一种采用梯级汽化技术的LNG汽化器

摘要

本发明公开了一种采用梯级汽化技术的LNG汽化器，所述汽化器利用隔板将汽化器壳体分为LNG换热腔、第一换热介质换热腔、第二换热介质换热腔；在腔体之间的隔板上设置有通孔，若干热管通过通孔穿伸于三个不同的腔体内，热管上还穿伸有若干翅片；LNG，第一换热介质以及第二换热介质分别流经各自换热腔体，通过热管作为传热体采用梯级温升的方法实现利用温度较高的第二换热介质使-163℃的LNG温度升高并实现汽化，通过合理利用热管的蒸发端和冷凝端，以及中间冷媒解决了LNG汽化过程中由于初始温度较低而引起的换热介质结冰从而导致汽化器汽化性能恶化等问题。利用调节第二换热介质的流量，匹配LNG汽化量，保证LNG汽化器高效，稳定运行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种汽化器，尤其是涉及一种采用梯级汽化技术的LNG汽化器，属于换热器领域。

背景技术

随着全球经济的发展，全球性石油资源的紧缺以及环境污染问题的日益严重，使得燃烧性好、污染小的天然气的消费量急剧增长，天然气常温为气体，不便于贮存和远距离运输，因此一般采用先将其转变为-163℃低温液体(LNG)，然后贮存和远距离运输。但在使用LNG之前，需要采用汽化装置实现将-163℃左右温度的LNG提高到5℃左右的天然气(NG)；

目前，用于LNG汽化汽化器主要包括以下类型：

(1)开架式汽化器，即LNG在该装置的传热管内流动，管外有海水喷淋装置喷淋海水于传热管，实现海水与LNG的热量的交换；该装置结构简单，换热体积大，直接利用海水与LNG进行换热，但由于LNG在换热过程显热交换温差大，释放冷量多，容易导致海水结冰，因此该装置汽化效率稳定性并不能得到保障。

(2)带中间传热介质的汽化器，即LNG与中间传热介质进行换热，中间传热介质与海水(或其他热源)进行换热，由于中间传热介质采用低凝固点的介质，保证了系统的稳定的运行；但由于需增加用于中间流动的装置，使得装置结构复杂。

(3)管壳式汽化器，该汽化器虽结构紧凑，但由于管壳式换热效率并不高且热源流量较大，并不能保证LNG汽化的稳定的进行。

申请号为200910307503.2的专利公开了一种制冷技术领域的组合热管换热器，该系统主要由箱体、隔板、若干热管和热管固定结构组成，其中：箱体的两端分别对应设有天然气进口管路、制冷剂出口管路以及制冷剂进口管路、液化天然气进口管路，隔板的一端固定设置于箱体内部一端的天然气进口管路和制冷剂出口管路之间，隔板的另一端固定设置于箱体内部另一端的制冷剂进口管路和液化天然气出口管路之间，热管固定结构固定设置于隔板上，热管与热管固定结构相连接并于隔板相垂直。本发明将换热流程划分为三个温区，根据每个 温区工作温度的要求选取不同沸点的热管工质，用以避免因为工作温度过低而引起热管工质的凝固，该技术从理论上解决大温差下LNG汽化。但是由于换热器内的工作温度会随着LNG汽化量和制冷剂的流量变化产生巨大波动，导致理论上划分的温区被破坏，使得在该工作温区内的热管由于工质沸点的局限使其失效，无法进行热量传递，进而使换热器效率降低影响LNG的汽化。

申请号为201310120847.9的专利公开了一种小型液化天然气汽化器，其结构包括壳体，壳体上设置有LNG进口、NG出口、冷媒进口及冷媒出口，壳体内设置有与LNG进口相连通的内管，其特征在于，内管外侧设置有套管，流经内管的液化天然气汽化生成天然气气体，天然气气体进入套管，作为中间介质运行于内管和套管形成的间隙内，并通过NG出口输出。但根据其所描述运行时是采用将通过绕管与冷媒换热温升后的NG作为中间冷媒用来再一次与LNG进行换热，由于LNG换热冷量释放大，在内管和套管形成的间隙内NG可能将会再一次被冷却为LNG，整个过程并不能满足LNG汽化的要求；若需满足LNG汽化要求该系统在运行时必须保证时必须要NG需具有较高温度且NG的生成量与LNG的汽化量完全匹配。但如该专利所描述，实际操作中这两方面是互相制约的，若在LNG汽化需求较高时，该系统由于LNG流量大，但NG在绕管得到热量不足以提供LNG的汽化，整个系统将会无法运行，且若冷媒温度过低，保证不了NG温度的需求，该系统也无法正常运行。而且该发明中设置有套管，而且采用绕管式换热器，设备较为庞大却无法达到相应的换热效率，因此本发明中提到的冷能损失少以及换热效率高的说法有待商榷。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术所存在的局限，提供了一种采用梯级汽化技术的LNG汽化器。该汽化器采用热管作为传热体，利用第一换热介质作为中间冷媒，通过合理利用热管的蒸发端和冷凝端，并采用梯级温升方法，解决了LNG汽化过程中由于初始温度较低而引起的换热介质结冰从而导致汽化器汽化性能恶化等问题，保证了LNG汽化的稳定进行；通过调节第二换热介质的流量，匹配LNG汽化量，进而实现运行工况的调节。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种采用梯级汽化技术的LNG汽化器，包括壳体4，所述壳体4内采用分别开设有多行多列通孔的第一隔板8和第二隔板14，将其依次隔分为在壳体4上分别对应设置有进、出口的LNG换热腔7、第一换热介质换热腔17和第二换热介质换热腔12；所述第一隔板8和第二隔板14一端的通孔中固定安装有贯穿LNG换热腔7、第一换热介质换热腔17和第二换热 介质换热腔12的第一热管2；另一端，所述第一隔板8的通孔中固定安装有贯穿LNG换热腔7和第一换热介质换热腔17的第二热管5，所述第二隔板14的通孔中固定安装有贯穿第一换热介质换热腔17和第二换热介质换热腔12的第三热管13。

本发明为保证热管换热高效性，在其外壁上套装有若干翅片，根据热管所处位置不同其上所套装翅片也有所不同：所述第一热管2的外壁上套装有若干水平翅片3；所述第二热管5贯穿在LNG换热腔7中一段的外壁上和所述第三热管13贯穿在第二换热介质换热腔12中一段的外壁上各自套装有若干水平翅片3；由于第一换热介质状态在换热过程中会发生改变，为防止液体滞留以及保障换热能够高效进行，所述第二热管5和所述第三热管13贯穿在第一换热介质换热腔17中一段的外壁上套装有垂直翅片9，其断截面形状为花瓣形。

本发明根据LNG在LNG换热腔7中温度变化(梯级温升)分为Ⅰ级换热区和Ⅱ级换热区：其中，Ⅰ级换热区内LNG吸收来自第二换热介质的热量从-163℃液态升温为低温气态NG，Ⅱ级换热区域内低温气态NG吸收来自第二换热介质的热量的升温为常温NG并由NG出口1排出，LNG通过在两换热区域的换热实现梯级换热。Ⅰ级换热区位于所述一端，其长度为所述第一隔板8和第二隔板14总长的1/3；Ⅱ级换热区位于所述另一端，其长度为所述第一隔板8和第二隔板14总长的2/3。

本发明所述第一隔板8和第二隔板14与壳体4为焊接连接，且壳体4为两端设有凸球面的圆筒形。本发明所述的第一换热介质通过热管与LNG直接进行换热，由于LNG汽化时释放冷量大，为保证第一换热介质在换热过程不会结冰，则需采用低沸点相变换热工质如丙烷；而所述第二换热介质无需考虑上述问题，即采用一般换热介质，如海水。

本发明为保证三种介质能够充分进行换热且实现LNG温度的逐步提高和避免第二换热介质因温度过低而导致凝固，LNG与两种换热介质在各自换热腔中流动时应为：第一换热介质与LNG为顺向流动，第二换热介质与LNG为逆向流动且所述第一隔板(8)和第二隔板(14)上的通孔的排列为交错网格式排列，其优选为正三角形或品字形排列。

本发明根据LNG汽化过程的汽化特性，通过合理组合和布置在不同换热腔内作为换热体的热管的蒸发端以及冷凝端来保证LNG汽化的稳定进行；总体来说，置于LNG换热腔7内第一热管2，第二热管5为热管的冷凝端；置于第一换热介质换热腔17内第二热管5为热管的蒸发端，第一热管2和第三热管13为热管的冷凝端；置于第二换热介质换热腔12内的第一热管2和第三热管13为热管的蒸发端。

本发明所述的LNG在LNG换热腔7中流动，与作为热管冷凝端的第一热管2和第二热管5进行换热，从而温度升高，实现LNG汽化；所述第二换热介质在第二换热介质换热腔 12中流动，与作为热管蒸发端的第一热管2和第三热管13进行换热，热管吸收来自第二换热介质的热量，并将其传递给LNG和第一换热介质。

本发明所述第一换热介质以气态形式进入第一换热介质换热腔17中通过热管作为换热体直接与LNG进行换热，由于LNG在汽化时释放冷量大，会导致换热过程中第一换热介质吸收过多冷量而冷凝为液体，若在后续换热过程中不提供热量给第一换热介质保证其为气态，则会大大降低换热效率；因此在该换热腔中采用第二热管5和第三热管13依次交错排列，且位于该换热腔中的第二热管5为第二热管5的蒸发端而位于该换热腔中的第三热管13为第三热管13的冷凝端；气态第一换热介质通过首先通过第二热管5的蒸发段释放热量并通过第二热管5将其传递给LNG，由于释放热量导致温度降低从而冷凝为液体随后流过第三热管13的冷凝端吸收来自第二换热介质的热量从而温度升高变为气态。第一换热介质通过由第二热管5和第三热管13组成的换热单元实现从气态-液态-气态的状态的循环改变，从而实现将第二换热介质的热量传递给LNG，实现LNG的汽化；避免LNG汽化过程中由于LNG释放大量冷量若采用直接与第二换热介质换热而导致其凝固，使得LNG汽化不能稳定进行的问题。

本发明所述LNG在第二换热区域由低温NG变为常温NG并由NG出口1排除，在该阶段NG升温无需消耗太多热量；但Ⅱ级换热区由于第二换热介质具有较高的热量，足以使得低温NG升温为常温NG；为有效的利用第二换热介质的热量，该系统充分考虑到由于Ⅰ级换热区换热过程中第一换热介质温度会有所降低，为保障第一换热介质循环换热的高效性及第一换热介质以气态形式排出，则需向其提供热量，因此在Ⅱ级换热区，置于第一换热介质换热腔17和LNG换热腔7中第一热管2同时作为第一热管2的冷凝端，使得第二换热介质的热量不仅保证LNG能够升温为常温气态，同时保证第一换热介质能够吸收热量升温为气态，从而保证系统的高效运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用合理布置热管的蒸发端和冷凝端，以及采用梯级温升的方法，解决了LNG汽化时由于释放冷量过大而导致换热介质结冰的问题且在相同的汽化量条件下,本发明与现有汽化器相比具有更高的换热效率和更加紧凑的结构，如在保证LNG汽化量为360m³/h时，与现有汽化器相比，本发明结构体积较现有汽化器体积减少30％，换热效率提高15％以上；通过调节第二换热介质的流量,能够完全匹配LNG汽化量，解决因工况改变而导致系统的不稳定。

附图说明

图1为本发明专利的结构示意图，

图2为图1的A-A剖面图，

图3为图1的B-B剖面图，

图4为图1的C-C剖面图，

图中：1、NG出口；2、第一热管；3、水平翅片4、壳体5、第二热管；6、LNG进口7、LNG换热腔；8、第一隔板；9、垂直翅片；10、第一换热介质进口；11、第二换热介质出口；12；第二换热介质换热腔；13、第三热管；14、第二隔板；15、第二换热介质进口；16、第一换热介质出口；17、第一换热介质换热腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1至图4所示，一种采用梯级汽化技术的LNG汽化器，包括壳体4，所述壳体4内采用分别开设有多行多列通孔的第一隔板8和第二隔板14，将其依次隔分为在壳体4上分别对应设置有进、出口的LNG换热腔7、第一换热介质换热腔17和第二换热介质换热腔12；所述第一隔板8和第二隔板14一端的通孔中固定安装有贯穿LNG换热腔7、第一换热介质换热腔17和第二换热介质换热腔12的第一热管2；另一端，所述第一隔板8的通孔中固定安装有贯穿LNG换热腔7和第一换热介质换热腔17的第二热管5，所述第二隔板14的通孔中固定安装有贯穿第一换热介质换热腔17和第二换热介质换热腔12的第三热管13。

其中，所述第一热管2的外壁上套装有若干水平翅片3；所述第二热管5贯穿在LNG换热腔7中一段的外壁上和所述第三热管13贯穿在第二换热介质换热腔12中一段的外壁上各自套装有若干水平翅片3；所述第二热管5和所述第三热管13贯穿在第一换热介质换热腔17中一段的外壁上套装有垂直翅片9。

所述第一隔板8和第二隔板14一端的长度为所述第一隔板8和第二隔板14总长的1/3，所述第一隔板8和第二隔板14另一端的长度为所述第一隔板8和第二隔板14总长的2/3。

所述第一隔板8和第二隔板14与所述壳体4的连接均为焊接连接。

所述第一隔板8和第二隔板14上的通孔的排列为交错网格式排列；所述交错网格式排列为正三角形或品字形排列。

所述壳体4为两端设有凸球面的圆筒形。

所述垂直翅片9的断截面形状为花瓣形。

工作过程

LNG换热流程：LNG从LNG进口6流入LNG换热腔7与作为热管冷凝端的第一热管2 和第二热管5进行换热，吸收热管中低沸点工质从第二换热介质吸收得到的热量从而温度升高，根据梯级温升方法，在I级换热区中与作为热管冷凝端的第二热管5进行换热从-163℃的LNG升温为低温气态NG；随之低温NG流经Ⅱ换热区与作为热管冷凝端的第一热管2进行换热，进一步吸收来自第二换热介质的热量，从而温度升高到常温NG，随后从NG出口1排出，完成LNG的汽化过程。

第一介质换热流程：气态第一介质从第一介质进口10进入第一介质换热腔17，在I级换热区中先流过由作为热管蒸发端的第二热管5，吸收从LNG释放的冷量，温度降低冷凝为液态，随后流过作为热管冷凝端的第三热管13，吸收来自第二换热介质的热量，随即温度升高，进而汽化为气态随后又与LNG进行换热，在I级换热区第一换热介质这样循环流过交叉排列的第二热管5和第三热管13，作为中间热媒，从而传递从海水吸收的热量使得LNG温度升高；由于LNG在I级换热区释放冷量多，在第一换热介质进入Ⅱ级换热区域时温度会降低(但高于处于同一热管处周围的LNG温度)，为保证后续循环第一换热介质的高效性且由于第二换热介质在Ⅱ级换热区域中所能够提供的热量足以满足第一换热介质和NG的温升所需要的热量要求，因此在Ⅱ级换热区域第一换热介质与作为热管冷凝端的第一热管2的进行换热，吸收来自第二换热介质的热量，从而提高第一换热介质的温度且保持第一换热介质处于气态，保证第一换热介质可在无外热源加热情况下循环使用。

第二换热介质换热流程：第二换热介质从第二换热介质进口15流入第二换热介质换热腔12与作为热管蒸发端的第一热管2、第二热管5和第三热管13进行换热，将热量提供给LNG，使得LNG温度升高而汽化；同时由于采用梯级汽化的原理，在Ⅱ级换热区域内，为第一换热介质提供热量，使得在循环流动中第一换热介质无需消耗外部热源用于保证换热的稳定的进行；且通过调节进入第二换热介质换热腔12中第二换热介质的流量，从而匹配LNG汽化量，实现实时工况的调节。

以上仅为本发明的一个实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均属于本发明权利要求要求保护的范围 。