中間介質氣化器綜述

王 凱

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

天然氣作為一種清潔能源，正在提供全球能源供應方面發揮著重要的作用。天然氣作為優質高效的低碳能源，可與可再生能源形成良性互補，促進可再生能源發展。我國 《能源生產和消費革命戰略（2016-2030）》將發展天然氣作為構建清潔低碳安全高效能源體系的主要措施。天然氣的供應鏈中，消費市場通常位于距離氣田很遙遠的地方，液化天然氣是針對大規模海上運輸或者管道運輸的一種有效措施，而在LNG接收端，氣化器將LNG再氣化的核心傳熱設備。市場上氣化器種類繁多，中間介質氣化器（IFV）則是其中一種。

1 中間介質氣化器的優點

中間介質氣化器的優點有：

1）相比于空溫式氣化器，中間介質氣化器換熱性能更好。中間介質氣化器采用丙烷、異丁烷、氟利昂、氨等介質作為中間介質傳熱介質，將海水的熱量傳遞給LNG，屬于強制對流傳熱，而空溫式氣化器換熱管管外是空氣，屬于自然對流傳熱，所以中間介質氣化率高。

2）相比于浸沒燃燒式氣化器，中間介質氣化器更節能。中間介質氣化器的熱源是海水，海水溫度比較穩定，熱容量大，是取之不盡的熱源，也不需要進行輔助加熱，即可在蒸發器中加熱沸點很低的中間介質，所以中間介質節能。

3）中間介質氣化器最大的優點是解決了其他氣化器存在的結冰結霜問題。海水沒有與凝結器直接接觸，而是利用中間介質沸點低的特性，蒸發器中的海水加熱使中間介質蒸發為氣體，然后中間介質在凝結器上凝結傳熱，液化后受重力作用回落到蒸發器，再次被蒸發，如此在蒸發器和凝結器組成的殼程內封閉循環。

2 中間介質氣化器的缺點

1）中間介質氣化器是屬于海工況設備，需要面對海面晃動問題。在晃動工況條件下，中間介質氣化器中的蒸發器容易出現“干燒”問題，凝結器容易出現飛濺液體浸沒管束現象從而換熱失效。

2）相比與其他氣化器，中間介質氣化器耗材成本更高。中間介質氣化器的制造材料需要耐低溫，耐高壓，耐腐蝕，耐磨損。蒸發器與調溫器中與海水接觸的換熱管采用鈦材或者襯鈦復合。凝結器中與液化天然氣接觸的換熱管采用304不銹鋼，也可選擇復合鋼板。該氣化器制作中用到的材料加工工藝復雜，尤其焊接工藝。

3 中間介質氣化器的計算模型

中間介質氣化器包含三個關鍵部分：調溫器，蒸發器，凝結器。流經這三個換熱器的工質存在聯系但又各不相同，所以換熱器的工質狀態參數互相影響。如圖1所示，海水首先從調溫器進去，入口溫度為Tsw1，在調溫器中釋放部分熱量后從出口出來，溫度降低為Tsw2；再從蒸發器入口進去，在蒸發器中釋放部分熱量給中間介質（丙烷）；最后從蒸發器出口出來，溫度降低為Tsw3。天然氣則從凝結器的入口進去，入口溫度為Tlng1，在凝結器中吸收丙烷釋放的熱量后從出口出來，溫度上升為Tlng2，再進入調溫器吸收海水的部分熱量后出來，溫度上升為Tlng3。蒸發器和凝結器是封裝在一個容器內，這樣丙烷可以被循壞使用，作為中間介質傳遞熱量，飽和溫度為Tsat。

圖1 中間介質氣化器工作原理

2013，白宇恒等[1]人提出一種求解中間介質氣化器換熱面積的計算方法，將調溫器，蒸發器，凝結器三個換熱器分別獨立建立一維數值模擬模型，再分別對三個換熱器進行換熱計算，該模型是在中間介質氣化器能量守恒的基礎上建立的，這樣不僅滿足中間介質氣化器系統能量守恒，同時也滿足單個換熱器能量守恒。

2014年，Pu等[2]人提出的傳熱模型和計算方法為基礎，進一步研究了IFV的溫度校核計算。2015年，Xu等[3]通過考慮工質初始速度的考慮，提出了一種新型計算方法，對IFV的所需換熱面積進行了數值計算。2018年，Han等[4]人通過考慮傳熱管長度的約束，建立了一種基于分布參數法的新數值模型，以確定IFV的傳熱性能和所需傳熱面積，研究了中間介質及其飽和參數、海水入口溫度和海水溫度降溫度降的影響。

Bai、Pu和Xu的模型都是按照工程設計思路建立，液化天然氣進入凝結器的溫度Tlng1和流量msw是已知量，從調溫器出來的天然氣的溫度Tlng3需要滿足用戶的要求，海水進入IFV的溫度Tsw1由當地季節與氣候決定，從IFV排出來的海水的溫度需要符合環保標準，所以海水溫度Tsw3也是已知量。丙烷的溫度Tsat也被設為定值，忽略丙烷受到管內換熱量變化帶來的影響。海水物性對海水的壓力Psw敏感度很低，所以可以設Psw為定值。液化天然氣在凝結器和調溫器中流動壓力損失相對較小，可假設液化天然氣是在恒定壓力Plng下進行換熱。Tsw2的變化對整個模型計算的收斂性有很大影響，在這個模型中，將Tsw2設為已知量，根據現場經驗將Tsw2初步給出，否則計算容易發散。另外換熱管的管徑選取應滿足相關標準的要求，太長會造成IFV占地面積太大，太短容易造成結構不合理，在計算過程中，可以通過改變管子的數量來改變換熱面積；調溫器中的天然氣橫略管束的流道并非等截面管道，需進行簡化為等面積的流道進行計算。

4 中間介質相關研究進展

到目前為止，IF及其飽和條件對IFV性能的影響在公開文獻中很少有報道。之前提到的白宇恒這篇文獻中對換熱計算的研究也僅限于丙烷這單一的中間介質。2013年，Patel[5]建議使用一些碳氫化合物（例如丙烷、丁烷或混合制冷劑）作為中間介質。碳氫化合物具有低成本，易獲取，環保等優點，所以目前正被廣泛研究與使用。

2015年，Xu等人[3]通過數值計算綜合比較了IFV中5種候選中間介質（丙烷，丙烯，丁烷，異丁烷，二甲醚）在不同飽和溫度下的換熱面積和換熱系數，并選擇了合適的中間介質。結果表明，丙烯具有最佳的傳熱性能，但其較高的飽和壓力需要增加容納凝結器與蒸發器的管殼的壁厚，從而限制了其應用。隨著丙烷飽和溫度的升高，IFVs所需的總HTA首先降低，然后增加，最佳飽和溫度在250-265K范圍內。

2020年，王碩等人[6]提出采用混合工質作為中間介質，混合工質的摩爾分數為：1.25% N2，41.98% C2H6，30.63% C3H8，26.14%，C4H8，對IFV進行換熱計算及分析，并對混合中間介質運行參數的優化和海水溫降變化對換熱效率的影響等開展研究。結果表明，以該混合工質作為中間介質，凝結器的對流換熱系數隨著混合工質的飽和溫度升高而升高，蒸發器反而隨之降低；蒸發器的換熱性能隨著海水溫度的升高而越好，凝結器的換熱性能反而不會隨著海水溫度的改變而變化。當海水溫度范圍為283.15～298.15K時，中間介質的最佳溫度范圍為256～265K。

5 對IFV的研究展望

目前對IFV的換熱計算研究偏向于工程設計，都是將三個換熱器分開進行獨立求解，計算精度僅僅滿足工程設計精度。對于如何從運行的角度將調溫器、蒸發器、凝結器三者耦合進行換熱計算與分析的研究較少。對IFV進行模擬換熱計算中，需要將換熱器根據長度或者焓值進行離散，目前的研究缺乏對離散的段數進行無關性驗證。中間介質氣化器的實驗數據和工程數據很少，目前的研究缺乏有效的對比驗證。很多文獻中在模擬計算天然氣物性時都是將天然氣假設為單一物質甲烷利用REFPROP8.0程序進行物性計算。天然氣作為混合物，有很多組分，組分種類與占比不同構造了貧組分，富組分等種類。具體的組分占比又表現出不同的物理性質，可以進一步在天然氣組分方面進行研究。混合工質這方面還可以進一步研究，可以通過實驗與模擬的方法獲得最適合IFV的混合工質。換熱關聯式的選取也會影響計算結果。相比比其他氣化器，IFV的換熱性能更好，更適用于天然氣冷能發電系統，可以進一步研研究IFV的冷能發電系統。

6 結語

中國的十四五規劃將對能源轉型和全球氣候產生復雜影響，天然氣作為清潔能源更加其發展受到重視，LNG產業鏈中，LNG接收站是必不可少的環節，氣化器在接收站中扮演著重要角色。中間介質氣化器是一種新型的LNG氣化器，由于由于沒有結冰與結霜的問題，換熱性能優越，在市場上受到了廣泛關注。同時，IFV的熱源是海水，不僅容易取得，還綠色環保，可用作冷能發電，符合新時代能源發展要求。