原標題：LNG氣化器的分類及工作原理

　　天然氣主要用于發(fā)電、化工工業(yè)、城鎮(zhèn)居民燃氣和工業(yè)燃氣、汽車燃料等，其他用途包括LNG的冷能利用、天然氣戰(zhàn)略儲備安全供氣的需要等。

　　LNG氣化器是種專門用于液化天然氣氣化的換熱器，主要應(yīng)用于沿海大型LNG接收站、LNG液化工廠、LNG氣化站、LNG加液站等，是實現(xiàn)氣化功能的關(guān)鍵設(shè)備。本文主要介紹各種LNG氣化器的分類，以及幾種LNG氣化器的的結(jié)構(gòu)、工作原理、特點及使用環(huán)境等，并對不同類型的LNG氣化器進行分析比較，為實際工程的需要提供借鑒；同時著重介紹了空溫式氣化器。

　　一

　　LNG氣化器分類

　　1.1概述

　　根據(jù)使用的頻率，LNG氣化器可以分為基本負荷型和應(yīng)急調(diào)峰型?；矩摵尚褪褂妙l率高、氣化量大，選型時主要考慮的是設(shè)備的運行成本。應(yīng)急調(diào)峰型是為了補充用氣高峰時供氣量的不足或應(yīng)急需要，其工作特點是使用率低、工作時間是隨機性的，具有緊急啟動的功能，選型時要求設(shè)備投資盡可能低，而對運行費用則不太苛求。

　　根據(jù)LNG氣化的熱媒不同來對LNG氣化器進行分類，常見的LNG氣化熱媒有空氣、河水或海水、天然氣燃燒、電加熱、工廠廢熱等。美國標準NFPA 59A將LNG氣化器分為加熱氣化器、環(huán)境氣化器和工藝氣化器3類。

　　根據(jù)氣化量不同來對LNG氣化器進行分類，氣化量小于50t/h的是小型LNG氣化器，一般用于氣化量較小的場合，如各種小型的LNG衛(wèi)星接收站、氣化站；而我國沿海都是大型的LNG接收站，必須采用氣化量大的LNG氣化器。

　　根據(jù)結(jié)構(gòu)不同進行分類，常見的LNG氣化器類型如表1所示：

　　表1常見LNG氣化器類型

　　序號

　　名稱

　　備注

　　1

　　開架式氣化器（ORV）

　　大型

　　2

　　浸沒燃燒式氣化器（SCV）

　　大型

　　3

　　管殼式氣化器（STV）

　　大型

　　4

　　中間流體式氣化器（IFV）

　　大型

　　5

　　空溫式氣化器

　　小型

　　6

　　強制通風(fēng)式氣化器

　　小型

　　7

　　熱風(fēng)加熱式氣化器

　　小型

　　8

　　真空蒸汽式氣化器（VSV）

　　小型

　　9

　　中間媒介空溫式氣化器

　　小型

　　10

　　熱水浴式氣化器

　　小型

　　其中，①~④主要應(yīng)用于沿海大型的LNG接收站，而⑤~⑩主要應(yīng)用于各種小型的LNG衛(wèi)星接收站、氣化站。另外還有其他結(jié)構(gòu)類別如纏繞管式氣化器、煙氣沖擊旋水型LNG氣化器、空氣熱源式氣化器等；本文就以下幾種常見的LNG氣化器進行介紹。

　　1.2開架式氣化器（ORV）

　　開架式氣化器是一種水加熱型氣化器，以海水為熱源，其氣化量*大可達180t/h，在0~100%的負荷范圍內(nèi)運行，同時根據(jù)需求的變化遙控調(diào)整氣化量。特點是投資較大，運行費用較低，操作和維護容易，比較適用于基本負荷型LNG接收站。以海水熱源，對海水質(zhì)量要求高，同時在外表面應(yīng)做好涂層保護等防腐措施。

　　開架式氣化器的基本單元是鋁合金傳熱管，傳熱管內(nèi)部有星形斷面、外部有翅片，同時管內(nèi)有螺旋桿，以增加LNG傳熱；若干傳熱管按板狀排列后兩端與集氣管或集液管焊接形成管板，再由若干管板組成氣化器。工作原理是LNG在管內(nèi)向上流動，由氣化器頂部噴淋裝置噴淋的海水在管板外表面自上而下流動，將管內(nèi)LNG氣化，工作原理如圖1所示。

　　開架式氣化器運行時在板型管束的下部尤其是集液管外表面會結(jié)冰，影響氣化器的傳熱性能，OsakaGas和Kobel Steel聯(lián)合研發(fā)采用了局部雙層結(jié)構(gòu)的傳熱管，有效改善了結(jié)冰的狀況，被稱為SuperORV，其換熱管如圖2所示。

　　1.3浸沒燃燒式氣化器（SCV）

　　浸沒燃燒式氣化器屬燃料加熱型氣化器，它以燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣為熱源，由于煙氣與水直接接觸，加熱水的同時激烈地攪動水，熱水再與管內(nèi)LNG進行熱交換，大大提高了傳熱效率。浸沒燃燒式氣化器的熱效率在98%左右，可快速啟動，能對負荷的突然變化作出反應(yīng)，適用于緊急情況或者調(diào)峰用氣。它的特點是整體投資和安裝費用很低，占地面積小，操作靈活；但是操作費用很高。

　　浸沒燃燒式氣化器的結(jié)構(gòu)是換熱管束浸泡在池水中，下部與LNG總管焊接，上部與NG總管焊接，LNG下進上出。工作時燃料氣體和空氣按比例混合均勻后進入燃燒器內(nèi)充分燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)分配管上的小孔噴射到池水中，煙氣進入池水形成大量氣泡，迅速上升加熱并劇烈攪動池水，有效地加熱管束中的LNG使之氣化。其工作原理如圖3所示。

　　1.4中間介質(zhì)式氣化器（SCV）

　　中間介質(zhì)式氣化器有不同的形式，包括管殼式氣化器（STV）和中間流體式氣化器，其共同之處就是用中間介質(zhì)作為熱媒，中間介質(zhì)可以是丙烷或醇（甲醇或乙二醇）水溶液，加熱介質(zhì)可為海水、熱水、空氣等，可以改善結(jié)冰帶來的影響。

　?。?）管殼式氣化器（STV）

　　采用管殼式換熱器作為氣化器，水或甲醇（或乙二醇）水溶液作為中間熱媒氣化LNG，初始熱源可以用熱水、海水或空氣。先用初始熱源將中間熱媒加熱，再用已被加熱的中間熱媒通過管殼式氣化器去氣化LNG。中間熱媒需用循環(huán)泵強制循環(huán)，因此耗能較高。

　?。?）中間流體式氣化器（IFV）

　　工作原理是以海水或近鄰工廠的熱水作為熱源，并用此熱源去加熱中間介質(zhì)（丙烷）并使其氣化，再用丙烷蒸氣去氣化LNG。該氣化器由三部分組成：①海水（或其他熱源流體）和丙烷進行換熱；②丙烷和LNG進行換熱；③天然氣過熱，即用海水對LNG氣化后的NG加熱。工作原理如圖4所示，這種氣化器解決了海水（或其他熱源流體）的冰點問題，在海上浮動儲存與氣化、循環(huán)加熱、冷能發(fā)電等得到廣泛的應(yīng)用。

　　圖4中間流體式氣化器工作原理圖

　　1.5纏繞管式氣化器

　　纏繞管式氣化器工作原理是加熱介質(zhì)走殼程，LNG走管程，管程為螺旋纏繞式換熱器結(jié)構(gòu)；從底部管箱進入的LNG，在管程內(nèi)受熱氣化后從頂部排出，循環(huán)水在殼程加熱管程內(nèi)天然氣，結(jié)構(gòu)如圖5所示。氣化器能力主要由殼程介質(zhì)的溫度和流量決定，主要特點是在相同的體積內(nèi)擁有較大的換熱面積，同時可實現(xiàn)多股流體一起換熱。

　　1.6空溫式氣化器

　　圖6 LNG空溫式氣化器8翅片管結(jié)構(gòu)圖

　　空溫式氣化器是利用空氣自然對流加熱低溫LNG使其氣化成常溫氣體的換熱設(shè)備。其由鋁翅片管按一定的間距連接而成，一般是單程式；為了增大空氣側(cè)的換熱面積，在換熱管的外側(cè)加裝星形翅片，目前*常用的是8翅片結(jié)構(gòu)，如圖6所示，另外還有12翅片和4翅片結(jié)構(gòu)。實際中運行的LNG空溫式氣化器如圖7所示。

　　LNG空溫式氣化器實物圖

　　LNG空溫式氣化器即為空氣源式氣化器（AAV），可以分為間接接觸式和直接接觸式兩類。間接接觸式利用空氣加熱閉式管路的傳熱流體，再與LNG進行換熱氣化；直接接觸式則利用空氣直接氣化LNG。間接接觸式應(yīng)用較多的包括空氣翅片式換熱氣化和空氣冷卻塔氣化技術(shù)；直接接觸氣化包括環(huán)境空氣氣化和強制通風(fēng)氣化。

　　LNG空溫式氣化器雖然換熱效率低，但是制造成本和運行成本也很低，經(jīng)常作為LNG衛(wèi)星站（指在中小城市及距離氣源地較遠的小型天然氣接收站和氣化站）內(nèi)的主氣化器。缺點是其對環(huán)境溫度很敏感，冬天易結(jié)冰，在我國北方使用受到一定的限制；同時占地面積大，在土地資源少的區(qū)域也受到限制。

　　目前，LNG衛(wèi)星站都離市區(qū)較遠，土地資源影響不大，同時可通過增加水浴式LNG氣化器來解決環(huán)境溫度的影響，所以LNG空溫式氣化器是小型LNG接收站、氣化站、加注站等的主要氣化器類型?？諟厥綒饣鞲鶕?jù)用途可以分為增壓式和供氣式兩類，兩者結(jié)構(gòu)基本相同，只有些微差別。主要是增壓式空溫氣化器只具有蒸發(fā)部，而供氣式空溫氣化器包含蒸發(fā)部和加熱部。

　　國內(nèi)的空溫式氣化器主要應(yīng)用于LNG衛(wèi)星站，而目前國外也逐漸將空氣源式氣化器應(yīng)用于大型LNG接收站。如美國、印度就采用了幾種形式的AAV，建成了幾座LNG接收站。

　　1.7水浴式氣化器

　　水浴式氣化器是以水為熱媒的氣化器，在大型LNG接收站中，開架式氣化器、浸沒燃燒式氣化器以及管殼式氣化器中以海水為熱媒的氣化器，均屬于水浴式氣化器；在LNG衛(wèi)星站中，水浴式氣化器主要包括電加熱式、燃料燃燒式等，它具有傳熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小等優(yōu)點。本文指的水浴式氣化器主要是用于LNG衛(wèi)星站的小型氣化器，它廣泛應(yīng)用于LNG衛(wèi)星站的天然氣加熱，在土地資源有限的地方還可以代替空溫式氣化器作為主氣化器。

　　在以空溫式氣化器為主氣化器的LNG氣化站中，常常將BOG氣化器和水浴式氣化器集成成撬，從而縮小了空間，如圖8所示。水浴式氣化器的主要功能是當(dāng)空溫式氣化器及BOG氣化器出口溫度不能滿足管網(wǎng)需求時，將開啟該裝置，將空溫式氣化器及BOG氣化器的天然氣加熱后送入下游裝置。

　　圖8 水浴式復(fù)熱撬

　　二

　　LNG氣化器的選型

　　LNG氣化器的選型應(yīng)綜合考慮環(huán)境因素、氣化器用途、成本效率、穩(wěn)定性和安全性等，確定合理的氣化器類型和規(guī)格。

　　2.1 大型LNG接收站

　?。?）氣化器的要求

　　在大型LNG接收站中，氣化器選型時應(yīng)考慮的因素如表2所示：

　　表2 氣化器選型時應(yīng)考慮的因素

　　序號

　　名稱

　　1

　　可靠性和耐久性

　　2

　　穩(wěn)定性和安全運行性

　　3

　　適應(yīng)負載波動的靈活性

　　4

　　成本效率

　　5

　　所用材料應(yīng)有優(yōu)異的低溫性能

　　6

　　在換熱表面防止結(jié)冰

　　7

　　防止形成LNG霧

　?。?）氣化器的類型對比

　　用于大型LNG接收站的氣化器主要有開架式氣化器（ORV）、浸沒燃燒式氣化器（SCV）和中間介質(zhì)式氣化器（IFV），綜合比較如表3所示。

　　表3 各類型氣化器綜合比較

　　比較內(nèi)容

　　ORV

　　SCV

　　IFV

　　中間介質(zhì)

　　-

　　水

　　丙烷或醇類溶液

　　加熱介質(zhì)

　　海水

　　燃料氣

　　空氣/海水/燃料氣

　　工藝流程

　　簡單

　　簡單

　　較復(fù)雜

　　設(shè)備結(jié)構(gòu)

　　簡單

　　簡單

　　較復(fù)雜

　　運行控制

　　簡單

　　簡單

　　簡單

　　占地面積

　　較少

　　*少

　　較少

　　使用情況

　　基本負荷

　　應(yīng)急調(diào)峰

　　使用少

　　投資成本系數(shù)

　　1.5

　　0.5~0.7

　　3

　　運行成本系數(shù)

　　2

　　7~10

　　0.1

　　2.2 小型LNG衛(wèi)星站

　　近年來，國內(nèi)各地的天然氣需求逐年增加，同時，國內(nèi)的LNG衛(wèi)星站的數(shù)量也與日俱增?？諟厥綒饣?，作為LNG衛(wèi)星站的主要設(shè)備之一，是整個供應(yīng)系統(tǒng)的核心設(shè)備，其氣化能力的大小決定著一個LNG衛(wèi)星站的供應(yīng)規(guī)模。所以LNG衛(wèi)星站設(shè)備中空溫式氣化器的選型尤為重要。

　　LNG衛(wèi)星站的氣化器選型應(yīng)綜合考慮環(huán)境條件、設(shè)計規(guī)模、占地面積、投資成本、運營成本、運行穩(wěn)定性、輔助設(shè)備等因素，選出*優(yōu)的氣化方案。

　　空溫式氣化器對環(huán)境溫度極為敏感，冬天易結(jié)冰，所以目前大部分LNG衛(wèi)星站采用空溫氣化器加水浴復(fù)熱撬的方式，大部分時間采用完全空溫氣化、在極端氣溫日輔以串聯(lián)水浴復(fù)熱；既有效地利用了環(huán)境熱量，又保證了儲氣溫度穩(wěn)定。因此，空溫氣化器加水浴復(fù)熱撬的方式技術(shù)經(jīng)濟性較好，造價和運行費用較低。

　　空溫式氣化器的選型應(yīng)根據(jù)設(shè)計規(guī)模來確定，并考慮一定的裕量，通常按照高峰小時用氣量的1.2~1.3倍確定。同時，為了維修或應(yīng)急情況，一般應(yīng)備有一組空溫式氣化器。單臺空溫式氣化器的規(guī)格一般從50Nm3/h~5000Nm3/h，空溫式氣化器氣化量越大，體積就越大，重量就越重，運輸和安裝難度增加，根據(jù)調(diào)研，目前國內(nèi)LNG行業(yè)尚無單臺氣化能力為5000Nm/h及以上規(guī)格的氣化器在役運行，氣化量需求大時是靠組合來滿足需求。對國外來說，根據(jù)美國公司提供的數(shù)據(jù)，LNG空溫式氣化器單臺*大氣化量可達到7500Nm/h。實際工程中，氣化量為5625Nm/h的空溫式氣化器使用較多。

　　空溫式氣化器一般為露天安裝，結(jié)構(gòu)分為立式和臥式。立式結(jié)構(gòu)氣化器占地面積相對較小，但是隨風(fēng)度等級及地震烈度影響較大；臥式結(jié)構(gòu)氣化器占地面積相對較大，同時卻更加穩(wěn)定，選擇式應(yīng)綜合考慮。

　　翅片管結(jié)構(gòu)也是氣化器選型的一個重要因素?？諟厥綒饣魍ㄟ^鋁翅片管與環(huán)境進行換熱，鋁翅片管的翅片面積直接影響到換熱量和氣化量的大小。增加翅片管面積可以通過加長加寬翅片或增加翅片管上的翅片數(shù)量來完成。加長加寬翅片，會使氣化器的體積增大，氣化器結(jié)構(gòu)設(shè)計難度增大；增加翅片數(shù)量又常受鋁鑄造工藝限制，國內(nèi)產(chǎn)品一般為8翅片，12翅片的較少。

　　氣化器的運行穩(wěn)定性極為重要，由于空溫式氣化器運行中會不斷結(jié)霜，影響傳熱效率，所以要定期作除霜處理。目前氣化器運行一般以8h為一班，所以要求氣化器*大氣化保持時間不低于8h。氣化器運行時，溫度變化大，易產(chǎn)生冷裂，要求氣化器結(jié)構(gòu)設(shè)計上具備消除溫度應(yīng)力影響的措施。

　　LNG空溫式氣化器根據(jù)用途可以分為增壓式和供氣式兩類，兩者結(jié)構(gòu)基本相同，只有些微差別。主要是增壓式空溫氣化器只具有蒸發(fā)部，而供氣式空溫氣化器包含蒸發(fā)部和加熱部。LNG衛(wèi)星站常見的空溫式氣化器類型有卸車增壓氣化器、儲罐增壓氣化器、主空溫式氣化器、BOG氣化器、EAG氣化器，主要是氣化量、進出口溫度、設(shè)計壓力等參數(shù)不同，原理相同。

　　三

　　空溫式氣化器的研究分析

　　LNG空溫式氣化器是LNG衛(wèi)星站的核心設(shè)備，目前國內(nèi)外已做了大量研究分析，以下闡述了LNG空溫式氣化器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳熱研究及安全性研究。

　　3.1 空溫式氣化器結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　空溫式氣化器的結(jié)構(gòu)比較簡單，主要由星形翅片管組成，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計主要體現(xiàn)在翅片管管徑、翅片數(shù)量、翅片管長度等基本參數(shù)的計算，而這些是通過翅片管傳熱來確定的?？諟厥綒饣鞯脑O(shè)計方法，包括熱力計算，提出通常導(dǎo)氣管長度的選取根據(jù)汽化器對換熱面積裕量的要求而定。管通徑、管壁厚度、出口管徑

　　及氣化器結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。提出了根據(jù)LNG低溫潛液泵的流量計算調(diào)壓器的流量和結(jié)構(gòu)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前盡管我國空溫式氣化器生產(chǎn)規(guī)模和裝備量較大，但由于沒有國家標準和行業(yè)標準，使得空溫式氣化器的設(shè)計、制造和使用處于沒有依據(jù)和約束的狀態(tài)，制造廠停留在比較初級的水平，大多僅僅是進行模仿性生產(chǎn)，設(shè)計上也僅采用經(jīng)驗方法計算，幾乎不考慮氣化器在使用過程中的傳熱問題。生產(chǎn)的氣化器存在以下問題：氣化量不足、體積龐大、流道布置不合理、流體阻力過大、造價過高等，使用中也發(fā)生各種各樣的問題，其中*為突出的是翅片管表面結(jié)霜及結(jié)冰現(xiàn)象，導(dǎo)致氣化能力下降及過液問題。

　　3.2 空溫式氣化器安全性研究

　　空溫式氣化器運行時內(nèi)部流體為天然氣，有液態(tài)、氣態(tài)、氣液混合態(tài)，可能發(fā)生泄漏、爆炸等，危害性極大，所以空溫式氣化器安全性研究極為重要。

　　LNG空溫式氣化器的安全距離，氣化器與其他任何火源之間的水平凈距應(yīng)大于15米，到圍墻的水平凈距不小于30米；布置多臺加氣化器時，各氣化器之間的水平凈距至少為1.5米；氣化器與LNG儲罐、控制室、辦公大樓、車間等的水平凈距至少為15米。

　　空溫式氣化器的進出口溫度對氣化器安全運行很重要，應(yīng)設(shè)置溫度檢測儀，測量LNG、蒸發(fā)氣體和加熱介質(zhì)的進出口溫度。同時每臺氣化器都應(yīng)該在進口、出口處設(shè)置緊急切斷閥和安全閥，另外為防止泄漏的LNG進入備用氣化器，可在進口處安裝兩個閥門，并采用安全閥排放積存的兩個閥門之間的LNG蒸發(fā)氣體。

　　氣化器運行時，溫度變化大，易產(chǎn)生冷裂，要求氣化器結(jié)構(gòu)設(shè)計上具備消除溫度應(yīng)力影響的措施。

　　四

　　結(jié) 論

　　（1）LNG氣化器的分類方法較多，常見的分類方法包括：使用的頻率、熱媒的不同、氣化量大小、結(jié)構(gòu)差異等。其中大型LNG接收站一般采用ORV、SCV、IFV等；而大部分LNG衛(wèi)星站采用空溫式氣化器和電加熱水浴式氣化器。

　?。?）LNG衛(wèi)星站的氣化器選型應(yīng)綜合考慮環(huán)境條件、設(shè)計規(guī)模、占地面積、投資成本、運營成本、運行穩(wěn)定性、輔助設(shè)備等因素，選出*優(yōu)的氣化方案?？諟厥綒饣骱退∈綇?fù)熱器串聯(lián)的方式，既有效地利用了環(huán)境熱量，又保證了儲氣溫度穩(wěn)定。因此得到廣泛應(yīng)用。

　?。?）空溫式氣化器結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)充分考慮設(shè)計裕量、結(jié)構(gòu)形式、翅片管換熱計算、運行條件和時間、溫差補償措施及氣化器用途等因素。目前國內(nèi)外已對空溫式氣化器做了大量研究分析，主要包括LNG空溫式氣化器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳熱研究及安全性研究。我國空溫式氣化器生產(chǎn)規(guī)模和裝備量較大，但由于沒有國家標準和行業(yè)標準，使得空溫式氣化器的設(shè)計、制造和使用處于沒有依據(jù)和約束的狀態(tài)，制造廠停留在比較初級的水平，大多僅僅是進行模仿性生產(chǎn)，設(shè)計上也僅采用經(jīng)驗方法計算，幾乎不考慮氣化器在使用過程中的傳熱問題。

　　(文章來源：海波談LNG)

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