰分析及對策

吳曉紅 陳永東 李 志

（合肥通用機械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心 合肥市）

一、前言

液化天然氣（以下簡稱LNG）接收站和氣化站中，使用了不同類型的LNG氣化器。我國沿海大型天然氣接收站的LNG氣化器型式主要有開架式氣化器、中間流體型氣化器和浸沒燃燒式氣化器，目前這3類氣化器仍依賴于進口。在中小城市及距離氣源地較遠的小型天然氣接收站和氣化站（俗稱LNG衛星站）使用的氣化器，主要是空溫式氣化器和水浴式氣化器。

空溫式氣化器雖然熱效率低，但運行成本也低，經常作為衛星站內的基本負荷型氣化器，因其對環境溫度極為敏感，冬天易結冰，在我國北方地區的使用受到一定限制，同時因其占地面積大，在土地資源有限的區域的使用也受到限制。纏繞管水浴式氣化器因傳熱效率高、結構緊湊、占地面積小，在我國南方的LNG電廠工程中不斷地獲得應用，氣化能力40 000 m3/h氣化器的占地面積只有2 m×2 m。

當下土地資源非常有限，這種節約非常有意義，如何讓這種高效緊湊的換熱器在各種工況下可靠地運行，尤其水浴溫度較低時仍能安全運行，避免結冰就變得非常重要。

二、水浴式氣化器工況及結構（圖1）

一臺在用LNG水浴式氣化器設計氣化量40 000 m3/h，LNG進口溫度約-150℃，出口溫度≥1℃，水浴側水來源于系統的循環水，進水溫度正常運行時在25℃左右。因LNG為低溫介質，設備材料采用奧氏體不銹鋼。為了克服溫差應力對設備產生的不利影響，主體結構采用螺旋纏繞式換熱器結構。LNG從底部管箱進入，在螺旋纏繞管內受熱氣化后從頂部排出，循環水在殼程加熱管內天然氣。該管束結構緊湊、熱補償效果好、抗振動性能佳。

三、氣化器結冰機理分析

氣化器在運行時，有時會遇上極端天氣，引起循環水溫度下降，如何避免結冰產生運行事故，同時又使得氣化器盡可能在較高的負荷下運行，確保生產進行，預測氣化量和循環水溫度的關系就非常關鍵，為系統應急處理提供科學依據。

纏繞管換熱器中水走殼程，水在操作壓力1.5 MPa時，經計算得到其冰點為-0.11℃。氣化器的進口區域換熱管內LNG低達-150℃，因此需特別關注進口區域水側傳熱表面溫度，殼程中的水接受的冷能來源于換熱管內的LNG，因此控制換熱管外表面的壁溫＞0℃，殼程內的水就不會結冰了，同時對水量進行核算，以控制水側出口水溫＞0℃。

圖1 纏繞管式水浴式LNG氣化器結構示意圖

四、換熱管外側壁溫分析與計算

1.未考慮污垢的換熱管外表面溫度

結合纏繞管式換熱器的傳熱特點，對換熱管外表面壁溫進行分析。纏繞管換熱器內的傳熱屬于間壁式傳熱，間壁式換熱器在沒有污垢的情況下，傳熱模型如圖2所示，冷熱流體分別處在固體壁的兩側，熱流體把熱量傳遞到固體壁的一側，通過固體壁的導熱后，再從固體壁的另一側把熱量傳遞給冷流體。

纏繞管式氣化器中入口區域的傳熱方式主要是對流和導熱，針對圖2的傳熱模型，冷熱流體和傳熱表面的熱量交換為對流換熱，熱量從固體壁的一側通過導熱傳遞到固體壁的另一側，根據牛頓冷卻定律和傅里葉導熱定律，獲得熱流密度q的關系式（1）、（2）、（3）。

圖2 無污垢間壁傳熱模型

式中 αh——熱流體側膜傳熱系數，W/m2·℃

th——熱流體溫度，℃

thw——熱流體側換熱管表面壁溫，℃

λ——換熱管材料的導熱系數，W/m·℃。

δ——換熱管壁厚，m

tcw——冷流體側換熱管表面壁溫，℃

αc——冷流體側膜傳熱系數，W/m2·℃

tc——冷流體溫度，℃

分析（1）、（2）、（3）式，求得換熱管傳熱表面溫度thw和tcw，表達式見式（4）、（5）。

通過傳熱計算獲得LNG不同流量下的膜傳熱系數αc和水側膜傳熱系數αh，聯立（4）式，得到在維持換熱管外壁溫度＞0℃的條件下，不同水溫對應的最大氣化量數值見表1。前述的LNG纏繞管式水浴氣化器，依據水溫按照表1推薦的氣化量進行調節，順利越冬。如增大殼程水流量，殼程膜傳熱系數變大，此時換熱管外表面溫度見表2。從表2中可以獲悉，換熱管外壁溫度提高了，即增大殼程水流量有利于防止結冰。

2.換熱管外污垢表面溫度分析

氣化器使用一段時間后，管壁上會結垢，結垢影響換熱管的傳熱，考慮污垢的傳熱模型如圖3所示。

參考金屬壁導熱熱阻的定義，可獲得如下的污垢熱阻的表達式，見式（6）、（7）。

表1 不同水溫對應的最大氣化量

表2 增大殼程流量后換熱管外壁溫度

式中 Rc——冷側流體形成的污垢熱阻，m2·℃/W

δc——冷流體側污垢厚度

δh——熱流體側污垢厚度

λc、λh——分別為冷、熱側污垢的導熱系數，W/m·K

Rh——熱側流體形成的污垢熱阻，m2·℃/W

針對傳熱模型2，根據牛頓冷卻定律和傅里葉導熱定律，除了獲得（1）、（3）的熱流密度關系式，還需補充污垢傳熱面的熱流密度關系式，見式 （8）、（9）、（10）。

圖3 考慮污垢的傳熱模型

式中 thw——熱流體側換熱管污垢表面壁溫，℃

t22——熱流體側污垢層和金屬傳熱表面界面處溫度，℃

t11——冷流體側污垢層和金屬傳熱表面界面處溫度，℃

tcw——冷流體側換熱管污垢表面壁溫，℃

分析式（1）、（3）、（8）、（9）、（10），求得換熱管壁污垢表面的壁溫表達式，見式（11）、（12）。

比較（4）和（11）式，（5）和（12）式可見，由于污垢的存在，和流體接觸的換熱表面的溫度發生了變化，對各工況進行計算結果見表3。從表3可以得到，相對于新換熱器（無污垢）的換熱管外壁溫度，和水接觸的污垢表面溫度有所提高，即污垢形成后，傳熱阻力增加，換熱管內的冷能更不易傳遞給熱流體。

表3 LNG流量和換熱管外污垢表面溫度表

3.流動方式對水浴式氣化器進口區域換熱管外壁溫度的影響

換熱器內，冷熱流體流動方式常見的有并流和逆流形式，如采用并聯方式，LNG進口區域熱側溫度為最大值，由壁溫公式表達式可以得出，此種流動方式換熱管外壁溫度較高。該汽化器流動方式為并聯流動。

4.不同介質凝固點的比較

除了水以外，水和乙二醇的混合溶液也常用來加熱低溫流體，不同配比可獲得不同的冰點，見表4。從表4可知，此溶液冰點遠遠低于水的冰點，可供不同場合應用。

表4 不同配比可獲得不同的冰點

五、結論

經前述分析和研究，得到LNG纏繞管水浴式氣化器防結冰結論。水浴溫度偏離正常工況下降后，應及時調整LNG的氣化量，防止氣化器水浴側結冰，表1給出了某在役氣化器水溫度和氣化量的對應關系。

防止結冰的關鍵是控制和水接觸表面的溫度大于水的冰點，從式（1）、（11）壁溫表達式分析，th、tc位于壁溫表達式的分子，因此提高入口區域的th、tc，可以有效提高換熱管外壁溫度。由于LNG一般存儲于儲罐中，tc溫度一般較為固定，如采用并聯流程，可以使管程進口區域的th獲得最大值，有利于提高換熱管外壁的溫度。提高熱側介質的溫度，在殼程水溫較低的情況下，利用蒸汽或其他熱源加熱水，可采用兩股流纏繞式換熱器實現加熱流程。

降低換熱管內LNG流量和增大殼側水流量，有利于提高換熱管外壁溫度，降低冷側的流量，也即降低了冷側的流速，雷諾數降低，通過傳熱計算可知，冷側的膜傳熱系數也會降低。同理，增加殼程水流量，殼程膜傳熱系數增大。因此通過調小LNG的流量和增大水流量，都可以達到提高管外壁溫度的目的，有利于防止結冰。

隨著運行時間增加，污垢形成后，氣化器入口區域和水接觸的污垢傳熱表面溫度增加，抑制結冰。

降低殼程介質的冰點，在條件允許的情況下，可以用水乙二醇溶液替代水，根據相應的工況，選擇不同配比的水、乙二醇溶液，有利于氣化器的正常運行。

以上各項措施，不僅對LNG纏繞管水浴式氣化器防結冰有效，也可對空溫式LNG氣化器和ORV海水加熱型汽化器的防結冰預測提供參考，對其他低溫介質氣化器的防結冰分析，均具有重要借鑒意義。