LNG梯级汽化器工艺设计与分析

答辩人：马晓龙指导老师：赵忠超ProcessDesignandAnalysisofLNGCascadeVaporizerLNG梯级汽化器工艺设计与分析江苏科技大学能动学院JiangsuUniversityofScienceandTechnology目前一页\总数二十三页\编于十四点CONTENTS142536研究背景热力分析技术思路设计计算结构设计结论RESEARCHBACKGROUNDSTECHNICALTHOUGHTSSTRUCTUREDESIGNTHERMALANALYSISDESIGNCALCULATIONCONCLUSION目前二页\总数二十三页\编于十四点1研究背景RESEARCHBACKGROUNDS目前三页\总数二十三页\编于十四点从2004年到2013年，我国天然气消费量始终保持着10%以上的快速增长，9年间的平均增量为138亿立方米，平均增长速度17.0%。截至2015年，我国天然气消费量快速增长，表观消费量达到1933亿立方米；1研究背景RESEARCHBACKGROUNDS分析1LNG动力船分析3分析2IMOTierIII汽化装置目前四页\总数二十三页\编于十四点汽化装置开架式汽化器

空温式汽化器

浸没燃烧式汽化器

带中间传热介质的汽化器

1研究背景RESEARCHBACKGROUNDS目前五页\总数二十三页\编于十四点2技术思路TECHNICALTHOUGHTS目前六页\总数二十三页\编于十四点存在问题思路通过分析目前汽化器存在的问题以及船用汽化器的特点，选择梯级汽化器的热源、中间换热介质、传热体结构等，提出梯级汽化器的汽化方案，得到汽化器结构的初步设计。换热介质结冰换热管结霜消耗部分能源热源传热体中间传热介质2技术思路TECHNICALTHOUGHTS目前七页\总数二十三页\编于十四点2技术思路TECHNICALTHOUGHTS热源选择选择一选择二用于冷却船舶主机的淡水，其热量一般排放到环境中。缸套冷却水十分常用的环境热源，但是会导致一些问题。海水、空气比较结果采用缸套冷却循环水作为热源，不仅减小海水温降，保护海洋生态环境，而且水质相对海水对设备腐蚀小，同时有效利用废热，产生一定经济效益，对可持续发展有着重要意义。目前八页\总数二十三页\编于十四点2技术思路TECHNICALTHOUGHTS冷媒R290R717R134aR404AR407cR410AR22组成C3H8NH3CH2FCF3R125/143a/134a,44/52/4R32/125/134aR32/125,50/50CHF2Cl标准沸点（ºC）-42.17-33.35-26.2-46.5-43.6-52.5-40.84凝固温度（ºC）-187.1-77.7-101.0---155-160.0临界温度（ºC）96.8132.4101.172.187.372.596.13临界压力（MPa）4.25611.524.063.7284.8204.954.986临界比体积（10-3/kg）4.464.131.942---1.905ODP0000000.04-0.05GWP20014303900150021001810几种冷媒的热力性质比较中间传热介质目前九页\总数二十三页\编于十四点2技术思路TECHNICALTHOUGHTS热虹吸管传热体选择传热体作为汽化器中热量交换的重要媒介，其换热能力的强弱决定了汽化器的各项性能指标，本文所设计的汽化器采用热虹吸管作为传热体，其相对于传统传热管具有以下优势。传热效率高

在众多的传热元件中，热管是目前已知的效率最高的传热元件之一，由于采用相变换热，也可满足小温差下的传热；尺寸形状不受限制可以根据实际需求制成需要的尺寸及形状，同时换热效率不会受到影响，且均温性能优异，热源可以分散在整个热管长度之上；价格低廉热管的批量生产降低了其生产成本，如上世纪90年代为PC散热的热管成本大约是10至15美元，目前已经大幅减少到不足1美元。目前十页\总数二十三页\编于十四点3结构设计STRUCTUREDESIGN目前十一页\总数二十三页\编于十四点3结构设计STRUCTUREDESIGN目前十二页\总数二十三页\编于十四点4热力分析THERMALANALYSIS目前十三页\总数二十三页\编于十四点4热力分析THERMALANALYSIS热网络法热网络法，也称为热阻热容法、热节点网络法，是一种类比与电路中电阻的分析方法。目前这种方法已经广泛的应用在航空航天、建筑、医学和制冷等众多领域。热网络法提供了一个相对简单且直观的解决方案，因此本文采用热网络法作为汽化器中换热问题的基本研究方法，通过对汽化器中各部分元件热阻的分析，从而设计计算各部分的设计参数，得到汽化器的换热性能等指标。目前十四页\总数二十三页\编于十四点1热源到蒸发端外表面传热热阻Re,inter4热力分析THERMALANALYSIS2蒸发端管壁径向导热热阻Re,w3蒸发端的内部蒸发作用引起的热阻Re,in4由热虹吸管内部蒸汽压降引起的热阻Rv5绝热段轴向管壁传热热阻Ra,w6绝热段轴向管壁液膜传热热阻Ra,in7冷凝端的内部冷凝作用引起的热阻Rc,in8冷凝端管壁径向导热热阻Rc,w9冷凝端外表面到冷源的传热热阻Rc,inter目前十五页\总数二十三页\编于十四点4热力分析THERMALANALYSISLNG流体核状沸腾换热丙烷蒸汽膜状冷凝传热丙烷流体核状沸腾换热天然气横掠圆管缸套冷却水横掠圆管丙烷蒸汽横掠圆管汽化区过热区目前十六页\总数二十三页\编于十四点5设计计算DESIGNCALCULATION目前十七页\总数二十三页\编于十四点5设计计算DESIGNCALCULATION5m³/h汽化流量丙烷-163ºCLNG20ºC25ºC20ºC0.35MPa0.648MPa3000m³/h缸套水80ºC30ºC0.60MPa主要参数数值船长（m）330型宽（m）60载重（t）296600设计吃水（m）21.5运营航速（kn）15.6主机功率（kw）24000LNG储罐容积（m3）2257.48LNG动力船主要参数目前十八页\总数二十三页\编于十四点5设计计算DESIGNCALCULATION计算步骤14253根据能量守恒原则，在考虑一定热损失的情况下，计算各状态点参数；热平衡计算

计算单根热虹吸管总热阻，然后根据对数平均温差法，求得在汽化区需要的热虹吸管数量；汽化区换热计算

采用类似与热管换热器的压力降计算经验公式，求出三个腔体的压力降。压力降计算

包括对热虹吸管的管径选型，管子的排列和换热腔体的横截面积计算；几何参数设计

计算单根热虹吸管总热阻，然后根据对数平均温差法，求得在过热区需要的热虹吸管数量；过热区换热计算

目前十九页\总数二十三页\编于十四点5设计计算DESIGNCALCULATION主要参数数值汽化器直径（m）0.68汽化器长度（m）2.5LNG腔截面积（m2）/高度（m）0.12/0.2丙烷腔截面积（m2）/高度（m）0.12/0.17热源腔截面积（m2）/高度（m）0.12/0.2每排热虹吸管数量（根）16LNG汽化区纵深排数（排）/数量（根）34/544NG过热区纵深排数（排）/数量（根）3/48LNG侧压力降（Pa）3587.9丙烷侧压力降（Pa）922.3热源侧压力降（Pa）145.7汽化器主要参数汇总目前二十页\总数二十三页\编于十四点6结论CONCLUSION目前二十一页\总数二十三页\编于十四点1423由于采用了中间换热流体丙烷，可以有效的避免冰点问题，从而在很大程度上提高了梯级汽化器的汽化效率，保证装置的稳定运行;由于采用热虹吸管作为传热体，经过计算得出汽化器的结构尺寸相对同等汽化量的汽化器更小，适用于LNG动力船;热源来自船上主机缸套冷却循环水，避免了对海洋生态环境的影响，同时提高了热源的水质，降低了对汽化器的腐蚀；