LNG加气站成套气化装置设计图文.docx
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LNG加气站成套气化装置设计图文
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前言
天然气是一种极为理想和相当安全的能源，20世纪后期以来为了消除传统汽车燃料给环境，尤其是城市大气造成的巨大污染，许多国家除了采取加强产业技术升级，严格排放法规等措施外，还积极开展清洁燃料汽车的开发和推广工作，目前已经在天然气，燃料电池，醇类燃料，氢能，太阳能等领域取得了丰硕的成果。
相比之下，天然气汽车技术的发展尤其引人注目。
在几十年的发展过程中，完成了从机械控制到电子控制，从进气道预混供气到电喷供气甚至缸内直喷供气的技术升级。
根据不同的燃料储存形式，天然气汽车（NGV）又分为压缩天然气汽车（CNGV），液化天然气汽车（LNGV）和吸附天然气汽车（ANGV），其中CNGV的车用系统发展比较成熟和完善，LNGV在20世纪90年代也已开始小规模推广使用。
从使用效果来看，LNGV弥补了CNGV很多不足指出，具有良好的推广使用价值。
现在CNG汽车已经在国内广泛使用，CNG是指主要由甲烷构成的天然气在25Mpa左右的压力下储存在车内类似于油箱的气瓶内，用作汽车燃料。
传统的工艺过程在CNG汽车站将0.3~0.8Mpa低压天然气，经过天然气压缩机升压到25Mpa，由顺序控制盘控制，按高、中、低压顺序储存到储气钢瓶组，再由CNG加气机向汽车钢瓶加注。
而汽车钢瓶高压气再经过减压装置减压后经燃气混合器向发动机供气。
燃用压缩天然气（CNG）与燃用汽油相比具有以下优点：
1）节约燃料费用，降低运输成本。
1立方米天然气相当于1.1-1.3升汽油；
2）比燃油安全性高，CNG自燃温度为732℃，汽油自燃温度为232~482℃。
同时天然气相对空气的比重仅为0.6~0.7。
一旦泄漏，可在空气中迅速扩散，不易在户外聚集达到爆炸极限。
同时CNG是非致癌、无毒、无腐蚀性的，有记录以来未发生过重大燃烧和爆炸事故。
从国内使用十多年CNG的经验来看，天然气汽车比燃油汽车更安全；
3）CNG燃料抗爆性能好。
CNG的抗爆性相当于汽油的辛烷值在130左右，而目前使用的汽油辛烷值最高仅在96左右，所以CNG作为汽车燃料不需添加抗爆剂；
4）CNG汽车具有很好的环保效果。
使用CNG替代汽油作为汽车燃料，可
-2-使CO排放量减少97%，CH化合物减少72%，NO化合物减少39%，2CO减少24%，2SO减少90%，噪音减少40%。
而且CNG不含铅、苯等制癌
的有毒物质。
所有CNG是汽车运输行业解决环保问题的首选燃料；
5）燃用CNG可延长汽车发动机的维修周期。
汽车发动机以CNG为燃料，发动机运行平稳，噪音低。
无重烃可减少积碳，可延长汽车大修理时间20%以上，润滑油更换周期延长到1.5万千米。
提高了发动机寿命，维修费用降低，比使用常规燃料节约50%左右的维修费用。
技术成熟的CNG汽车技术虽然有燃料价格，操作，安全，维修，环保等方面的优势，但却并没有使CNG汽车占有很大的市场份额。
这主要是由CNG储气方式本身的缺陷导致的。
因为CNG储气的特点，决定了其一次加注行驶的距离短，要想使CNG汽车真正进入商业运输，需要巨额的资金投入以建设足够数量的CNG加注站。
如果加气站数量不够，客户会因为担心找不着加气站而放弃CNG汽车，已建成的加气站也会由于没有足够的客户而陷入停顿。
而这一切问题在LNG汽车出现之后迎刃而解，天然气液化后，其密度为标准状态下甲烷的600多倍，体积能量密度约为汽油的72%，为CNG的两倍多，因而LNG汽车解决了CNG汽车存在的行程太近的问题。
天然气在液化前必须经过严格的预净化，因而LNG中的杂质含量远低于CNG，这使得汽车尾气排放满足更高标准成为可能。
LNG燃料储罐在低压下运行，避免了CNG因采用高压容器带来的潜在危险，同时也大大减轻了容器本身的重量。
因而LNG汽车是21世纪天然气汽车发展的重要方向。
几乎平行发展的CNG汽车和LNG汽车技术面临的一个共同问题就是没有足够的服务站与之配套。
而传统的CNG加气站不能为LNG汽车服务，LNG加注站也不能产生CNG，这使本就不足的天然气汽车服务站更加分散。
所以寻找一种兼容两种天然气汽车的服务站就成为当前天然气汽车发展的迫切需要。
基于LNG在储运上的优势，基本的技术构想是采用LNG作为基本运输物，在LNG气化站（LCG）中气化后成为CNG，这样既可以为CNG汽车服务亦可为LNG汽车直接加注LNG，一举两得，如果可以实现这一气化站技术，将会大大加快天然气汽车的普及速度，更好的为绿色奥运，和谐环境，和谐世界服务。
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第1章气化器技术综述
LCG加气站的主要设备除去必不可少的LNG储罐，气化器，高压气瓶外，其它设备由具体工作流程决定。
在这三个主要设备中气化器是整个加气站的核心，加气站的设计实际上就是根据需要设计合适的LNG气化器。
现在国际上通用的气化器总体上来说分为四大类：
空气加热型气化器，开架式气化器，燃烧式气化器以及有中间流体的气化器。
下面就分别详细介绍这四类气化器的原理与大体结构。
1.1空气加热型气化器
所谓空气加热型气化器就是指直接利用空气中蕴含的热能气化LNG的技术。
传统的空气加热型气化器多采用翅片管的外型或其它伸展体表面直接与空气进行热交换，达到把液态天然气气化的目的。
管外利用翅片加强换热，管内LNG自下而上流过气化器，这样就可以吸收空气中的热量实现LNG的气化。
但这种类型的气化器受环境条件的影响较大，比如温度和湿度的影响。
另外，这种气化器的气化能力还受到当地的最低温度和最高湿度的影响，它无法避免结冰现象的发生，结冰过多会减少有效的传热面积和堵塞空气的流动。
空气加热型气化器的上限一般在标准状况下是1400hm/3。
由于没有燃料消耗，所以结构简单，运行费用低，但单位容量的投入费用较高，而且最大气化能力相对是比较低的。
图1-1日本空气加热型气化器内部结构
-4-国内苏州新锐公司生产的系列气化器是利用空气自然对流加热换热管中的LNG，其工作压力：
0.8-25.0MPa单台流量：
50-3000hNm/3，其主要优点在于：
◆无能耗、无污染、绿色环保
◆安装简便、维护方便
◆专用铝材换热，高效、轻量化设计、使用寿命长
◆特殊的Φ160或Φ200超大直径专用铝制换热管，化霜速度极快，有效的内翅片结构，大大提高换热管的换热效果
◆“桥”式连接元件美观大方，工作时消除各部位热胀冷缩产生的应力；◆进行特殊的换热管表面抗氧化处理工艺；
◆优化流程设计，使压降降到最低，绝无偏流现象，保证流速控制在安全范围以内；
◆充足的设计裕量；
◆所有气化器完全按照服务标准进行清洗和制造，使用更安全；◆可按电子级标准设计、制造；
◆设计条件：
温度-10°C、相对温度70%，连续使用8-12小时的气化量。
图1-2国产空气加热型气化器外观
-5-1.2开架式气化器
用水作热源的LNG气化器应用很广，特别是海水中蕴含着大量的低品位热能，这种热能虽不能当作能源，但对天然气气化来说却有着积极的意义。
开架式气化器ORV（OpenRackVaporizer）就是以海水为能量来源的大型天然气气化装置。
整个气化器用铝合金支架固定安装。
气化器的基本单元是传热管，由若干传热管组成板状排列，两端与集气管或集液管焊接形成一个管板，再由若干个管板组成气化器。
气化器顶部有海水分布喷淋装置，海水喷淋在管板外表面上，依靠重力作用自上而下流动。
液化天然气在管内自下而上反向流动，在这个过程中通过管壁换热气化LNG。
与空气式气化器相比，ORV的气化能力大增，最大天然气流量可达180t/h，气化成本相似，操作也很简单。
它的问题主要是对地理位置要求高，厂址要求临近海边或者大型湖泊，河流，而且这种气化器的气化能力也会受到气候等因素的影响，随着水温的降低，气化能力下降。
通常气化器的进口水温的下限大约为5℃，开架式气化器对水质也有要求，为了避免水产生物在气化器管壁上生长还需要对进入的水进行预处理，而这一过程加入到水中的氯离子会对环境产生不良影响，设计时需要详细了解当地水文资料还有水产生物的生长情况。
开架式气化器基本的工作流程和大体结构可以参看图1-3。
图1-3开架式气化器原理示意图
-6-1.3有中间流体的气化器
所谓有中间流体的气化器就是指在气化天然气过程中在液化天然气与空气或者与水换热之间加入中间介质，这里的中间介质可以是盐水，丙烷，丁烷，氟利昂等。
有中间流体的气化器有效的避免了结冰现象和冒“白烟”现象。
实际使用的气化器典型传热过程是由两级换热组成：
第一级是由LNG和中间流体进行换热；第二级是中间流体和热源换热。
这样热源就不存在结冰问题，可以采用多种热源比如工厂废热产生的热水，同时对海水温度的要求也不存在了。
一换热器
二换热器
图1-4中间流体气化器原理示意
成熟的中间流体技术主要有三菱公司的闭式循环液化天然气气化装置（Closed-CirculationLNGVaporizationEquipment）。
该设备的工作流程图如图1-5。
工作过程中盐水在加热塔中先行加热然后进入盐水储罐，再经过盐水泵进到盐水加热器再次加热，最后进入气化器与干空气换热；LNG则直接进入气化器通过与干空气的换热，吸热气化成天然气。
整个过程避免了LNG与热源的接触，同时采用易得的干空气作为中间流体，既解决了结冰问题又使得成本比起采用乙二醇，丙烷，丁烷等小得多，而且不存在中间流体有毒带来的诸多问题。
闭式循环空气汽化器在改进空气加热型气化器原有缺点的同时保持了固有优点，在总本增加不多的情况下较好的解决了经济性和环境适应性的矛盾。
整套装置结构紧凑，效率高（1t/h/unit）。
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图1-5闭式循环工作流程图
图1-6闭式循环气化器外型（2300mmx2600mmx1100mm）
-8-1.4燃烧加热型气化器
燃烧加热型气化器主要用途是在大型气化站中充当调峰型气化器的角色。
现在的成熟技术主要是日本住友公司的SMV浸没式燃烧气化器（SubmergedCombustiontype，其原理是采用一个燃烧器，直接向水中喷射，由于燃气与水直接接触，燃气激烈的搅动水，使传热效率非常的高。
水沿着气化器的管路向上流动，LNG在盘在水中的蛇管中吸收热量气化，气化装置的总的热效率在98%左右。
每个燃烧器每小时有105GJ的加热能力，因而生产能力大，燃烧气化器的启动相当迅速，负荷在10%-100%内可调。
当然运行成本方面的先天问题使它只能成为调峰型气化器。
其主要工作示意图参看图1-7。
图1-7浸没燃烧式气化器
1.5蒸气加热型气化器
蒸气加热型气化器是液化天然气运输船上的重要装置，它的气化能力不是最主要设计的指标。
它具有多功能的特点，可以置换惰性气体，紧急供应少量天然气，加压卸货，气化惰性气体。
由于其不是毕设的主要方向故不做过多介绍。
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1.6专利新技术
作为21世纪清洁能源的天然气，世界上有很多公司个人都致力于解决天然气汽车推广使用当中存在的一系列问题。
这其中有很多专利技术可以为气化站的设计提供解决问题的思路。
1.6.1空温LNG气化装置的改良（申请号200610017337.9）
图1-8改良气化器结构
（1-LNG2-混合器3-混合流体4-空气气化器5-控制阀6-输出管线7-天然气回流管8-循环泵）
空温式液化天然气气化器又称空气加热型气化器主要有混合器，液化天然器气化器，循环压缩机，安全阀及管线阀门阀件等连接而成。
该项技术在原有气化器的工作流程上游增加了一个使已经气化的天然气回流与低温液化天然气混合的混合器，从而提高液化天然气操作温度，防止结冰现象的出现，保证了空温式液化天然气气化器的气化效果和连续运行。
1.6.2LNG气化器（申请号200480037440.9）
该技术实际上还是采用中间流体的又一种形式，通过两个换热器的搭配，避免了水与低温的液化天然气接触，杜绝了结冰的出现。
同时它的流程比较详尽，冷凝器的引入实际上起到辅助气化器的作用，通过有效的控制可以节省加热水塔中水的能耗。
具体的流程是这样的，
水塔中间的水通过泵驱动进入第一换热器与中间循环
-10-流体接触后回到水塔，水塔中的水可以采用各种手段加热或者直接为环境水。
而通过加热的中间循环流体在通过泵的驱动进入第二换热器与LNG直接换热。
回流的中间循环流体分两路，一路通过冷凝器与空气换热，一路直接回到第一换热器。
LNG则在第二换热器中直接气化为天然气同时分出一个回路与进入第二换热器的LNG混合。
LNGP-17
图1-9专利技术工作流程图
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第二章气化器方案确定
2.1气化器方案
我国地域广大，气候多样，从上一章的介绍中可以得知四种主要的气化器技术中空气加热型气化器和中间流体式气化器相对其它技术更加适合小型场合使用。
空气加热型气化器存在的一个主要问题是无法从根本上消除结冰现象的出现，尤其是在低温条件下使用时，一旦空气湿度达到一定程度，气化器外壁面的结冰现象就难以避免，而出现结冰现象后又会进一步加剧换热条件恶化，使得壁面上的霜越来越多，最终导致气化器无法正常工作。
为了能在我国广大的区域内适应多样的环境，必须对这一固有缺陷进行改进。
表2-1气化方式优劣比较
中间流体型气化器存在的主要问题是中间流体的选择受到很大限制，如果选用乙二醇，氟利昂等介质会使整套设备的价格上涨，不能适应大规模气化站建设的需要，所以必须寻找一种价格低廉，同时又能适应LNG低温气化需要的导冷介质。
日本三菱公司的闭式循环LNG气化系统采用干空气作为中间介质，干空气具有廉价易得的主要优点，虽然导热能力不强，但考虑到LCG加气站的气化量偏小，所以拟采用干空气作为中间流体。
参考日本三菱公司的闭式循环气化器的方案，考虑到国内没有已经量产化的直肋型翅片管可供选择，所以采用环形肋片代替三菱公司产品中的直肋翅片蛇管。
气化器内部结构也随之改变，原来采用的垂直蛇管布置方法失效，需要重新设计。
环肋横向布置的翅片管需要空气垂直穿过管板，所以管排只能与地面平行布置，其它结构基本相同，具体示意图参看图2-2：
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图2-1环形翅片管
整个气化器方案宏观上采用两级换热，一级为干空气与LNG，二级为干空气与盐水。
初步设想把两个换热器整合在一起放置于干空气的循环风道中，在循环风机的驱动下干空气快速通过管板与管内的LNG或盐水换热从而达到气化LNG的目的。
图2-2气化器结构图
重新设计后确定最终的气化器方案如上图所示，该方案采用干空气作为中间流体，而盐水的加入在降低成本的同时提高了装置的适用性，只要盐水不凝结该装置可以在一切可能条件下使用。
工作时盐水先行与环境换热达到环境温度，然
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后进入气化器与干空气换热，干空气再在循环风扇的驱动下与翅片管中的LNG换热，从而实现气化LNG的目的。
整个装置安装在一个由非承重材料搭建的密闭空间内，系统中的两个换热器整合在一个结构框架中使得整套设备紧凑而且高效，相比日本三菱公司的设计，采用环形翅片管后用一个大的复合板式换热器代替了两个分离式换热器，整个设计更加紧凑，但同时也使得设备的清洗和维护更加困难。
图2-3机组装配图
2.2工作流程确定
工作流程主要包括两个主要部分，一是加气站内LNG从接收到加给CNG汽车的流程，二是气化器的循环工作流程。
加气站要实现同时为LNG汽车和CNG汽车服务的设计要求，就需要把气化后的天然气加压至22MPa-25MPa，达到这一要求有两种办法。
一是采用压缩机把气化后的天然气加压至额定压力，另外一种办法是采用高压泵在气化前把LNG流体
-14-加压至额定压力。
因为在质量流量和压缩比相同的条件下，低温泵的投资，能耗，占地面积等，均远小于气体压缩机。
所以采用第二种加压方案，即采用低温泵加压流体后进入气化器。
加气站正常工作时，经由槽车运送的LNG进入到加气站的LNG储罐中，一部分自然气化后为储罐提供一定的压强（压强大小由LNG汽车需要决定）LNG储罐中的压强可以使LNG储罐直接为LNG汽车加注LNG，另外的LNG从储罐中流出，经低温泵加压至22MPa-25MPa后进入气化器，气化后直接进入高压CNG气瓶等待输出到CNG汽车。
图2-4气化站工作流程示意图
气化器的组成结构在上一个小节中已经仔细讨论过，本节旨在阐述气化器工作中各种流体之间的相互配合和有关设备的大体放置方位。
气化器中一共有三种流体：
LNG，盐水，干空气。
其中盐水和干空气是需要循环再利用的工质，所以必须有配套设备使得这一循环可以实现。
盐水循环的主要设备包括盐水循环泵，加热塔，盐水储罐以及相应管路系统。
工作过程中盐水在盐水泵的驱动下在加热塔，盐水储罐，气化器之间循环，在加热塔中与空气换热吸收热量，循环至气化器中再与干空气换热放出热量。
干空气的循环相对简单的多，在密闭的气化器中，循环风机驱动干空气不断与管板中的LNG和盐水换热，工作状态稳定时，整个系统达到一种热平衡。
设备安装过程中应该以气化器为核心，其它设备在满足安全标准的基础上就近安装，LNG低温高压泵最好安装在气化器密闭空间内，这样就可以有效防止由于LNG泵的外壳结霜而影响正常的设备维护和检修的情况发生。
LNG储罐与气化器应该按照有关设计标准安装在围堰内，以防止LNG泄露之后四处漫延造成严重后果。
加热塔布置在尽量远离气化器的位置上，安装过程中优先挑选整个站址中最开阔而且最好不要被建筑物和植物遮挡阳光的地方。
其它设备可以根据现场需要灵活布置。
具体的布置示意图参看图2-5。
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图2-5LNG气化循环示意图
-16-第三章气化器设计计算
3.1宏观设计条件：
1原始介质，常压（101325Pa）液态天然气（当作纯甲烷计算）1T=111.63K；2气化量1200N3m/h；0.772Kg/N3m（标准状态为一个大气压，20℃）3气化输出压力22~25MPa；
4气化输出温度-10~45℃,计算中取（0T=20℃）；
5液体比焓LH=-286.59KJ/Kg，蒸气比焓GH=223.83KJ/Kg；
液体比熵LS=4.9919KJ/Kg.K;蒸气比熵GS=9.5643KJ/Kg.K气体比定压热容取PC=1.62KJ/Kg.K（101325Pa
3.2基本热力学计算：
首先LNG气化为蒸气，单位质量LNG在该过程中吸收热量为1q；
1q=（GH-LH）+（GS-LS）=（223.83+286.59）+（9.5643-4.9919）=514.9924KJ/Kg
蒸气定压升温为环境温度过程中单位质量LNG吸热量为2q；
2q=PC（10TT-）=1.62⨯182=294.84KJ/Kg
所以整个气化过程吸热量为：
q=1q+2q=809.8324KJ/Kg
与《液化天然气技术》254页得出的830KJ/Kg相近，误差在3%以内。
标准工况下每小时需要热量：
Q=809.8324⨯1200⨯0.772=749457.6KJ，热负荷功率为208KW。
3.3换热计算条件假设
1）盐水温度下降幅度的确定，现确定下降温差为5=∆t℃
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2）换热器中的最小温差选5min=∆t℃
3）确定气化器工作温度范围，LNG临界温度为192.85K，也就是说换热后的LNG只要达到192.85K就不会出现气化不彻底的情况，同时根据载冷剂物性参数，参考我国常年气象统计数据，确定工作温度范围为-45℃~50℃。
在此条件下只有
2
CaCl
在质量浓度大于29.4%时才能保证在零下50度时不凝固。
4）整个过程中干空气在风扇的搅动下流速相对于整个换热空间来说是极快的，所以假设在换热空间内空气都保持一个稳定的温度。
整个气化器内流体温度沿流程变化示意图：
图3-1换热器内流体温度变化
由于低温情况时传热温差最小，需要换热面积最大，所以气化器设计能否满
足传热要求取决于能否通过在最低温度条件下进行的校核计算。
以下换热器设计计算采用环境温度为设计下限即零下45摄氏度。
3.4第一换热器（干空气与LNG）
环境温度为-45℃时计算对数平均温差：
8.335
107ln5107lnmin
maxmin
max,
=-=
∆∆∆-∆=
∆tttttm℃（3-1）
-18-根据一次交叉流，两种流体不混合的设计条件，修正系数ψ=0.95（P=0.95，R=0）
11
.328.3395.0,
=⨯=ψ∆=∆mmtt℃
以外径为25毫米的低温不锈钢0Cr18Ni9管试算：
壁厚按公式D
SRP2=计算：
P=压力；D=公称外径；S=公称壁厚；
R=许用应力（205MPa）；S=1.524mm
取管壁厚为2mm，则内径为21mm，0Cr18Ni9的导热系数λ=15W/m.k，（XSFUL浮头式）管束参数为：
钢管：
外径mmd250=，管壁厚mm2=δ，铝管壁厚mm1=ζ；铝肋片：
片厚mmf3.0=δ，肋片间距mme5.2=，肋片高度mml5.11=；管簇：
2排管，叉排，管间距mmsmms50,5021==；计算单位管长的参数值：
每米管长的肋片表面积fF:
m
dFf/1.178m
400
10
187524
5
.2100024
D4
2
6
2
02
=⨯⨯⨯⨯=
⨯
⨯-
=-=-π
π
π
（
钢管外径截面积铝肋片面积每米管长肋片基管面积pF：
m
edFfp/0.069m
10
4002.22514.35
.21000（2
6
0=⨯⨯⨯⨯=⨯-=-δπ
每米管长总外表面积：
m
mFFFpfo/247.1069.0178.12
=+=+=
选取迎面风速为2.5sm/，则最窄面平均流速为：
smu/5.4=；最窄面空气质量
-19-
流速/（5.71//5.112/5.2（223maxsmKgmmKgmmsmG⋅=⨯⨯⨯=
空气横掠翅片管管外换热系数oh的确定，参考布利格斯（Briggs）和杨
（Young）对正三角形排列的圆形翅片管束的管外空气侧换热系数进行研究获得的，以翅片外表面积为基准的换热系数计算式：
296
.0333
.0718
.0max1378.0⎪⎭
⎫⎝⎛⎪⎪⎭
⎫⎝
⎛⎪⎪⎭
⎫
⎝
⎛⨯
=leCGddhpoooληη
λ（3-2）
./（1004.22KmW-⨯=λ；/（10
156
smKg⋅⨯=-η
/（013.1KKgKJCp⋅=；
/（5.72
maxsmKgG⋅=
计算得到管外换热系数：
53.1W/（m
2
Kho⋅=
管内的换热比较复杂因为在气化过程中存在相变的问题所以管内热阻的计算得分为两部分分别计算。
总的热负荷也应该分为LNG气化潜热1q和天然气气体吸热2q两部分，在环境温度为零下45℃时：
1q=（GH-LH）+（GS-LS）=514.9924
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