PDF《采用涡流管和喷射器的新型 LNG 汽化加热系统》

第5 9卷第2期20

1 9年3月大连理工大学学报JournalofD a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y V o l .

5 9, N o .

2 M a r .2019 文章编号:

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0 8 (

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1 9 )

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0 8 采用涡流管和喷射器的新型 L N G 汽化加热系统 郭向吉1 , 张升升2 , 张博*1 , 李玲1 ( 1. 大连理工大学 能源与动力学院 辽宁省复杂能源转换和高效利用重点实验室,辽宁 大连

1 1

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2 4;

2. 中国运载火箭技术研究院 研究发展中心,北京

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7 6 ) 摘要:首次提出了两种新型空气源热泵, 核心部件包括涡流管、 喷射器和空温式换热器, 用 于从低温环境中吸收热量. 该空气源热泵取代了传统 L N G 汽化过程中水浴加热器的位置, 吸收到的热量可用于补偿从空温式汽化器吸热后温度仍不达标的天然气, 以达到降低甚至无 须水浴加热器耗能的目的. 在这两种新型加热系统中, 其主要原理是气体在涡流管冷端温度 降低, 使得天然气可以在空温式换热器中继续从环境吸收热量. 除了给出详细的系统描述之 外, 还建立了数学定量模型, 并设定了具体工况, 对两种加热系统的性能、 能耗和相对于传统 加热系统的节能比进行了计算和分析. 结果表明, 当气体升温要求在5~3 0℃时, 不带有喷射 器的加热系统节能比在5 0%以上, 而带有喷射器的加热系统节能比可在9 0%以上. 关键词: L NG 汽化;

空温式汽化器;

涡流管;

喷射器;

节能 中图分类号: T E

0 8 文献标识码: A d o i :

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1 1 / d l l g x b

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4 收稿日期:

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修回日期:

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2 1. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(

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2 0 ) ;

大连市科技创新基金资助项目(

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1 8 J

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3 ) . 作者简介:郭向吉(

1 9

9 2 - ) , 女, 博士生, E - m a i l : x j g u o@m a i l . d l u t . e d u . c n ;

张博* (

1 9

7 4 - ) , 男, 博士, 教授, 博士生导师, E - m a i l : z h a n g b o @d l u t . e d u . c n .

0 引言为满足日益增长的清洁能源消费需求, 天然 气的需求增长迅速, 预计到2

0 3 0年将占据一次能 源消费量的第2位[

1 ] . 天然气的成分中8 7. 0%~

9 9. 8%是甲烷, 是环境友好型能源. 除此之外, 它 还具有易运输与储存、 热值高、 供应可靠方便等优 点. 为了把天然气从气井输送给各用户, 首先要考 虑经济的运输方式. 在所有的运输方式中, 管道天 然气( P NG) 、 液态天然气( L NG) 以及压缩天然气 ( C NG) 是3种最主要的运输方 式. P NG 是最古老、 稳定且有效的运输方式, 缺点是管道投资大. 当 气体流量小且运输距离比较远时( 大于10

0 0k m) , 单位体积天然气的运输成本很高. C NG 是将天然 气在环境温度下压缩到2 0~2

5 MP a并以气态形 式储存在槽车中. 由于受到槽车体积的限制, 这种 方式更适合小范围的气体运输. 当要求远距离( 大于35

0 0k m) 大气量运输时, L NG 无疑是最经济 方便的运输方式, 且LNG 几乎占据了货船在天 然气跨洋贸易中的所有份额. 在大气压下, 天然气温度降至-1

6 2 ℃时将 变为液态. L NG 的密度为4

0 0~5

0 0k g / m

3 , 是标 准状态下(

2 0 ℃, 环境压力下) 天然气的6

2 5倍, 这是 L NG 比CNG 和PNG 便捷和经济的主要原 因[ 2] . 天然气要经过液化、 运输、 汽化才能输送给 用户. 在汽化过程中, 天然气需要吸收大量的热. L NG 汽化过程中大多采用空温式汽化器(ambientairv a p o r i z e r , AAV) . AAV 用从环境中 吸收的热量来加热 L NG, 并且它可以独立运行以 降低运行成本. 此外, 可以收集冷凝水和融冰作为 服务/饮用水的来源. 为了满足日益增长的天然气 需求, 大量内陆城市的 L NG 汽化站已经建成并 投入使用. 在LNG 汽化方面, AAV 具有较好的 经济性[ 3] . 在传统的 L NG 汽化流程中, 槽车将 L NG 运 输到汽化站, 利用槽车自带的增压系统将 L NG 送入储罐. L NG 在AAV 中吸热汽化, AAV 的工 作压力一般为 0.

4 5~0.

6 0 MP a , 考虑到传热温 差, 从AAV 出来的天然气温度比环境低大约10℃. 为了防止管道低温脆化以及避免由于低温 天然气密度较大引起供销之间的量差过大, 城市 管网要求的温度为不低于5 ℃. 当环境温度足够 高时, 从AAV 出来的天然气可以满足管道温度 要求, 天然气则直接进入压力调节装置, 并将压力 降至0. 1~0.

2 MP a , 计量、 加臭之后进入城市管 网. 然而, 当冬季环境温度较低或者夏季湿度较大 时, 天然气无法在 AAV 中吸收到足够的热量, 以致AAV 出口的天然气温度达不到管道要求. 这时, 天然气就会在水浴加热器(water-bathheater,WB H) 中继续吸热来获得足够的温升. 水 浴加热器通常利用电能或者采用已汽化的天然气 作为燃料( 在锅炉里燃烧) 来加热低温的天然气. 出于经济上的考虑, 在AAV 系统中一般采用燃 烧型的水浴加热器辅助加热天然气[ 4] . 显而易见, 在水浴加热过程中, 除了锅炉的大 量投资以外, 还需要燃烧大量的燃料用于加热, 并 对环境产生不容忽视的污染. 随着天然气用量逐 年增加, 若传统的天然气汽化过程中采用水浴加 热器辅助升温这一耗能问题得以改善, 产生的经 济效益及降低环境污染收益将不可忽视. 然而, 以 往的研究中几乎未见针对相关问题提出的举措. 为了达到降低甚至无须水浴加热器耗能的目的, 且考虑到原系统流程中存在压力势能, 本文提出 采用涡流管( RHVT) 作为两种新型加热系统的 核心部件, 利用涡流管独特的能量分离效应, 在系 统内压差驱动下, 将从涡流管冷端出口的天然气 温度降低从而拥有继 续从低温环境中吸热的能 力.

1 系统概述 为了区分传统的加热系统和本文提出的两种 新型加热系统, 核心组件用 + 的形式列出, 并以 其缩写来命名这些系统. 传统的以水浴加热器作 为备用加热的系统简称为 WB H. 两种新型系统, 一个是可以减少水浴加热器部分能耗的系统命名 为 RHVT+AAHE+WB H ( R AW) , 另一个是 无须 水浴加热器加热的系统称为 RHVT+ AAHE+E j e c t o r ( R A E) . 接下来将分别对 R AW 和RAE两个系统进行分析. 1.

1 R AW 系统 如图1所示, R AW 在传统系统基础上增加 了涡流管和空温式换热器( 已经申请了相应的中 国专利[ 5] ) . 其中, 高压 L NG 在AAV 中吸热汽化 1L N G 槽车;

2L N G 储罐;

3AAV;

4水浴加热器;

5 调压装置;

6 计量和加臭装置;

7 城市管网;

8 涡 流管;

9AAHE 图1 带有 R AW 的LNG 汽化流程 F i g .

1 L NGr e g a s i f i c a t i o np r o c e s s e sc o m b i n e d w i t hR AW ( a ) t - s图(b)p-h图 图2 带有 R AW 的AAV 汽化系统状态分析 F i g .

2 S t a t ea n a l y s i s f o rAAVr e g a s i f i c a t i o n p r o c e s s e sw i t hR AW 对应图2的a - b - c过程. 从AAV 出来的低温天然 气直接进入涡流管, 而不是水浴加热器. 在涡流管 中, 气体在喷嘴中加速, 在喷嘴出口处( c - d) 压力 达到最小值. 由于能量分离效应, 气体在主流道中 被分成冷热两股流体. 根据管道允许温度与 AAV 出口温度之间的温差, 通过调节冷流比获得不同 的能量分离性能, 可以使热端流体直接达到管道 允许 温度(d-g) . 同时, 冷端出来的气体进入AAHE中吸热. AAHE 和AAV 一样, 低温天然

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1 大连理工大学学报第5 9卷 气可以从环境中吸热, 唯一不同的是 AAHE中不 存在相变. 因为涡流管中的温降, 低温天然气可以 通过 AAHE 继续从环境中吸热(e-f) , 但是从AAHE出来的气体温度仍然达不到管道要求, 最 终这部分气体将继续在水浴加热器中吸热以满足 管道温度要求. 在RAW 系统中, 仍然需要水浴加热器作为 辅助加热设备. 但是, 仅通过添加一个涡流管和空 温式换热器就能显著减少低温天然气从水浴加热 器中吸收的热量. 涡流管充分利用从调压设备中 回收的压力能来加热部分低温天然气, 另一部分 低温天然气可以通过 AAHE 从环境空气中吸热 从而减少水浴加热器中的能量消耗. 然而, 这部分压力能取决于 AAV 出口和调 压设置进口之间的压差, 也就是说, 不能通过提高 涡流管的入口压力来提高加热性能, 只能通过调 节冷流比来实现. 对于涡流管而言, 热端想要得到 更大的温升就需要更大的冷流比. 涡流管的入口 和热端出口之间的温差变大, 导致更多的低温天 然气需要从水浴加热器中吸热, R AW 系统的节 能效益就会大打折扣. 为了完全消除水浴加热器 中的能量消耗, 本文进一步提出了 R A E 系统来 加热低温天然气. 1.

2 R A E系统 为了解决从 AAHE 出来的天然气温度仍不 能满足管道允许温度的问题, 如图3所示在 R A E 系统中采用了一个喷射器( e j e c t o r ) 引射从AAHE 出来的气体( 申请了相应的中国专利[

6 ] ) , 这一过 程对应图4的h - d 过程. 喷射器也是一个内部没 有任何运动部件的压力驱动装置, 有两个入口和 一个出口. 工作流体在高压状态下喷进入口, 通过 拉瓦尔喷嘴加速至超音速状态, 然后在喷嘴出口 处形成极低压区( c - d) . 这时引射流体就会被低压 区从另一个入口引射进来( h - d) , 引射流体和工作 流体在混合室混合形成一股流体. 混合后的高速 流体经过扩压室减速, 同时压力升高( d - e) 形成了 一股中等压力的流体. 与从 AAV 以及 AAHE 出 来的气体温度相比较, 喷射器中工作流体和引射 流体温度变化可以忽略不计. 接下来, 从喷射器出 来的气体流入涡流管中产生能量分离( e - f) . 借助 喷射器的引射作用, 在喷射器、 涡流管的冷端和空 温式 换热器之间形成了一个内部气体循环. 与RAW 系统一样, 在RAE系统中, 从涡流管热端 出来的流体温度直接达到管道要求( f - i ) , 同时冷 端温度下降( f - g) , 低温天然气继续通过 AAHE 从环境空气中吸热( g - h) . 1L NG 槽车;

2L N G 储罐;

3AAV;

5调压装置;

6 计量和加臭装置;

7 城市管网;

8 涡流管;

9AAHE;

1 0 喷射器;

1 1L N G 低温泵 图3 带有 R A E的LNG 汽化流程 F i g .

3 L N Gr e g a s i f i c a t i o np r o c e s s e sc o m b i n e dw i t hR A E ( a ) t - s图(b)p-h图 图4 带有 R A E的AAV 汽化系统状态分析 F i g .

4 S t a t ea n a l y s i s f o rAAVr e g a s i f i c a t i o n p r o c e s s e sw i t hR A E 由于喷射器和涡流管的入口及出口之间都存 在压差( 对于喷射器主要指工作流体入口和出口 之间的压差) , 从AAV 出来的气体要经历两个阶 段的压力下降( c - e, e - g 或e - i) , 才能满足管道的 压力要求. 在出现系统温升要求较高时, 现有的 AAV 出口压力和管道允许压力之间的差值可能 不足 以驱动RAE系统. 因此在LNG 储罐和331第2期 郭向吉等:采用涡流管和喷射器的新型 L NG 汽化加热系统 AAV 之间需要设置一个 L NG 低温泵用以提高 天然气压力( a '

- a) . 在进入喷射器之前, 天然气在 AAV 中始终保持高压状态( a - b - c ) . 为了更好地理解 R A E 系统, 可以把它看成 是由涡流管、 AAHE和喷射器组成的一个额外加 热器, 喷射器的工作流体入口为加热器入口, 涡流 管热端出口为加热器出口. 加热器以环境空气作 为热源, 在加热器中, 气体压力下降的同时温度升 高. 此外, 泵功的输入可以提高系统的加热性能. 天然气通过泵的作用, 压力得到提升. 在RAE系统中可以实现几十摄氏度的温升, 此时无须水浴 加热器加热天然气, 即可实现显著的节能效益和 零污染排放.

2 系统分析 2.

1 系统假设 为了对这两种新型系统进行定量评估, 必须 做出一些假设: (

1 ) 流动工质为纯甲烷, 即天然气为100% CH4;

(

2 ) 不考虑喷射器中气体温度的变化;

(

3 ) 涡流管的冷热端出口气体压力视为一致 大小;

(

4 ) 所有设备的压力损失忽略不计, 且设备绝 热;

(

5 ) 水浴加热器的换热效率为1

0 0%;

(

6 ) 涡流管和喷射器的性能受气体属性的影 响可........