LNG空温式气化器除霜判定指标及标准研究

任乐梅， 焦文玲

(1.哈尔滨工业大学 建筑学院，黑龙江哈尔滨150090；2.寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室，黑龙江哈尔滨150090)

1 概述

LNG是天然气冷却至约111 K形成的[1]。为了避免管道设施因低温影响出现冷脆现象，GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》等相关标准规范规定进入城镇燃气管网的天然气温度不低于278.15 K。空温式气化器是一种常见的LNG气化器[2]。受LNG的深冷特性影响，LNG空温式气化器在运行过程中总会出现结霜现象，严重时翅片管间的空气通道完全被霜层堵塞，导致气化器传热性能极度恶化，严重影响气化站的安全运行[3-4]。同时，传热性能恶化，出口温度降低，空温式气化器后串联的水浴式辅热器对天然气进行再热，增加了能耗。因此确定合理的LNG空温式气化器切换运行周期——除霜周期，不仅可以保障气化站的安全运行，而且可以提高经济性[5]。

目前，判定LNG空温式气化器除霜的方法主要有两种：经验法和定时法。经验法主要依据气化器出口温度判定气化器除霜。当气化器出口温度比环境温度低一定值时，气化器切换运行[6]。定时法是指气化器8 h定时切换。相关研究结果表明：环境温度越低，结霜对气化器传热性能的影响越大[7]。气化器定时切换除霜忽略了不同环境温度下结霜对气化器传热性能的影响，导致较低环境温度下辅热器能耗增加。目前针对LNG空温式气化器的除霜判定研究较少，由于缺乏理论指导，现有的气化器除霜判定方法难以做到按需除霜，辅热器能耗大。

合理的除霜判定应该依据气化器表面的结霜状况及结霜引起的气化器传热性能变化，实现不同条件下的按需除霜，降低辅热器能耗。本文基于LNG空温式气化器耦合传热特性，提出LNG空温式气化器的除霜判定指标，并对除霜判定标准进行分析，从而为LNG空温式气化器除霜判定提供一定的理论依据。

2 LNG空温式气化器传热性能分析

本文建立了LNG空温式气化器耦合传热模型，以分析结霜对气化器传热性能的影响，为气化器除霜判定研究提供理论支撑。

2.1 气化器传热模型

LNG空温式气化器的传热过程是一个复杂的动态耦合传热传质过程[8]。运行初始时刻，气化器表面不存在霜层；随着运行时间的推移，气化器表面温度下降，当壁面温度低于空气露点及水的冰点时，壁面霜层开始生长，传热热阻增加。根据气化器表面是否存在霜层，需要分别建立非结霜工况和结霜工况下的气化器传热模型。

① 非结霜工况下的气化器传热模型

在非结霜工况下，气化器的传热过程是管内流动传热、管壁导热和管外自然对流、辐射传热过程的耦合。忽略流体流动方向的传热，将气化器传热过程看作沿壁面厚度方向的一维稳态传热；忽略气化器管束及管内流体流动方向的影响，将气化器简化为一根翅片管，则气化器的热流量计算公式为：

(1)

式中Φ——非结霜工况下气化器的热流量，W

Ta——环境空气温度，K

Tf——管内流体温度，K

αi,αo——管内、外表面传热系数，W/(m2·K)

di,do——管道内、外直径，m

λ——管壁热导率，W/(m·K)

η0——翅片效率

ηf——翅面总效率[9]

n——翅片数量

h——翅片高度, m

l——长度, m

L——翅片管长度，m

气化器管内流体传热过程分为液相强制对流段、气液两相流动沸腾段和气相强制对流段。对管内单相强制对流，可采用Gnielinski关联式[10]计算传热系数；对竖直管内气液两相流动沸腾传热[11]，可采用Klimenko关联式[12]计算传热系数。

② 结霜工况下的气化器传热模型

在结霜工况下，气化器表面出现霜层非稳态生长，整体传热热阻增加。为简化模型，在非结霜传热模型的简化条件基础上，假设霜层稳态生长，气化器传热为沿翅片管壁面厚度方向的一维准稳态传热。

因此，结霜工况下气化器的热流量计算公式为：

(2)

式中Φj——结霜工况下气化器的热流量，W

(3)

式中λf——霜层热导率，W/(m·K)

δf——霜层厚度, m

r——水蒸气的气固相变潜热，J/kg

m——水蒸气相变速率, kg/(m2·s)

Tfs——霜层表面温度，K

Tw——外壁面温度，K

霜层厚度通过霜层生长模型[13]计算，公式如下：

(4)

(5)

式中ρf——霜层密度，kg/m3

t——时间，s

k——传质系数，m/s

ρa、ρa，w——环境空气、霜层外表面饱和湿空气中的水蒸气密度，kg/m3

霜层物性参数λf，ρf采用文献[14-15]的实验关联式进行计算。

根据能量守恒，气化器的传热量等于管内流体的吸热量。因此气化器内流体的进出口比焓差计算公式为：

(6)

式中 Δh——气化器内流体的进出口比焓差，J/kg

qm——LNG质量流量,kg/s

基于MATLAB软件，采用微元法对上述传热模型进行求解，可得天然气出口温度、介质进出口比焓、气化器表面霜层厚度分布随时间的变化规律。计算流程见图1，其中i,j分别表示第i个长度微元段和第j个时间微元段。

图1 LNG空温式气化器结霜工况下的传热计算流程

2.2 气化器参数和LNG组成

本研究气化器参数如下：额定气化量4 000 m3/h，铝合金材质，包含10根管，单管长90 m；管外直径28 mm，内直径24 mm；每根管安装8个翅片，翅片高85 mm，翅片厚2 mm。

LNG组成见表1。

表1 LNG组成

2.3 传热模型模拟结果

气化器传热性能受环境温度影响最大[5]。本文利用气化器传热模型，在气化量3 200 m3/h、空气相对湿度60%、LNG入口温度119 K及压力0.6 MPa的条件下，模拟计算得出不同环境温度下气化器最大霜层厚度、结霜长度、天然气出口温度及进出口比焓差随运行时间的变化规律，见图2。

图2 LNG空温式气化器运行参数随运行时间的变化曲线

气化器表面结霜首先在翅片管起始段出现，此处是霜层厚度最大的位置。由图2a、2b可知，气化器运行相同时间，环境温度低的最大霜层厚度小于环境温度较高的厚度，但是沿翅片管的结霜长度要远远大于环境温度高的情况。在高温条件下，水蒸气浓度高，霜层生长快，同时传热性能高，翅片管温度沿流体流动方向上升快，结霜长度短；而在低温条件下，水蒸气浓度低，霜层生长慢，同时传热性能低，翅片管温度沿流体流动方向上升慢，结霜长度长。霜层厚度和结霜长度共同反映了气化器表面的结霜情况，两者缺一不可。

由图2c、2d可知，环境温度越低，天然气出口温度越低，气化器的进出口比焓差越小；且环境温度越低，天然气出口温度和进出口比焓差随运行时间下降越快。这说明，环境温度越低，气化器传热性能越差，结霜对气化器的传热性能影响越大。

由图2c可知，环境温度为308 K时，气化器连续运行8 h后，出口温度为286 K，高于允许的最低出口温度278.15 K；当环境温度降至293 K时，气化器连续运行8 h，出口温度由286 K降至230.7 K，低于允许的最低出口温度278.15 K，需要辅热器投入运行。可见，环境温度较高，气化器可以独立运行超过8 h；随环境温度的降低，气化器独立运行时间减少。

综上可知，环境温度不仅影响气化器的传热性能，同时影响气化器表面的结霜特性。因此，本文根据环境温度高低分别讨论气化器的除霜判定指标。在高温环境下，气化器出口温度高，结霜对气化器传热影响小，可利用出口温度构建除霜判定指标；在低温环境下，气化器出口温度低，结霜对气化器传热影响大，可根据气化器表面霜层厚度、翅片管结霜长度和传热性能参数等构建气化器的除霜判定指标。

3 除霜判定指标及标准研究

3.1 除霜判定指标的提出

确定LNG空温式气化器除霜的切换运行周期，要针对不同环境温度下空温式气化器结霜运行特征，既要考虑降低辅热器能耗，还要考虑空温式气化器传热特性及运行时间方面的要求。综合考虑以上因素，本文构建的除霜判定指标包含能耗指标、传热性能指标、结霜特性指标及运行时间指标。

为了研究除霜判定标准，本文需要定义一个参考工况。在工程实际中，气化设备能力的选择一般均有富余量，因此参考工况气化量取额定气化量的80%。另据中国气象数据网，我国601个气象监测点的累年年平均相对湿度为67%。考虑到相对湿度60%下的霜层热阻大于70%下的霜层热阻[5]，本文定义在60%的相对湿度下，气化器以80%的额定流量连续运行8 h，天然气出口温度达到278.15 K时的工况为参考工况。参考工况所对应的环境温度称参考环境温度，用Tas表示。

3.2 除霜判定指标体系的构建

在参考工况的气化量和相对湿度下，当环境温度不低于Tas时，气化器连续运行8 h后，出口温度不低于278.15 K，辅热器能耗为零，此时以能耗指标作为唯一的除霜判定指标；当环境温度低于Tas时，气化器运行较短时间，出口温度就低于278.15 K，此时应同时考虑传热性能指标、结霜特性指标及运行时间指标构建气化器的除霜判定指标。

① 基于能耗的除霜判定指标

为了表征辅热器能耗大小，本文定义能源需求度作为除霜判定指标。其定义为温度为278.15 K的天然气比焓与空温式气化器的天然气出口比焓之差与278.15 K的天然气比焓之比。能源需求度取值范围为0～1，若计算值小于0，则取值为0。能源需求度越小，表明辅热器能耗越低。

② 基于传热性能的除霜判定指标

为了表征气化器传热性能的变化，本文定义结霜热量损失系数作为除霜判定指标。其定义为非结霜工况下气化器的理想传热量与结霜工况的实际传热量之差与理想传热量之比。结霜热量损失系数越小，表明结霜对气化器传热性能的影响越小。

气化器传热量等于介质进出口焓差。因此结霜热量损失系数还可通过下式计算：

(7)

式中LQ——结霜热量损失系数

hos——非结霜工况下气化器出口比焓，kJ/kg

hi——气化器进口比焓，kJ/kg

ho——结霜工况下的气化器出口比焓，kJ/kg

③ 基于结霜特性的除霜判定指标

为了表征霜层对空气流道的堵塞作用及气化器表面的整体结霜情况，基于霜层厚度定义结霜面积损失系数，基于结霜长度定义霜层覆盖率，并将它们作为气化器的除霜判定指标。

结霜面积损失系数：未结霜时翅片管之间的最大空气流通面积与结霜工况下翅片管之间的最小空气流通面积之差与最大空气流通面积之比。霜层覆盖率：气化器结霜长度与气化器总长度的比值。

④ 基于运行时间的除霜判定指标

气化器切换运行应该保证足够的除霜时间。若除霜未尽，气化器投入运行，霜层生长加快[16]，不利于气化器的高效运行。另一方面，当出口温度不满足278.15 K时，运行时间越长，辅热器单位时间的平均能耗越高，运行时间不易高于定时法确定的气化器运行时间(即8 h)。因此，需要将运行时间纳入气化器除霜判定指标体系。

3.3 除霜判定标准的确定

除霜判定标准以参考工况下的参考环境温度、运行时间以及结霜损失系数指标(包括结霜热量损失系数、结霜面积损失系数和霜层覆盖率)计算结果为依据。当环境温度不低于Tas，以能源需求度不高于零作为除霜判定标准；当环境温度低于Tas，依据参考工况下的结霜损失系数指标计算值确定除霜判定标准。需要注意的是不同气化器得到的参考工况不同，但除霜判定指标及标准确定方法是通用的。

本文对所述的气化器，在所述的LNG的参数下，利用气化器传热模型计算不同环境温度下的除霜判定指标，从而确定参考工况及参考环境温度。除霜判定指标结果见表2。

由表2可知，该气化器的参考环境温度为305 K，对应的工况即为参考工况。初步将参考工况对应的各个指标值作为除霜标准值，则环境温度低于305 K时气化器的除霜标准为：在满足运行时间不低于除霜时间、不高于8 h的条件下，结霜热量损失系数高于5%，结霜面积损失系数高于34%，霜层覆盖率高于82%。由表2可知，环境温度为263 K时，气化器运行8 h后，结霜面积损失系数仍低于除霜标准值(34%)，但是结霜热量损失系数已经是除霜标准值的5倍多，能源需求度也达到28.4%。结霜面积损失系数的除霜标准值过高，导致寒冷环境中气化器传热性能恶化严重，辅热器能耗高。因此，降低结霜面积损失系数的除霜标准值，取15%。因此，当环境温度低于参考环境温度时，除霜判定标准为：在满足运行时间不低于除霜时间、不高于8 h的条件下，结霜热量损失系数高于5%，结霜面积损失系数高于15%，霜层覆盖率高于82%。

表2 不同工况下的除霜判定指标结果

4 除霜指标及标准的应用

4.1 理论除霜周期确定

基于理论传热模型计算气化器在不同环境温度下的除霜判定指标，并确定气化器的理论切换运行周期——除霜周期。仍以2.2节的气化器为例，流量3 200 m3/h，相对湿度60%，气化器冬季平均除霜时间在6 h左右。为保证气化器投入运行时表面霜层完全消除，气化器运行周期不得低于气化器除霜时间(6 h)。

通过计算可知，当环境温度≥305 K时，以能源需求度判定气化器除霜，气化器连续运行时间不少于8 h；当环境温度<305 K时，需同时考虑结霜热量损失系数、结霜面积损失系数、霜层覆盖率和运行时间来判定是否除霜。图3为不同环境温度下的各除霜判定指标分布云图软件截图。将图3a～3c进行叠加，依据除霜判定标准，对其进行除霜判定，得到图4所示的LNG空温式气化器除霜判定结果。图4中实线表示结霜热量损失系数，点线表示霜层覆盖率，点划线表示结霜面积损失系数。满足除霜判定标准的区域为除霜区域，其边界线为除霜线，该线上任意一点对应的运行时间即为该环境温度下的气化器的除霜周期。

图4 不同环境温度下的除霜判定结果

由图4可知，环境温度低于247 K时，气化器连续运行时间为8 h；环境温度上升至250 K时，气化器连续运行时间从8 h逐渐降低至6 h；环境温度在250～300 K时，气化器连续运行时间为除霜时间(6 h)；环境温度继续上升至302 K时，气化器连续运行时间逐渐上升至8 h；环境温度在302～305 K时，气化器连续运行时间为8 h；由前述分析可知，环境温度高于参考环境温度305 K时，气化器持续运行时间高于8 h。当环境温度低于247 K时，尽管结霜面积损失系数未达到除霜标准值，但是结霜热量损失系数已经远高于5%，依据运行时间指标，气化器连续运行时间为8 h。当环境温度在302～305 K时，气化器连续运行8 h，尽管结霜热量损失系数未达到除霜标准(5%)，但是依据运行时间指标，气化器除霜周期为8 h。

4.2 实际应用效果分析

在实际应用中，可直接利用厂站内站控系统的实际运行数据及现场实测数据计算各除霜判定指标，并判定气化器的除霜周期，进行节能分析。

仍以上述气化器为例，如果运行过程中，流量为2 054～2 693 m3/h，环境温度为264～268 K，相对湿度为67%～76%。环境温度低于参考环境温度305 K，因此基于传热性能指标、结霜指标和运行时间指标进行除霜判定。

基于运行数据计算可知，当气化器运行至约424 min，结霜热量损失系数达到除霜标准(5%)。另据厂站监控系统拍摄画面分析得到的气化器霜层厚度及结霜长度数据可知，气化器运行至约86 min，霜层覆盖率达到除霜标准(82%)；运行至约215 min，结霜面积损失系数达到除霜标准(15%)。依据除霜判定标准，判定该气化器在第424 min进行除霜，并启动新的气化器。新启动的气化器运行116 min，平均结霜热量损失系数为0.3%。分别计算新启动的气化器与气化器继续运行造成的辅热器能耗，结果显示，气化器切换除霜比继续运行至少可节省辅热器热量约23.4 MJ。

5 结论

结霜工况下LNG空温式气化器的传热性能与环境温度密切相关，基于结霜工况下的LNG空温式气化器的传热性能变化规律探讨气化器的除霜判定指标及标准，得到以下结论：

① 构建非结霜工况和结霜工况下LNG空温式气化器的传热模型，给出LNG空温式气化器结霜工况下的传热计算流程。分析环境温度对气化器表面结霜、天然气出口温度的影响。环境温度是影响气化器传热性能的关键因素，环境温度越低，气化器传热性能越差，结霜对传热性能的影响越大。

② 定义了能源需求度、结霜热量损失系数、结霜面积损失系数及霜层覆盖率作为气化器除霜判定指标，对于评价气化器传热性能及结霜特性具有重要参考意义。

③ 以气化器连续运行8 h、出口温度不低于278.15 K的参考环境温度Tas为界限，确定了环境温度不低于Tas和环境温度低于Tas两种情况下的气化器除霜判定指标及判定标准。当环境温度不低于Tas，以能源需求度不高于零作为除霜判定标准；当环境温度低于Tas时，依据参考工况下的结霜损失系数指标(包括结霜热量损失系数、结霜面积损失系数和霜层覆盖率)计算值确定除霜判定标准。

④ 针对某LNG空温式气化器的实际运行数据，运用提出的除霜判定指标进行除霜周期切换，经计算将节省约23.4 MJ的辅热器热量。