LNG浸沒燃燒式氣化器的傳熱特性及運行優化

王玉娟 李淑一 陳文杰 唐建峰 李學濤,3 王冬旭 于 笑

1.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院 2.中國石化青島液化天然氣有限責任公司 3.青島海信日立空調系統有限公司

0 引言

進口液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）緩解了我國的能源緊張狀況[1-3]，LNG接收站作為LNG的接收終端也得到大力建設。近年來已建LNG接收站相繼擴容增產，最大限度地挖掘其發展潛能、提高生產效率與穩定性成為該領域研究的熱點[4-6]。

浸沒燃燒式氣化器（Submerged Combustion Vaporizer，SCV）因氣化效率高、啟動速度快、操作彈性大成為我國北方各LNG接收站的首選備用氣化器以及冬季供氣保障氣化器。然而SCV傳熱機理復雜，并且大部分都從國外進口，故運行關鍵技術難以完全掌握，在缺乏理論指導的前提下貿然停車進行試驗風險較大[7-9]。就國內而言，國內首臺SCV于2017年在江蘇LNG接收站成功試驗運行[10-11]，2019年無錫特萊姆氣體設備有限公司聯合上海交通大學成功研發SCV并可正式投入量產[12-13]，打破了外國公司的技術壟斷，但總體來說仍處于初級階段。因此，筆者以國內某大型LNG接收站氣化系統SCV為研究對象，采用模擬計算與現場實踐的手段進行傳熱特性與實際操作優化研究，根據實際生產外輸情況，提出了貼合實際的指導建議。

1 數值計算模型

某LNG接收站SCV由德國林德公司（Linde Group）制造，SCV本質上屬于管殼式換熱器結構，與其他介質類型的管殼式換熱器相比，SCV運行熱效率更高，其內部傳熱機理更為復雜，基本結構如圖1所示。

SCV結構復雜，運行工況多變，采取試驗手段研究可行性較小，利用軟件模擬方法進行計算分析可有效降低研究成本，挖掘數據的能力更強，故利用流體數值仿真模擬（ANSYS）的方法對SCV進行優化研究。

1.1 物理模型及網格劃分

SCV傳熱管由多根蛇形盤管構成，各蛇形盤管結構相同，故僅選取一根進行研究即可。以SCV單根蛇形盤管實際尺寸建立1∶1模型，其中管長為55.2 m，管徑為32 mm，幾何模型立體圖如圖2所示。

利用Mesh模塊對幾何模型網格劃分，結果如圖3所示。網格數目太多會增加計算復雜程度，網格數目過少會降低計算精度，故需要對劃分網格進行獨立性檢驗。通過對323萬、370萬、401萬、435萬、490萬、534萬和570萬的網格數模型進行網格獨立性檢驗，以網格質量值作為檢驗指標，該值越小質量越高，檢驗結果如圖4所示，網格數量在490萬時網格質量值下降趨緩，同時根據計算該網格數量下收斂速度更快，則選擇數目為4 927 280的網格數用作后續模擬，該數量下的網格最小值為7.36×10－7，最大值為0.968，平均值為0.22，網格標準偏差0.120，網格質量良好，達到模擬計算的要求。

1.2 求解器及邊界條件設置

網格劃分完成后連接Fluent軟件，進入Fluent界面進行設置，求解器設置如表1所示。

表1 Fluent求解器設置表

對流體材料進行定義，由于Fluent Database中未添加符合實際的LNG/NG材料，需自行定義新材料。新材料定義需要該材料的屬性，主要包括流體的各項熱物性，故針對LNG/NG開展熱物性計算，計算結果見1.3節。根據LNG泡點變化以及熱物性變化擬合多項式在Fluent中對材料進行自定義輸入。利用編寫的LNG氣化相變自定義函數（UDF）在軟件中實現LNG氣化。

對邊界條件進行設定，根據工況設定入口條件、邊界條件，設置如表2所示。

表2 Fluent邊界條件設置表

由于環境與操作條件的影響，模擬計算與實際具有一定的偏差，需要驗證該模型計算的誤差值及其用于分析的準確性。以實際運行數據為基礎進行模擬計算，對結果進行準確性分析，選取傳熱性能研究最具代表性的溫度、壓力指標進行對比，結果如表3所示。

表3 模擬參數與實際參數對比表

通過計算結果與現場實際監測值進行對比可知誤差值不超過2%，考慮環境以及邊界條件設置影響，認定該誤差內進行SCV相關的計算分析是合理可行的。

1.3 流體熱物性計算分析

模擬計算需要設定切合實際的流體熱物性變化數值，LNG主要成分是甲烷，甲烷的臨界壓力為4.59 MPa，臨界溫度為190.4 K，故LNG在氣化器中發生氣化實際上是一種超臨界狀態下的換熱，其熱物理性質是不斷變化的，需要對其計算分析確保數值模擬的準確，同時用于后續的分析研究。以氣化系統入口LNG色譜分析組分數據為依據進行熱物性計算，組分及摩爾分數如表4所示。

表4 LNG組分及摩爾分數表

采用Aspen HYSYS軟件進行熱物性計算，在低溫相態變化處理工藝中，采用計算參數少、精確度高的PR物性方程[14-15]。LNG泡點計算可以明確流體所處的氣液兩相狀態[16-21]，泡點溫度值可用于相變UDF編寫，LNG的泡點溫度隨輸入壓力的變化如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著LNG所處壓力的增加，其泡點溫度逐漸增大。流體在不同的溫度、壓力下熱物性（密度、定壓比熱、導熱系數、動力黏度）參數值發生改變，故針對不同工況下的各熱物性參數進行計算，其計算結果如圖6～9所示。

根據圖6～9中曲線擬合出準確度高的計算公式用于模擬計算中流體熱物性參數的設置輸入，同時可以看出流體熱物性在不同溫度、壓力條件下差距較大，變化規律與運行工況有很大關聯，可用于接下來的分析研究。

2 傳熱特性分析

2.1 SCV管內流體溫度場分析

該LNG接收站現場SCV實際運行數據如表5所示，以此為基礎進行模擬計算，對計算結果進行溫度場分析。SCV傳熱管的流體溫度分布云圖如圖10所示，在后處理軟件中選取不同面（Plane）得到溫度、LNG氣化率的準確數值變化（圖11）。

表5 LNG接收站現場SCV實際運行參數表

由圖10、11可知，LNG進入SCV盤管后直到第一個彎管處溫升非常明顯，且未發生氣化，之后溫升逐漸變緩。結合熱物性計算可知，傳熱前期流體處于純液相段，LNG導熱系數高于氣化后的超臨界NG，故液相段溫升明顯，發生氣化后熱導率的降低導致熱量交換減少、溫升變緩。在40 m管長處流體溫度已經接近管外水浴溫度，之后流體的溫度變化波動較小。

2.2 SCV管內流體流場分析

對計算結果進行流場分析，SCV管內流體的速度分布云圖如圖12所示。

由圖12可以看出：貼近換熱盤管管壁處的流體速度是小于管中心處的，在第一個彎管出現之前流體在管內的速度變化非常小，主要原因是該段LNG未發生大面積氣化，由熱物性黏度計算可知LNG黏性相較NG高很多，致使未氣化的LNG流速較NG低。流體在直管進入彎管時總體速度會有一個明顯的降低，而且管中心速度較大且速度的分布集中，彎管處由于流體向心力的作用使其產生二次的環流，并且環流方向與流體主方向垂直，這種雙向的流動使流體的邊界層產生擾動，雖然導致彎管處總體流速降低，但增加SCV的換熱效率。

3 優化分析與實際運行反饋

根據現場實際運行可知，SCV可控操作參數主要是LNG的入口壓力、入口流速及水浴溫度，皆對SCV的傳熱特性具有重大影響，故針對上述3個可控參數進行模擬計算與優化分析。

3.1 入口壓力對SCV氣化傳熱的影響

基于設備承載能力以及某LNG接收站生產外輸條件，選取SCV的壓力研究區間5～9 MPa。以實際的SCV運行參數為基礎，對5～9 MPa的LNG入口壓力進行模擬計算，得出不同LNG入口壓力下溫度、傳熱系數計算結果如圖13、14所示。

從圖13、14中可以看出5 MPa入口壓力下，盤管中間區域流體的整體溫度是最高的，9 MPa入口壓力下，盤管中間區域內流體的整體溫度是最低的。不同壓力下的流體在盤管入口及出口處溫差很小，溫度達到泡點溫度時壓力對于溫度變化的影響出現明顯差別，且隨溫度升高溫差越大。SCV管長超過50 m，可以提供足夠的熱量供給，所以最后出口溫度皆趨近水浴溫度。

針對LNG入口壓力對SCV氣化傳熱影響進行分析，由熱物性黏度計算可知，流體的動力黏度隨著壓力的增加而增大，動力黏度的增加會使流體的近管壁面處更易形成一層阻礙外界熱量傳遞的流體黏性底層，相應導致SCV管壁熱量傳遞密度降低，同時降低SCV管內流體湍流強度，弱化傳熱。流體在10 m管長處的溫升開始出現較大區別，由泡點溫度變化可知，壓力越低泡點溫度越低，所以低壓力下的流體率先達到LNG泡點溫度出現氣化，LNG導熱系數整體高于NG導熱系數，此時低壓力下流體傳熱效率高于高壓力工況。

由傳熱系數變化可以看出，各壓力下傳熱系數都隨管長先增大后下降，并在各自的準臨界點達到峰值，在達到峰值前壓力越小傳熱系數越大，峰值過后壓力越大傳熱系數越大。上述現象主要由于壓力增大使流體導熱系數、黏度以及定壓比熱容的峰值降低，故傳熱能力減弱。綜上所述，應該控制LNG入口壓力向臨界壓力點調整，以提高SCV的整體傳熱效率。

3.2 入口壓力改變對實際生產的影響

基于上述理論研究內容，開展實際條件下的SCV運行反饋，以驗證數值模擬計算的合理性及可操作性，從而將理論與實際相結合，切實可行地指導生產。LNG入口壓力由上游高壓泵控制，某LNG接收站高壓泵設計壓力區間為5.00～8.55 MPa，對SCV進行合理的LNG入口壓力調節，通過中控系統對SCV運行情況實時觀察，現場試驗工況及現象如表6所示。

LNG氣化熱量來自于燃料氣燃燒，水浴溫度設置某一定值時系統可根據氣化吸熱后的溫度變化自動控制燃料氣流量，使水浴溫度保持不變，則燃料氣瞬時耗量可以從側面反映出單位時間內LNG氣化傳熱量的高低。根據表6可知，當LNG入口壓力增大時，燃料氣耗量是明顯增大的，水浴溫度未產生明顯變化，排煙溫度始終保持水浴溫度值，可以說明相同條件下提高入口壓力時SCV傳熱效率降低，氣化同等LNG需要更多的熱量。

表6 不同入口壓力下的SCV運行情況表

綜合現場實際情況以及當地天然氣并網壓力級制要求，SCV的NG出口溫度高于外輸管網NG溫度，并網后會存在一定的壓力損失，建議SCV入口壓力控制在7.2～8.0 MPa區間范圍內，一方面該壓力可以直接對接外輸管網壓力級制，降低壓力損失或者二次增壓耗能，提高設備運行效率，另一方面可以在該區間內最大限度提高SCV氣化熱效率，降低燃料氣耗量。

3.3 入口流速對SCV氣化傳熱的影響

由現場單臺SCV氣化外輸流量統計，選定50～200 t/h作為流量研究區間，則單根傳熱管氣化流量為0.023 5～0.055 0 kg/s，對應LNG入口速度換算值如表7所示。針對SCV不同LNG入口速度進行模擬計算，分析不同LNG入口速度下的氣化傳熱性能。

表7 SCV不同質量流量對應的入口速度計算表

以實際運行參數為基礎，對0.75～1.75 m/s的LNG入口速度進行模擬計算，得出不同LNG入口速度下的溫度、傳熱系數，計算結果如圖15、16所示。

從圖15、16中各曲線對比可知，0.75 m/s入口速度下，SCV盤管中間區域流體的整體溫度是最高的，1.75 m/s入口速度下，SCV盤管中間區域內流體的整體溫度是最低的。流速對換熱系數的影響與溫度截然相反，流速越高傳熱系數越大。究其原因是當入口流速增加時雖然有效增加流體湍流程度，削弱流體與盤管壁面接觸換熱的流體邊界層厚度，從一定程度提高流體對流換熱能力。但流速的增加也使得單位質量LNG從管壁外吸收的熱量減少，導致流速大的工況中整體溫度小于流速小的工況。SCV利用蛇形盤管增加傳熱面積，使不同流速流體的出口溫度都能夠滿足生產指標。

對比各流速下的傳熱系數，在達到峰值后呈現波動下降趨勢，且波動峰值都處于盤管轉彎處，流速越大各峰值越大，主要原因是流速增大使彎管處出現二次流加劇現象，該現象顯著削弱了流體邊界層，從而引起傳熱系數的波動變化。綜上分析，流速的增加并未影響流體出口的生產指標，在此前提下可以增大LNG入口流速，從而提高SCV的傳熱性能。

3.4 入口流速改變對實際生產的影響

基于上述理論研究內容，開展實際條件下的SCV運行反饋。對LNG入口流量進行合理的調節，通過中控系統對SCV運行情況實時觀察，現場試驗工況及運行情況如表8所示。

表8 SCV不同入口流量下的運行情況表

現場試驗無法直觀看出LNG入口流速對SCV傳熱效率的影響，但是通過表中數據對比，入口流量越大則氣化單位質量LNG所需要的燃料氣供應流量越小，可見入口流量的增加可以有效提高燃料氣供應的利用率，側面反映出增加入口流速時傳熱效率相應提高。

綜合現場實際生產情況，單臺SCV外輸量低于50 t/h時運行經濟效益極低，外輸量高于180 t/h時跳車概率較高。基于提高設備利用效率同時保證生產安全穩定的原則，建議增加單臺SCV入口流量，同時限定單臺SCV處理流量介于50～180 t/h，在此流量區間內既保證設備操作安全性，降低跳車風險，同時有效提高傳熱效率，降低SCV運行成本。

3.5 水浴溫度對SCV氣化傳熱的影響

SCV水浴池由SCV燃燒器加熱維持溫度恒定，水浴溫度對SCV換熱盤管工作性能的影響直接關系氣化生產的穩定，故需要針對不同水浴溫度下的SCV氣化傳熱進行研究。SCV水浴溫度設計上限為313 K，下限為278 K，現場運行要求水浴溫度區間280～310 K，故選擇283 K、288 K、293 K、298 K、303 K這5組水浴溫度工況進行計算分析，得出不同水浴溫度下溫度、傳熱系數計算結果如圖17、18所示。

對比圖17、18可知，水浴溫度越高相同截面處流體溫度越高，沿管長前半部分升溫較為迅速，到達準臨界溫度點后升溫緩慢，該現象主要原因是LNG氣化后熱物性變化的劇烈程度減弱，導致換熱量趨緩。由傳熱系數變化可以看出，水浴溫度對傳熱系數的變化有較大影響，除SCV盤管入口段效應影響區外，管壁的傳熱系數是沿著流動方向先增大到一個峰值后再呈現波動狀下降。傳熱系數峰值出現在流體準臨界點溫度附近，在該點之前LNG大部分未氣化，熱物性參數對流體溫度并不敏感。隨著流體溫度高于準臨界溫度，傳熱系數出現明顯的下降，水浴溫度越高下降越迅速。根據溫度分布判斷該現象是由于水溫較高工況引起盤管中流體吸收更多的熱量率先到達準臨界點，從而引起氣化率的提升，隨后大量的超臨界NG降低了流體的湍流程度，使導熱率降低。傳熱曲線波動是由于盤管彎管處的二次流效應增加流體擾動，使傳熱系數出現一時的上升趨勢。

對比不同水浴溫度對SCV的傳熱性能影響，增大水浴溫度對盤管前20 m管長可以提高傳熱效率，但提升效果并不明顯，后續管長內水浴溫度越高傳熱效率下降越明顯，綜上得出水浴溫度的升高對SCV盤管綜合換熱性能是不利的。

3.6 水浴溫度改變對實際生產的影響

基于上述理論研究內容，開展實際條件下的不同水浴溫度運行反饋。對水浴溫度進行合理的調節，通過中控系統對SCV運行情況實時觀察，現場試驗工況及現象如表9所示。

表9 SCV不同水浴溫度下的運行情況表

表9中排煙溫度指煙氣在水浴中進行換熱后的排出溫度，將排煙溫度與水浴溫度進行比較可以直觀得出水浴中熱量是否被管內流體完全吸收，從而判定燃料氣燃燒熱量在LNG氣化加熱中的吸收情況。由實際運行可知，當水浴溫度較低時，SCV引發自動停車機制，原因是系統檢測該溫度下的水浴溫度無法滿足LNG氣化生產，防止水浴池內出現區域結冰現象。當水浴溫度升高時，相應的排煙溫度升高，當水浴溫度設定高于25 ℃時，排煙溫度大于水浴溫度，可以看出此時水浴溫度越高相應的排煙熱損失越大。

綜合現場實際生產情況，建議限定單臺SCV水浴溫度控制區間為15～25 ℃，經實際運行檢測，在該區間內可以有效避免設備安全聯鎖跳車，同時降低排煙的熱損失，在合理工況內提高SCV換熱盤管傳熱效率。

4 結論

1）當LNG入口壓力接近擬臨界壓力時，由于熱物性的劇烈變化，會引起流體傳熱系數的大幅波動，強化傳熱；同樣管內流體的局部流體傳熱系數峰值大小取決于LNG入口壓力，越接近準臨界點，壓力傳熱系數峰值越大。通過現場運行驗證了上述理論，綜合實際生產情況，給出SCV入口壓力控制在7.2～8.0 MPa區間范圍內的建議，適應實際外輸條件同時提高氣化傳熱效率。

2）LNG入口速度越大，SCV換熱系數越大，換熱效果越好，同時低流速工況下會出現流體換熱惡化現象，且比較明顯。基于現場實際生產條件，建議根據實時外輸量要求限制開啟最少的SCV臺數，增加單臺SCV的LNG入口流量，同時限定單臺SCV處理流量介于50～180 t/h，提高設備利用率。

3）水浴溫度對SCV出口流體的溫度影響較大，提高水浴溫度會縮短管內流體到達準臨界點的時間，但后續換熱能力下降迅速，從整體看水浴溫度越高，SCV綜合傳熱效率越低。綜合實際生產考慮，給出限定單臺SCV水浴溫度控制區間介于15～25 ℃的建議，保證設備運行安全，同時降低排煙熱損失。