[发明专利]一种基于SCV烟气均布器强化绕流装置的传热强化方法

说明书

一种基于SCV烟气均布器强化绕流装置的传热强化方法，通过采用蛇形传热管束，按构型几何特征分段测算评价的方法，精确地估算蛇形传热管束内外传热性能，若某段位置管内或管外传热性能较差，则预示可能存在结冰或传热不良，据此给出控制指令启动摆动式强化扰流装置，对目标区域附近的水浴进行有效扰动，提高气液两相流的流动雷诺数Re，从而避免采用增加烟气供给量的方式提高流动雷诺数Re，在不增加燃料气消耗、不增加压力喷射损失的同时使得烟气与水浴得到充分换热，从而提高烟气与传热管的传热效率，最终实现提升LNG气化率、降低SCV系统总体运行能耗的效果。

技术领域

本发明属于LNG气化器技术领域，特别涉及一种基于SCV烟气均布器强化绕流装置的传热强化方法。

背景技术

LNG气化器是LNG气化站乃至整个接收终端的核心设备，其作用是将-163℃的LNG转化为常温气体，提供给用户使用。浸没燃烧式气化器(SCV)是一种水浴式气化器，具有初期投资少、启动迅速、运行可靠、不受天气等外界因素影响的优点，在LNG接收站的日常调峰，特别是冬季应急调峰中具有不可替代的地位。申请公开号为US7168395B2的美国发明专利公开了此种浸没燃烧式气化器，其主体结构由换热管束、壳程围堰及水浴、浸没燃烧器、燃烧室、烟气均布器、烟囱等部分组成。图1为现有技术中的燃烧式气化器SCV系统示意图，图中，1-燃料气NG进口；2-空气进口；3-燃烧室；4-水浴；5-烟气均布器主体；6-烟气喷射孔；7-围堰；8-蛇形传热管束；9-LNG进口；10-NG出口；11-烟气出口；SCV系统工作时，燃料气在燃烧炉内燃烧，产生的高温烟气经过烟气均布器后，直接与水接触传热，形成气液两相混合物，然后由气液两相混合物提供蛇形传热管束内LNG气化所需的热量。SCV系统运行时能耗较高，燃料气的消耗量可达到其总负荷的1％～2％，如能采取措施提高SCV的换热效率，则可有效减少燃料气消耗，将对节能降耗具有重要意义。

由于SCV系统运行时蛇形传热管束内的LNG温度极低，如果直接降低燃料气的消耗量，管束外极易结冰。管束结冰后，水浴烟气形成的气液两相混合物和传热管内LNG间的热阻随着冰层厚度增长快速增大，导致换热效率显著降低，SCV系统运行效率持续下降，造成能耗增加；此外，结冰产生的较大拉应力和压力易导致管束变形，增加换热管束支撑件的荷重，破坏水浴内的换热流场，严重时可能导致SCV系统无法正常运行。综上可以看出，防止蛇形传热管束结冰对于提高SCV系统中的LNG蛇形传热管束与水浴的传热效率，进而提升SCV系统性能具有十分重要的意义。

SCV系统中，LNG蛇形传热管束由直管段和弯管段组成，如图2所示，其在水浴中的传热性能及传热机理存在明显不同，需要分段对其传热过程进行估算，判定浸没燃烧式气化器各管段的传热性能和气化运行状态，据此采取增强水浴扰动等技术手段强化传热，提高蛇形传热管束与水浴间的传热效率。影响管束平均传热性能的因素有流动雷诺数Re以及流体普朗特数Pr，由于流体普朗特数Pr与水浴介质的固有属性有关，难以改变，故只能通过提高流动雷诺数Re来强化水浴气液两相流与蛇形传热管束外壁面之间的对流换热，从而抑制冰层产生、实现传热性能增强、提高LNG气化率。对于与蛇形传热管束外壁面接触的水浴而言，其扰动是由烟气均布器喷射烟气射流，在水浴中形成浮升气泡，致使水浴形成气液两相急湍而产生的，因此提高流动雷诺数Re，也就是要增加烟气在水浴中的扰动度，提高水浴的湍动能，使得传热管壁面的热边界层厚度减小，从而达到强化对流换热的目的。现有的烟气均布器一般为固定式管状平孔喷嘴构型，喷射角度单一，气体射流扰流有限，若单纯通过提高烟气喷射速度增加水浴扰动，会导致SCV系统运行能耗明显增加，同时对LNG蛇形传热管束的传热性能提升效果欠佳，并不能有效解决此问题。再之，目前SCV系统为封闭“盲盒”结构，只通过观测LNG气化率及出口温度判断其宏观运行状态，并不探究其内部传热管各管段的详细运行状态，所以如何评估SCV详细运行状态，估算蛇形传热管束传热弱化及结冰区域，并在此区域适时调整烟气喷射角度使得水浴扰动度有效提高，进而强化LNG蛇形传热管束与水浴间的传热性能以提高LNG气化效率，是迫在眉睫需要解决的问题。

发明内容