一種新型LNG汽化器的設(shè)計(jì)

趙 麗 張周衛(wèi), 張小衛(wèi) 郭舜之 李 河 丁世文

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院；2.甘肅中遠(yuǎn)能源動(dòng)力工程有限公司)

一種新型LNG汽化器的設(shè)計(jì)

趙 麗1張周衛(wèi)1,2張小衛(wèi)2郭舜之1李 河1丁世文1

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院；2.甘肅中遠(yuǎn)能源動(dòng)力工程有限公司)

針對(duì)傳統(tǒng)LNG汽化器在連續(xù)工作中出現(xiàn)的結(jié)霜結(jié)冰現(xiàn)象，基于減壓節(jié)流閥的工作原理，設(shè)計(jì)了一種新型LNG汽化器，以實(shí)現(xiàn)LNG汽化器的連續(xù)安全穩(wěn)定高效運(yùn)行。

LNG汽化器 減壓節(jié)流閥

近年來(lái)，隨著我國(guó)LNG行業(yè)的發(fā)展，與LNG相關(guān)的換熱設(shè)備逐漸被人關(guān)注。LNG的物理特性(沸點(diǎn)-162℃)導(dǎo)致它對(duì)LNG換熱設(shè)備有嚴(yán)格要求，常用的LNG換熱設(shè)備是LNG汽化器[1]。LNG汽化器是一種專門將LNG蒸發(fā)汽化的換熱裝置，由LNG汽化器換熱段、進(jìn)口法蘭管件、主管管路、分支管路法蘭、主管管路法蘭及LNG汽化器支架等構(gòu)成。汽化器的基本傳熱單元是傳熱管。LNG汽化器一般選用環(huán)境汽化器，液態(tài)的天然氣通過(guò)汽化器中的管線或者葉片與大氣相通，液態(tài)天然氣吸收空氣中的熱量后汽化[2]。然而，傳統(tǒng)的LNG汽化器在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間接觸液化天然氣，以致汽化器傳熱管線上極易結(jié)霜和結(jié)冰，從而對(duì)LNG的汽化造成影響。通常情況下，傳統(tǒng)汽化器在正常工作4h后，必須停運(yùn)4h，這樣才能保證汽化器的再次正常換熱[2]。

閥門是管道系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以用來(lái)截?cái)嗷蛘{(diào)節(jié)管道系統(tǒng)中的介質(zhì)流量[3]。基于此，筆者通過(guò)分析減壓節(jié)流閥的減壓節(jié)流作用，設(shè)計(jì)一種改進(jìn)的帶有減壓節(jié)流閥的LNG汽化器，以緩解傳統(tǒng)LNG汽化器結(jié)霜結(jié)冰的現(xiàn)象，提高其汽化效率。

1 減壓節(jié)流閥

LNG汽化器管道內(nèi)流動(dòng)的是低溫氣體，所以對(duì)減壓節(jié)流閥的性能有較高要求。減壓節(jié)流閥(圖1)是一種-200℃低溫系統(tǒng)管道內(nèi)置節(jié)流閥，直接將閥門通過(guò)上下卡箍安裝于管道內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)低溫流體的減壓節(jié)流過(guò)程，無(wú)需法蘭或螺紋連接即可實(shí)現(xiàn)低溫流體無(wú)密封、無(wú)泄漏管道輸運(yùn)與過(guò)程控制[4]。減壓節(jié)流閥能夠解決管道內(nèi)低溫流體由于低溫高壓工況易突變進(jìn)而引起密封面破壞造成管道泄漏的問(wèn)題，適用于管道內(nèi)流體的減壓與節(jié)流過(guò)程，有利于管道內(nèi)低溫流體的壓力與溫度控制，使低溫相變輸運(yùn)過(guò)程保持相對(duì)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)流體的過(guò)程控制。

圖1 減壓節(jié)流閥結(jié)構(gòu)示意圖

減壓節(jié)流閥涉及管道內(nèi)置閥門原理、節(jié)流微分制冷效應(yīng)及預(yù)應(yīng)力平衡原理等。首先，將閥門安裝于管道內(nèi)并實(shí)現(xiàn)低溫過(guò)程控制閥門管道內(nèi)置。由于低溫閥門安裝于管道內(nèi)，外表無(wú)連接件、無(wú)密封、無(wú)泄漏，整體管道連續(xù)不中斷，管道連接處無(wú)密封面，因此解決了低溫流體管道內(nèi)連接件密封易破壞、系統(tǒng)易泄漏等問(wèn)題。同時(shí)，管道外為光滑管，管道內(nèi)閥門無(wú)安裝痕跡，使過(guò)程控制工藝流程更加簡(jiǎn)單，外部設(shè)備管理更加方便。其次，通過(guò)管道內(nèi)置節(jié)流閥控制管道低溫系統(tǒng)溫度，可產(chǎn)生節(jié)流制冷效應(yīng)并輸出冷量，使流體溫度為所需控制溫度。最后，應(yīng)用預(yù)應(yīng)力平衡原理，使彈簧在低溫工況下的預(yù)應(yīng)力與管道內(nèi)工作壓力達(dá)到平衡[4]。當(dāng)管道壓力達(dá)到彈簧預(yù)應(yīng)力時(shí)閥門打開(kāi)并節(jié)流減壓，管道壓力降低后閥門自動(dòng)關(guān)閉，以此實(shí)現(xiàn)低溫流體在管道內(nèi)無(wú)密封無(wú)泄漏的節(jié)流制冷與降壓過(guò)程。另外，通過(guò)減壓機(jī)構(gòu)控制低溫系統(tǒng)內(nèi)低壓壓力為流體所需控制壓力，當(dāng)管道內(nèi)壓力達(dá)到系統(tǒng)許用壓力時(shí)，減壓閥自動(dòng)打開(kāi)；小于許用壓力時(shí)，閥門關(guān)閉，以此實(shí)現(xiàn)定壓控制過(guò)程。

2 帶有減壓節(jié)流閥的LNG汽化器

2.1 工作流程

帶有減壓節(jié)流閥的LNG汽化器(圖2)主要包括LNG汽化器換熱段、進(jìn)口法蘭管件、減壓節(jié)流閥、主管管路、分支管路法蘭、主管管路法蘭及LNG汽化器支架等。具體的工作流程為：LNG從主管管路法蘭注入主管管路，通過(guò)與主管管路連接的支管法蘭、減壓節(jié)流閥、進(jìn)口法蘭進(jìn)入汽化器換熱管道進(jìn)行換熱，被汽化的LNG從汽化器另一端的出口排出。

圖2 帶有減壓節(jié)流閥的LNG汽化器主視圖

2.2 基本原理

傳統(tǒng)LNG汽化器的換熱段與分支管路法蘭、分支管路法蘭下部與主管管路均采用直接焊接。法蘭管件與汽化器換熱段一一對(duì)應(yīng)。傳統(tǒng)LNG汽化器的管道外和翅片間很容易產(chǎn)生結(jié)霜、結(jié)冰現(xiàn)象，導(dǎo)致管段的整體換熱系數(shù)減小，工作效率降低。而筆者設(shè)計(jì)的帶有減壓節(jié)流閥的LNG汽化器，在分支管路法蘭和進(jìn)口法蘭之間接入減壓節(jié)流閥，并與管路法蘭、進(jìn)口法蘭、汽化器換熱段一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)LNG進(jìn)入減壓節(jié)流閥時(shí)，剛開(kāi)始閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，LNG在管道內(nèi)短暫停留，管道外的空氣溫度較高，會(huì)對(duì)管道內(nèi)的LNG有一定的加熱作用。當(dāng)LNG的壓力累積達(dá)到減壓節(jié)流閥的控制壓力時(shí)，減壓節(jié)流閥泄壓，使一部分LNG被汽化進(jìn)入換熱器管道，另一部分LNG在汽化管道的物理作用下被汽化[1]。LNG汽化器的汽化管道四周裝有很多正方形翅片，其主要作用是增加管道外的換熱面積，使管段內(nèi)的液體更易汽化。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)LNG汽化器不能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的問(wèn)題，在分支管路法蘭和進(jìn)口法蘭之間接入減壓節(jié)流閥，設(shè)計(jì)了一種帶有減壓節(jié)流閥的LNG汽化器。改進(jìn)的LNG汽化器在減壓節(jié)流閥的作用下，使一部分LNG汽化進(jìn)入管道，實(shí)現(xiàn)流體的過(guò)程控制，從而使設(shè)備可以連續(xù)運(yùn)行，提高LNG汽化器的汽化效率。然而，國(guó)內(nèi)對(duì)LNG汽化器的研究才剛起步，因此后續(xù)需要對(duì)帶有減壓節(jié)流閥的新型LNG汽化器進(jìn)行進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)。

[1] 孟波,劉隆,王啟.LNG低溫閥門安全服役性能研究[J].化工機(jī)械,2015,42(5):701～705.

[2] 張小衛(wèi),張周衛(wèi),汪雅紅,等.一種帶有減壓節(jié)流閥的LNG汽化器[P].中國(guó):CN201520314912.6,2015-09-02.

[3] 李頎,欒翔鶴.智能閥門定位器的研究與開(kāi)發(fā)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2010,37(4):64～66.

[4] 張周衛(wèi),汪雅紅,張小衛(wèi),等.低溫系統(tǒng)管道內(nèi)置減壓節(jié)流閥[P].中國(guó):CN201110292879.8,2012-05-16.

DesignofNewLNGCarburetor

ZHAO Li1, ZHANG Zhou-wei1,2, ZHANG Xiao-wei2, GUO Shun-zhi1, LI He1, DING Shi-wen1
(1.SchoolofEnvironmentandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity;2.GansuZhongyuanEnergyandPowerEngineeringCo.,Ltd.)

Considering the frost formation and icing on the continuously-operated LNG carburetors, having the working principle of throttle valves based to design a new LNG carburetor was implemented to realize continuous and efficient and stable operation of the LNG carburetor.

LNG carburetor, throttle valve

甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1208RJZA234)；甘肅省財(cái)政廳基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(214137)；甘肅省教育廳碩導(dǎo)項(xiàng)目(1104-01)。

趙麗(1990-)，碩士研究生，從事?lián)Q熱器設(shè)備的研究。

聯(lián)系人：張周衛(wèi)(1974-)，副教授，從事空間低溫制冷技術(shù)、多股流多相流超低溫?fù)Q熱技術(shù)的研究，zhangzwemail@126.com。

TQ051.6

A

0254-6094(2017)02-0182-03

2016-05-26，

2016-06-27)