LNG空溫式氣化器除霜判定指標及標準研究

任樂梅， 焦文玲

(1.哈爾濱工業大學 建筑學院，黑龍江哈爾濱150090；2.寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室，黑龍江哈爾濱150090)

1 概述

LNG是天然氣冷卻至約111 K形成的[1]。為了避免管道設施因低溫影響出現冷脆現象，GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》等相關標準規范規定進入城鎮燃氣管網的天然氣溫度不低于278.15 K。空溫式氣化器是一種常見的LNG氣化器[2]。受LNG的深冷特性影響，LNG空溫式氣化器在運行過程中總會出現結霜現象，嚴重時翅片管間的空氣通道完全被霜層堵塞，導致氣化器傳熱性能極度惡化，嚴重影響氣化站的安全運行[3-4]。同時，傳熱性能惡化，出口溫度降低，空溫式氣化器后串聯的水浴式輔熱器對天然氣進行再熱，增加了能耗。因此確定合理的LNG空溫式氣化器切換運行周期——除霜周期，不僅可以保障氣化站的安全運行，而且可以提高經濟性[5]。

目前，判定LNG空溫式氣化器除霜的方法主要有兩種：經驗法和定時法。經驗法主要依據氣化器出口溫度判定氣化器除霜。當氣化器出口溫度比環境溫度低一定值時，氣化器切換運行[6]。定時法是指氣化器8 h定時切換。相關研究結果表明：環境溫度越低，結霜對氣化器傳熱性能的影響越大[7]。氣化器定時切換除霜忽略了不同環境溫度下結霜對氣化器傳熱性能的影響，導致較低環境溫度下輔熱器能耗增加。目前針對LNG空溫式氣化器的除霜判定研究較少，由于缺乏理論指導，現有的氣化器除霜判定方法難以做到按需除霜，輔熱器能耗大。

合理的除霜判定應該依據氣化器表面的結霜狀況及結霜引起的氣化器傳熱性能變化，實現不同條件下的按需除霜，降低輔熱器能耗。本文基于LNG空溫式氣化器耦合傳熱特性，提出LNG空溫式氣化器的除霜判定指標，并對除霜判定標準進行分析，從而為LNG空溫式氣化器除霜判定提供一定的理論依據。

2 LNG空溫式氣化器傳熱性能分析

本文建立了LNG空溫式氣化器耦合傳熱模型，以分析結霜對氣化器傳熱性能的影響，為氣化器除霜判定研究提供理論支撐。

2.1 氣化器傳熱模型

LNG空溫式氣化器的傳熱過程是一個復雜的動態耦合傳熱傳質過程[8]。運行初始時刻，氣化器表面不存在霜層；隨著運行時間的推移，氣化器表面溫度下降，當壁面溫度低于空氣露點及水的冰點時，壁面霜層開始生長，傳熱熱阻增加。根據氣化器表面是否存在霜層，需要分別建立非結霜工況和結霜工況下的氣化器傳熱模型。

① 非結霜工況下的氣化器傳熱模型

在非結霜工況下，氣化器的傳熱過程是管內流動傳熱、管壁導熱和管外自然對流、輻射傳熱過程的耦合。忽略流體流動方向的傳熱，將氣化器傳熱過程看作沿壁面厚度方向的一維穩態傳熱；忽略氣化器管束及管內流體流動方向的影響，將氣化器簡化為一根翅片管，則氣化器的熱流量計算公式為：

(1)

式中Φ——非結霜工況下氣化器的熱流量，W

Ta——環境空氣溫度，K

Tf——管內流體溫度，K

αi,αo——管內、外表面傳熱系數，W/(m2·K)

di,do——管道內、外直徑，m

λ——管壁熱導率，W/(m·K)

η0——翅片效率

ηf——翅面總效率[9]

n——翅片數量

h——翅片高度, m

l——長度, m

L——翅片管長度，m

氣化器管內流體傳熱過程分為液相強制對流段、氣液兩相流動沸騰段和氣相強制對流段。對管內單相強制對流，可采用Gnielinski關聯式[10]計算傳熱系數；對豎直管內氣液兩相流動沸騰傳熱[11]，可采用Klimenko關聯式[12]計算傳熱系數。

② 結霜工況下的氣化器傳熱模型

在結霜工況下，氣化器表面出現霜層非穩態生長，整體傳熱熱阻增加。為簡化模型，在非結霜傳熱模型的簡化條件基礎上，假設霜層穩態生長，氣化器傳熱為沿翅片管壁面厚度方向的一維準穩態傳熱。

因此，結霜工況下氣化器的熱流量計算公式為：

(2)

式中Φj——結霜工況下氣化器的熱流量，W

(3)

式中λf——霜層熱導率，W/(m·K)

δf——霜層厚度, m

r——水蒸氣的氣固相變潛熱，J/kg

m——水蒸氣相變速率, kg/(m2·s)

Tfs——霜層表面溫度，K

Tw——外壁面溫度，K

霜層厚度通過霜層生長模型[13]計算，公式如下：

(4)

(5)

式中ρf——霜層密度，kg/m3

t——時間，s

k——傳質系數，m/s

ρa、ρa，w——環境空氣、霜層外表面飽和濕空氣中的水蒸氣密度，kg/m3

霜層物性參數λf，ρf采用文獻[14-15]的實驗關聯式進行計算。

根據能量守恒，氣化器的傳熱量等于管內流體的吸熱量。因此氣化器內流體的進出口比焓差計算公式為：

(6)

式中 Δh——氣化器內流體的進出口比焓差，J/kg

qm——LNG質量流量,kg/s

基于MATLAB軟件，采用微元法對上述傳熱模型進行求解，可得天然氣出口溫度、介質進出口比焓、氣化器表面霜層厚度分布隨時間的變化規律。計算流程見圖1，其中i,j分別表示第i個長度微元段和第j個時間微元段。

圖1 LNG空溫式氣化器結霜工況下的傳熱計算流程

2.2 氣化器參數和LNG組成

本研究氣化器參數如下：額定氣化量4 000 m3/h，鋁合金材質，包含10根管，單管長90 m；管外直徑28 mm，內直徑24 mm；每根管安裝8個翅片，翅片高85 mm，翅片厚2 mm。

LNG組成見表1。

表1 LNG組成

2.3 傳熱模型模擬結果

氣化器傳熱性能受環境溫度影響最大[5]。本文利用氣化器傳熱模型，在氣化量3 200 m3/h、空氣相對濕度60%、LNG入口溫度119 K及壓力0.6 MPa的條件下，模擬計算得出不同環境溫度下氣化器最大霜層厚度、結霜長度、天然氣出口溫度及進出口比焓差隨運行時間的變化規律，見圖2。

圖2 LNG空溫式氣化器運行參數隨運行時間的變化曲線

氣化器表面結霜首先在翅片管起始段出現，此處是霜層厚度最大的位置。由圖2a、2b可知，氣化器運行相同時間，環境溫度低的最大霜層厚度小于環境溫度較高的厚度，但是沿翅片管的結霜長度要遠遠大于環境溫度高的情況。在高溫條件下，水蒸氣濃度高，霜層生長快，同時傳熱性能高，翅片管溫度沿流體流動方向上升快，結霜長度短；而在低溫條件下，水蒸氣濃度低，霜層生長慢，同時傳熱性能低，翅片管溫度沿流體流動方向上升慢，結霜長度長。霜層厚度和結霜長度共同反映了氣化器表面的結霜情況，兩者缺一不可。

由圖2c、2d可知，環境溫度越低，天然氣出口溫度越低，氣化器的進出口比焓差越小；且環境溫度越低，天然氣出口溫度和進出口比焓差隨運行時間下降越快。這說明，環境溫度越低，氣化器傳熱性能越差，結霜對氣化器的傳熱性能影響越大。

由圖2c可知，環境溫度為308 K時，氣化器連續運行8 h后，出口溫度為286 K，高于允許的最低出口溫度278.15 K；當環境溫度降至293 K時，氣化器連續運行8 h，出口溫度由286 K降至230.7 K，低于允許的最低出口溫度278.15 K，需要輔熱器投入運行。可見，環境溫度較高，氣化器可以獨立運行超過8 h；隨環境溫度的降低，氣化器獨立運行時間減少。

綜上可知，環境溫度不僅影響氣化器的傳熱性能，同時影響氣化器表面的結霜特性。因此，本文根據環境溫度高低分別討論氣化器的除霜判定指標。在高溫環境下，氣化器出口溫度高，結霜對氣化器傳熱影響小，可利用出口溫度構建除霜判定指標；在低溫環境下，氣化器出口溫度低，結霜對氣化器傳熱影響大，可根據氣化器表面霜層厚度、翅片管結霜長度和傳熱性能參數等構建氣化器的除霜判定指標。

3 除霜判定指標及標準研究

3.1 除霜判定指標的提出

確定LNG空溫式氣化器除霜的切換運行周期，要針對不同環境溫度下空溫式氣化器結霜運行特征，既要考慮降低輔熱器能耗，還要考慮空溫式氣化器傳熱特性及運行時間方面的要求。綜合考慮以上因素，本文構建的除霜判定指標包含能耗指標、傳熱性能指標、結霜特性指標及運行時間指標。

為了研究除霜判定標準，本文需要定義一個參考工況。在工程實際中，氣化設備能力的選擇一般均有富余量，因此參考工況氣化量取額定氣化量的80%。另據中國氣象數據網，我國601個氣象監測點的累年年平均相對濕度為67%。考慮到相對濕度60%下的霜層熱阻大于70%下的霜層熱阻[5]，本文定義在60%的相對濕度下，氣化器以80%的額定流量連續運行8 h，天然氣出口溫度達到278.15 K時的工況為參考工況。參考工況所對應的環境溫度稱參考環境溫度，用Tas表示。

3.2 除霜判定指標體系的構建

在參考工況的氣化量和相對濕度下，當環境溫度不低于Tas時，氣化器連續運行8 h后，出口溫度不低于278.15 K，輔熱器能耗為零，此時以能耗指標作為唯一的除霜判定指標；當環境溫度低于Tas時，氣化器運行較短時間，出口溫度就低于278.15 K，此時應同時考慮傳熱性能指標、結霜特性指標及運行時間指標構建氣化器的除霜判定指標。

① 基于能耗的除霜判定指標

為了表征輔熱器能耗大小，本文定義能源需求度作為除霜判定指標。其定義為溫度為278.15 K的天然氣比焓與空溫式氣化器的天然氣出口比焓之差與278.15 K的天然氣比焓之比。能源需求度取值范圍為0～1，若計算值小于0，則取值為0。能源需求度越小，表明輔熱器能耗越低。

② 基于傳熱性能的除霜判定指標

為了表征氣化器傳熱性能的變化，本文定義結霜熱量損失系數作為除霜判定指標。其定義為非結霜工況下氣化器的理想傳熱量與結霜工況的實際傳熱量之差與理想傳熱量之比。結霜熱量損失系數越小，表明結霜對氣化器傳熱性能的影響越小。

氣化器傳熱量等于介質進出口焓差。因此結霜熱量損失系數還可通過下式計算：

(7)

式中LQ——結霜熱量損失系數

hos——非結霜工況下氣化器出口比焓，kJ/kg

hi——氣化器進口比焓，kJ/kg

ho——結霜工況下的氣化器出口比焓，kJ/kg

③ 基于結霜特性的除霜判定指標

為了表征霜層對空氣流道的堵塞作用及氣化器表面的整體結霜情況，基于霜層厚度定義結霜面積損失系數，基于結霜長度定義霜層覆蓋率，并將它們作為氣化器的除霜判定指標。

結霜面積損失系數：未結霜時翅片管之間的最大空氣流通面積與結霜工況下翅片管之間的最小空氣流通面積之差與最大空氣流通面積之比。霜層覆蓋率：氣化器結霜長度與氣化器總長度的比值。

④ 基于運行時間的除霜判定指標

氣化器切換運行應該保證足夠的除霜時間。若除霜未盡，氣化器投入運行，霜層生長加快[16]，不利于氣化器的高效運行。另一方面，當出口溫度不滿足278.15 K時，運行時間越長，輔熱器單位時間的平均能耗越高，運行時間不易高于定時法確定的氣化器運行時間(即8 h)。因此，需要將運行時間納入氣化器除霜判定指標體系。

3.3 除霜判定標準的確定

除霜判定標準以參考工況下的參考環境溫度、運行時間以及結霜損失系數指標(包括結霜熱量損失系數、結霜面積損失系數和霜層覆蓋率)計算結果為依據。當環境溫度不低于Tas，以能源需求度不高于零作為除霜判定標準；當環境溫度低于Tas，依據參考工況下的結霜損失系數指標計算值確定除霜判定標準。需要注意的是不同氣化器得到的參考工況不同，但除霜判定指標及標準確定方法是通用的。

本文對所述的氣化器，在所述的LNG的參數下，利用氣化器傳熱模型計算不同環境溫度下的除霜判定指標，從而確定參考工況及參考環境溫度。除霜判定指標結果見表2。

由表2可知，該氣化器的參考環境溫度為305 K，對應的工況即為參考工況。初步將參考工況對應的各個指標值作為除霜標準值，則環境溫度低于305 K時氣化器的除霜標準為：在滿足運行時間不低于除霜時間、不高于8 h的條件下，結霜熱量損失系數高于5%，結霜面積損失系數高于34%，霜層覆蓋率高于82%。由表2可知，環境溫度為263 K時，氣化器運行8 h后，結霜面積損失系數仍低于除霜標準值(34%)，但是結霜熱量損失系數已經是除霜標準值的5倍多，能源需求度也達到28.4%。結霜面積損失系數的除霜標準值過高，導致寒冷環境中氣化器傳熱性能惡化嚴重，輔熱器能耗高。因此，降低結霜面積損失系數的除霜標準值，取15%。因此，當環境溫度低于參考環境溫度時，除霜判定標準為：在滿足運行時間不低于除霜時間、不高于8 h的條件下，結霜熱量損失系數高于5%，結霜面積損失系數高于15%，霜層覆蓋率高于82%。

表2 不同工況下的除霜判定指標結果

4 除霜指標及標準的應用

4.1 理論除霜周期確定

基于理論傳熱模型計算氣化器在不同環境溫度下的除霜判定指標，并確定氣化器的理論切換運行周期——除霜周期。仍以2.2節的氣化器為例，流量3 200 m3/h，相對濕度60%，氣化器冬季平均除霜時間在6 h左右。為保證氣化器投入運行時表面霜層完全消除，氣化器運行周期不得低于氣化器除霜時間(6 h)。

通過計算可知，當環境溫度≥305 K時，以能源需求度判定氣化器除霜，氣化器連續運行時間不少于8 h；當環境溫度<305 K時，需同時考慮結霜熱量損失系數、結霜面積損失系數、霜層覆蓋率和運行時間來判定是否除霜。圖3為不同環境溫度下的各除霜判定指標分布云圖軟件截圖。將圖3a～3c進行疊加，依據除霜判定標準，對其進行除霜判定，得到圖4所示的LNG空溫式氣化器除霜判定結果。圖4中實線表示結霜熱量損失系數，點線表示霜層覆蓋率，點劃線表示結霜面積損失系數。滿足除霜判定標準的區域為除霜區域，其邊界線為除霜線，該線上任意一點對應的運行時間即為該環境溫度下的氣化器的除霜周期。

圖4 不同環境溫度下的除霜判定結果

由圖4可知，環境溫度低于247 K時，氣化器連續運行時間為8 h；環境溫度上升至250 K時，氣化器連續運行時間從8 h逐漸降低至6 h；環境溫度在250～300 K時，氣化器連續運行時間為除霜時間(6 h)；環境溫度繼續上升至302 K時，氣化器連續運行時間逐漸上升至8 h；環境溫度在302～305 K時，氣化器連續運行時間為8 h；由前述分析可知，環境溫度高于參考環境溫度305 K時，氣化器持續運行時間高于8 h。當環境溫度低于247 K時，盡管結霜面積損失系數未達到除霜標準值，但是結霜熱量損失系數已經遠高于5%，依據運行時間指標，氣化器連續運行時間為8 h。當環境溫度在302～305 K時，氣化器連續運行8 h，盡管結霜熱量損失系數未達到除霜標準(5%)，但是依據運行時間指標，氣化器除霜周期為8 h。

4.2 實際應用效果分析

在實際應用中，可直接利用廠站內站控系統的實際運行數據及現場實測數據計算各除霜判定指標，并判定氣化器的除霜周期，進行節能分析。

仍以上述氣化器為例，如果運行過程中，流量為2 054～2 693 m3/h，環境溫度為264～268 K，相對濕度為67%～76%。環境溫度低于參考環境溫度305 K，因此基于傳熱性能指標、結霜指標和運行時間指標進行除霜判定。

基于運行數據計算可知，當氣化器運行至約424 min，結霜熱量損失系數達到除霜標準(5%)。另據廠站監控系統拍攝畫面分析得到的氣化器霜層厚度及結霜長度數據可知，氣化器運行至約86 min，霜層覆蓋率達到除霜標準(82%)；運行至約215 min，結霜面積損失系數達到除霜標準(15%)。依據除霜判定標準，判定該氣化器在第424 min進行除霜，并啟動新的氣化器。新啟動的氣化器運行116 min，平均結霜熱量損失系數為0.3%。分別計算新啟動的氣化器與氣化器繼續運行造成的輔熱器能耗，結果顯示，氣化器切換除霜比繼續運行至少可節省輔熱器熱量約23.4 MJ。

5 結論

結霜工況下LNG空溫式氣化器的傳熱性能與環境溫度密切相關，基于結霜工況下的LNG空溫式氣化器的傳熱性能變化規律探討氣化器的除霜判定指標及標準，得到以下結論：

① 構建非結霜工況和結霜工況下LNG空溫式氣化器的傳熱模型，給出LNG空溫式氣化器結霜工況下的傳熱計算流程。分析環境溫度對氣化器表面結霜、天然氣出口溫度的影響。環境溫度是影響氣化器傳熱性能的關鍵因素，環境溫度越低，氣化器傳熱性能越差，結霜對傳熱性能的影響越大。

② 定義了能源需求度、結霜熱量損失系數、結霜面積損失系數及霜層覆蓋率作為氣化器除霜判定指標，對于評價氣化器傳熱性能及結霜特性具有重要參考意義。

③ 以氣化器連續運行8 h、出口溫度不低于278.15 K的參考環境溫度Tas為界限，確定了環境溫度不低于Tas和環境溫度低于Tas兩種情況下的氣化器除霜判定指標及判定標準。當環境溫度不低于Tas，以能源需求度不高于零作為除霜判定標準；當環境溫度低于Tas時，依據參考工況下的結霜損失系數指標(包括結霜熱量損失系數、結霜面積損失系數和霜層覆蓋率)計算值確定除霜判定標準。

④ 針對某LNG空溫式氣化器的實際運行數據，運用提出的除霜判定指標進行除霜周期切換，經計算將節省約23.4 MJ的輔熱器熱量。