LNG空温式气化器结霜机理及控制技术

2021-09-08黄中峰王云航

煤气与热力 2021年8期

黄中峰, 王云航, 邹伟

(1.重庆兴燃能源有限责任公司，重庆 400020； 2.重庆燃气集团股份有限公司，重庆 400020； 3.重庆燃气集团股份有限公司江北分公司，重庆 400020)

1 概述

LNG空温式气化器翅片管外表面受周围空气温度、相对湿度影响较大，气化过程吸收周围热量导致周围温度降低，出现结霜现象，严重时导致气化器受力不均，出现侧向拉力，导致管路破裂、燃气泄漏，发生事故；同时，结霜也影响了气化器的传热性能。因此，深入研究LNG空温式气化器的结霜机理，分析其影响因素并采取有效的控制措施至关重要。秦海杰等[1]对气化器表面结霜特性进行了研究，指出空气相对湿度对结霜过程的影响。张建文等[2]分析了固体壁面自然对流传热的数值研究现状，指出热交换过程中表面结霜的影响。马强等[3]对水平冷表面上结霜过程进行了数值模拟，结果显示冷表面处水蒸气浓度高，相转移速率快，霜密度增大。陈叔平等[4]通过实验和理论分析相结合的方法进行了深冷并联翅片管气化器传热特性研究，分析了气化器在结霜工况下的传热性能。张洋念[5]进行了霜层生长过程实验，发现模拟图像具有分形特征且随着霜层厚度的增加，分形维数随之增大。赵鹏等[6]通过实验的方法研究了单根竖直星型翅片管的结霜特性及传热特性，发现霜层的生长与空气温度、空气相对湿度等都有关系。高华伟等[7]对LNG空温式气化器气化过程进行了数值分析。

LNG空温式气化器是由多根相同形式的翅片管并列组合，每根翅片管为星型结构，翅片管由8翅片或12翅片组成(本文的翅片管为12翅片)，管材多为低温铝合金，气化器布置以立式为主，其主要结构参数见表1。液化天然气从管内由下至上流过，在气化过程中吸收周围环境热量，由液态变为气态，管外周围空气温度下降，持续运行一段时间后气化器将会结霜，霜层热阻逐渐增大，严重影响气化器的气化效率。目前，气化器需要定期进行停机切换，因结霜后增加了霜层热阻，需要进行停机融霜后才可继续使用[8]。

表1 空温式气化器主要结构参数

本文只研究气化器外表面结霜情况，对翅片管之间结霜情况不作研究。

2 气化器霜层厚度监测

2.1 气化器监测点布置

为了分析气化器周围结霜情况，在气化器从左端开始第5根翅片管(正中间)位置距离地面50 cm处为起始点，由下至上分别在1.5 m、3.0 m、4.5 m、6.0 m的位置布置4个红色喷漆监测点，分别为监测点1、监测点2、监测点3、监测点4，监测点布置见图1。

图1 LNG空温式气化器监测点布置

2.2 气化器霜层厚度测量

本次测试过程中，该站气化器周围环境空气温度为8 ℃，空气相对湿度为76%，气化器间距为3.5 m，在此条件下，在夜间0:00时刻开始启动一台未结霜的气化器，现场试验过程中使气化器连续运行24 h，并测量气化器的霜层厚度。霜层厚度的测量装置主要有红外线测距仪、硬纸板和升降梯，由人员利用红外线测距仪和硬纸板，搭载升降梯定期实测气化器霜层厚度。

具体方法如下：

① 利用升降梯分别升至各个监测点，做好相应标记；

② 将硬纸板贴靠于监测点的位置，硬纸板与气化器外壁面(翅片管圆管外壁面)保持平行状态，由红外线测距仪测量从气化器外壁面到硬纸板的距离，即为该监测点的霜层厚度；

③ 分别测出4个监测点的霜层厚度，并记录。

实测的24 h气化器霜层厚度与时间的关系见图2。

图2 LNG气化器霜层厚度与时间的关系

从图2可知，气化器结霜由气化器底部逐渐向顶部延伸，霜层厚度逐渐减小。气化器运行2 h后监测点1最大厚度可达24 mm，随着气化器持续运行，霜层厚度继续增加。在运行24 h后，监测点1霜层厚度最大达到180 mm。从监测点1到监测点4的霜层厚度最大值依次减小。从现场观察，气化器结霜长度达到7 950 mm，接近气化器总长度(8 000 mm)。

3 气化器结霜机理及影响因素分析

3.1 空温式气化器结霜机理

空温式气化器结霜主要由空气中水蒸气相变成固态结晶，其几何结构及堆积规律随着结霜进程而发生变化，导致霜层的形成过程十分复杂，并不是简单的结晶堆积过程。通过对表面结霜原因分析，将结霜过程分为3个阶段：霜晶生长期、霜层生长期、霜层充分生长期[9]。

① 霜晶生长期

霜晶生长期由空气中水蒸气相变为固态冰晶结构，霜晶为偏平六边形结构，温度较低时转变为细长针状结构，霜晶量较少。

② 霜层生长期

霜层生长期是指翅片表面固态冰晶随着时间推移逐渐堆积，发展成致密的霜晶结构，且厚度也迅速增加。霜层增长过快影响气化器外围空间的气体流通，阻碍热量传递，因此，霜层生长期是控制霜层增长的最佳时期，控制霜层生长期的霜层厚度至关重要。

③ 霜层充分生长期

随着气化器持续运行，气化器温度逐渐降低，霜层堆积加厚，且霜层硬度增加，各翅片霜层充实地粘结在一起。此时，人工除霜难度增大。

3.2 霜层热导率和霜层热阻的计算

3.2.1霜层孔隙率

现场实测气化器霜层霜块的孔隙率。分别从监测点1、监测点2、监测点3、监测点4取霜块，取500 mL的 0 ℃的冰水倒入量筒，将取下的4块霜块同时一起放入该量筒，即刻记下量筒中水上升的体积V0(即霜块融化前的体积)。随即迅速将量筒中的水倒出。待霜块完全融化后，记下此时量筒中水的体积V(即霜块融化后水的体积)。由式(1)计算出霜块的平均孔隙率φ。

(1)

式中φ——霜块的平均孔隙率

V0——霜块融化前的体积，mL

V——霜块融化后水的体积，mL

经现场实测，计算得到霜块的平均孔隙率φ为6.13%。

3.2.2霜层热导率

通过以下经验公式[10]计算霜块(即霜层)的热导率。

(2)

ε=0.42(0.1+0.995ρ)

(3)

ρ=(1-φ)ρice+φρa

(4)

(5)

(6)

1.308×10-4

(7)

λmax=(1-φ)λice+φλa

(8)

式中λf——霜层热导率，W/(m·K)

ε——中间变量

λmin——霜层热导率的最小值，W/(m·K)

λmax——霜层热导率的最大值，W/(m·K)

ρ——霜层的密度，kg/m3

ρice——冰的密度，kg/m3，取920 kg/m3

ρa——空气的密度，kg/m3，取1.39 kg/m3

λice——冰的热导率，W/(m·K)

λa——空气的热导率，W/(m·K)

Tm——霜层平均温度，K，取霜层表面温度和翅片管外表面温度的算术平均值，本文取255 K

经计算，霜层热导率λf为1.796 W/(m·K)。

3.2.3霜层热阻

通过现场实测出不同空气温度、空气相对湿度、气化器间距情况下的霜层厚度，再通过公式(9)分别计算出相应各工况下的霜层热阻，并绘制相应的曲线图，从而得出相应的变化规律。霜层热阻计算公式如下：

(9)

式中Rf——霜层热阻，m2·K/W

δf——霜层厚度，m

3.3 气化器结霜影响因素

气化器结霜的程度用霜层热阻来表示，霜层热阻的影响因素主要有空气温度、空气相对湿度、气化器间距等，在设计时应综合考虑各项因素。

① 空气温度的影响

测试试验过程中，保持空气相对湿度为76%、气化器间距为3.5 m不变。可通过运行其他3台气化器以降低待测气化器周围的空气温度，使用温度表实时监测，待达到指定的测量空气温度时，启动一台无结霜的待测气化器，此时为0时刻，开始计时。同时，通过调节其他3台气化器的运行工况来控制待测气化器周围的空气温度，使其在24 h的运行过程中一直维持在指定的测量空气温度。运行至第24 h时，测量各监测点的霜层厚度。改变指定的测量空气温度，重复上述操作步骤，测量得到不同的空气温度下第24 h时的霜层厚度。在气化器周围环境空气温度为单一变量的情况下，通过公式(9)分别计算得出不同温度下的霜层热阻，见图3。

图3 空气温度对霜层热阻的影响

可见，随着空气温度的降低，霜层热阻呈现先增大后降低的趋势。霜层热阻越大，气化器传热性能越低，气化效率越低。

② 空气相对湿度的影响

测试试验过程中，保持空气温度为8 ℃、气化器间距为3.5 m不变。可通过加湿器或水喷雾器来实现不同空气相对湿度。待气化器周围环境空气相对湿度达到指定的测量空气相对湿度时，启动一台无结霜的待测气化器，此时为0时刻，开始计时。同时，使空气相对湿度在24 h的运行过程中一直维持在指定的测量空气相对湿度。运行至第24 h时，测量各监测点的霜层厚度。改变指定的测量空气相对湿度，重复上述操作步骤，测量得到不同的空气相对湿度下第24 h时的霜层厚度。在空气相对湿度为单一变量的情况下，通过公式(9)分别计算得出不同空气相对湿度下第24 h时的霜层热阻，见图4。可见，随着空气相对湿度的增加，霜层热阻呈现先升高后降低的趋势，当空气相对湿度达到30%左右时，对气化器的传热性能影响较大。

图4 空气相对湿度对霜层热阻的影响

③ 气化器间距的影响

气化器间距(外壁到外壁的间距)对结霜也有一定的影响，主要考虑多台气化器周围空气流通对结霜的影响。在重庆地区选择不同气化器间距的气化站进行实地研究，测量霜层厚度。在测试试验过程中，保持空气温度为8 ℃、空气相对湿度为76%不变。启动一台无结霜的待测气化器，此时为0时刻，开始计时。运行至第24 h时，测量各监测点的霜层厚度。对于不同的气化器间距的气化站，重复上述操作步骤，测量得到不同的气化器间距下第24 h时的霜层厚度。在气化器间距为单一变量的情况下，通过公式(1)分别计算得出不同气化器间距下第24 h时的霜层热阻，见图5。

图5 气化器间距对霜层热阻的影响

可见，随着气化器间距的增大，霜层热阻逐渐降低。通过对多个气化站实际调研，考虑到占地面积等因素，气化器间距宜为3～5 m。

④ 小结

综上所述，将3个影响因素按照它们对应的霜层热阻最大值从大到小排序，顺序为空气温度、空气相对湿度、气化器间距，相应的霜层热阻最大值分别为0.100、0.085、0.070 m2·K/W。因此,空气温度对霜层热阻的影响最大。

4 控制技术分析

4.1 控制技术及应用

① 空气温度控制

根据上述影响因素分析，防止气化器结霜，可通过提高空气温度来解决，提高空气温度目的在于抑制气化器冰霜的生成。因此，可采用蒸汽加热的方式，将热蒸汽喷洒在气化器周围以提高空气温度，进而抑制冰霜的生成。

② 空气相对湿度控制

气化器运行时，会吸收周围的热量，产生大量白雾，导致周围空气相对湿度增大，若不及时处理，将进一步在气化器周围凝结成霜。可以采取机械排雾的方式增加空气流通性，在气化器进液端地面距离气化器3～5 m的位置布置4台功率为2.2 kW的防爆风机进行机械排雾，增加空气的流通性，将产生的白雾吹散，进而降低空气相对湿度。经现场实测，采用4台上述防爆风机可将空气相对湿度降低至8%左右，有效降低了空气相对湿度对气化器结霜的影响。防爆风机现场实际布置见图6。

图6 防爆风机现场布置

③ 气化器间距控制

目前，大部分气化站场地面积较小，部分气化器间距较近，空气流通性较差，空气中水蒸气难以扩散，因此，温度过低时容易结霜。在气化器布置时应至少保证气化器间距在3 m以上，以保障足够的空气流通，降低结霜的速率。

④ SCADA智能监控系统控制

气化站内气化区可采用SCADA智能监控系统对气化器出入口温度、压力及气化量等参数进行实时监控。当气化器管内温度较低、气化器结霜时，可及时切换气化器组，以降低气化器结霜的速率，同时保证气化器连续运行，不影响正常供气。

4.2 控制效果分析

采取控制措施后，在与图2同样的条件下，即该站气化器周围环境空气温度为8 ℃，空气相对湿度为76%，气化器间距为3.5 m，对气化器观测24 h，霜层厚度与时间的关系见图7。

图7 采取控制措施后霜层厚度与时间的关系

通过上述控制措施，气化器结霜现象得到较大程度的改善。由图2和图7对比分析，在采取控制措施前、后，布置的4个监测点中监测点1的霜层厚度最大，应采取有效措施控制监测点1的霜层厚度。监测点1在采取控制措施前的最大霜层厚度为180 mm(见图2)，采取控制措施后，由图7可知，监测点1的最大霜层厚度为79 mm，霜层厚度减少56.1%。采取控制措施前，气化器结霜长度为7 950 mm，采取控制措施后，结霜长度为3 400 mm，结霜长度减少57.2%。综上所述，上述控制措施对抑制气化器结霜起到很大作用，气化效率得到明显提高，气化器连续运行时间增长，能够满足供气要求。