一種新型LNG汽化器的設計

趙 麗 張周衛, 張小衛 郭舜之 李 河 丁世文

(1.蘭州交通大學環境與市政工程學院；2.甘肅中遠能源動力工程有限公司)

一種新型LNG汽化器的設計

趙 麗1張周衛1,2張小衛2郭舜之1李 河1丁世文1

(1.蘭州交通大學環境與市政工程學院；2.甘肅中遠能源動力工程有限公司)

針對傳統LNG汽化器在連續工作中出現的結霜結冰現象，基于減壓節流閥的工作原理，設計了一種新型LNG汽化器，以實現LNG汽化器的連續安全穩定高效運行。

LNG汽化器 減壓節流閥

近年來，隨著我國LNG行業的發展，與LNG相關的換熱設備逐漸被人關注。LNG的物理特性(沸點-162℃)導致它對LNG換熱設備有嚴格要求，常用的LNG換熱設備是LNG汽化器[1]。LNG汽化器是一種專門將LNG蒸發汽化的換熱裝置，由LNG汽化器換熱段、進口法蘭管件、主管管路、分支管路法蘭、主管管路法蘭及LNG汽化器支架等構成。汽化器的基本傳熱單元是傳熱管。LNG汽化器一般選用環境汽化器，液態的天然氣通過汽化器中的管線或者葉片與大氣相通，液態天然氣吸收空氣中的熱量后汽化[2]。然而，傳統的LNG汽化器在運轉過程中長時間接觸液化天然氣，以致汽化器傳熱管線上極易結霜和結冰，從而對LNG的汽化造成影響。通常情況下，傳統汽化器在正常工作4h后，必須停運4h，這樣才能保證汽化器的再次正常換熱[2]。

閥門是管道系統中應用最廣泛的執行機構，可以用來截斷或調節管道系統中的介質流量[3]。基于此，筆者通過分析減壓節流閥的減壓節流作用，設計一種改進的帶有減壓節流閥的LNG汽化器，以緩解傳統LNG汽化器結霜結冰的現象，提高其汽化效率。

1 減壓節流閥

LNG汽化器管道內流動的是低溫氣體，所以對減壓節流閥的性能有較高要求。減壓節流閥(圖1)是一種-200℃低溫系統管道內置節流閥，直接將閥門通過上下卡箍安裝于管道內即可實現管道內低溫流體的減壓節流過程，無需法蘭或螺紋連接即可實現低溫流體無密封、無泄漏管道輸運與過程控制[4]。減壓節流閥能夠解決管道內低溫流體由于低溫高壓工況易突變進而引起密封面破壞造成管道泄漏的問題，適用于管道內流體的減壓與節流過程，有利于管道內低溫流體的壓力與溫度控制，使低溫相變輸運過程保持相對穩定，實現流體的過程控制。

圖1 減壓節流閥結構示意圖

減壓節流閥涉及管道內置閥門原理、節流微分制冷效應及預應力平衡原理等。首先，將閥門安裝于管道內并實現低溫過程控制閥門管道內置。由于低溫閥門安裝于管道內，外表無連接件、無密封、無泄漏，整體管道連續不中斷，管道連接處無密封面，因此解決了低溫流體管道內連接件密封易破壞、系統易泄漏等問題。同時，管道外為光滑管，管道內閥門無安裝痕跡，使過程控制工藝流程更加簡單，外部設備管理更加方便。其次，通過管道內置節流閥控制管道低溫系統溫度，可產生節流制冷效應并輸出冷量，使流體溫度為所需控制溫度。最后，應用預應力平衡原理，使彈簧在低溫工況下的預應力與管道內工作壓力達到平衡[4]。當管道壓力達到彈簧預應力時閥門打開并節流減壓，管道壓力降低后閥門自動關閉，以此實現低溫流體在管道內無密封無泄漏的節流制冷與降壓過程。另外，通過減壓機構控制低溫系統內低壓壓力為流體所需控制壓力，當管道內壓力達到系統許用壓力時，減壓閥自動打開；小于許用壓力時，閥門關閉，以此實現定壓控制過程。

2 帶有減壓節流閥的LNG汽化器

2.1 工作流程

帶有減壓節流閥的LNG汽化器(圖2)主要包括LNG汽化器換熱段、進口法蘭管件、減壓節流閥、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，通過與主管管路連接的支管法蘭、減壓節流閥、進口法蘭進入汽化器換熱管道進行換熱，被汽化的LNG從汽化器另一端的出口排出。

圖2 帶有減壓節流閥的LNG汽化器主視圖

2.2 基本原理

傳統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應。傳統LNG汽化器的管道外和翅片間很容易產生結霜、結冰現象，導致管段的整體換熱系數減小，工作效率降低。而筆者設計的帶有減壓節流閥的LNG汽化器，在分支管路法蘭和進口法蘭之間接入減壓節流閥，并與管路法蘭、進口法蘭、汽化器換熱段一一對應。當LNG進入減壓節流閥時，剛開始閥門處于關閉狀態，LNG在管道內短暫停留，管道外的空氣溫度較高，會對管道內的LNG有一定的加熱作用。當LNG的壓力累積達到減壓節流閥的控制壓力時，減壓節流閥泄壓，使一部分LNG被汽化進入換熱器管道，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，使管段內的液體更易汽化。

3 結束語

針對傳統LNG汽化器不能長時間連續運行的問題，在分支管路法蘭和進口法蘭之間接入減壓節流閥，設計了一種帶有減壓節流閥的LNG汽化器。改進的LNG汽化器在減壓節流閥的作用下，使一部分LNG汽化進入管道，實現流體的過程控制，從而使設備可以連續運行，提高LNG汽化器的汽化效率。然而，國內對LNG汽化器的研究才剛起步，因此后續需要對帶有減壓節流閥的新型LNG汽化器進行進一步的開發。

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

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

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

[4] 張周衛,汪雅紅,張小衛,等.低溫系統管道內置減壓節流閥[P].中國: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

甘肅省自然科學基金項目(1208RJZA234)；甘肅省財政廳基本科研業務費(214137)；甘肅省教育廳碩導項目(1104-01)。

趙麗(1990-)，碩士研究生，從事換熱器設備的研究。

聯系人：張周衛(1974-)，副教授，從事空間低溫制冷技術、多股流多相流超低溫換熱技術的研究，zhangzwemail@126.com。

TQ051.6

A

0254-6094(2017)02-0182-03

2016-05-26，

2016-06-27)