原標題：LNG氣化器的分類及工作原理
天然氣主要用于發電、化工工業、城鎮居民燃氣和工業燃氣、汽車燃料等，其他用途包括LNG的冷能利用、天然氣戰略儲備安全供氣的需要等。
LNG氣化器是種專門用于液化天然氣氣化的換熱器，主要應用于沿海大型LNG接收站、LNG液化工廠、LNG氣化站、LNG加液站等，是實現氣化功能的關鍵設備。本文主要介紹各種LNG氣化器的分類，以及幾種LNG氣化器的的結構、工作原理、特點及使用環境等，并對不同類型的LNG氣化器進行分析比較，為實際工程的需要提供借鑒；同時著重介紹了空溫式氣化器。
一
LNG氣化器分類
1.1概述
根據使用的頻率，LNG氣化器可以分為基本負荷型和應急調峰型。基本負荷型使用頻率高、氣化量大，選型時主要考慮的是設備的運行成本。應急調峰型是為了補充用氣高峰時供氣量的不足或應急需要，其工作特點是使用率低、工作時間是隨機性的，具有緊急啟動的功能，選型時要求設備投資盡可能低，而對運行費用則不太苛求。
根據LNG氣化的熱媒不同來對LNG氣化器進行分類，常見的LNG氣化熱媒有空氣、河水或海水、天然氣燃燒、電加熱、工廠廢熱等。美國標準NFPA 59A將LNG氣化器分為加熱氣化器、環境氣化器和工藝氣化器3類。
根據氣化量不同來對LNG氣化器進行分類，氣化量小于50t/h的是小型LNG氣化器，一般用于氣化量較小的場合，如各種小型的LNG衛星接收站、氣化站；而我國沿海都是大型的LNG接收站，必須采用氣化量大的LNG氣化器。
根據結構不同進行分類，常見的LNG氣化器類型如表1所示：
表1常見LNG氣化器類型
序號
名稱
備注
1
開架式氣化器（ORV）
大型
2
浸沒燃燒式氣化器（SCV）
大型
3
管殼式氣化器（STV）
大型
4
中間流體式氣化器（IFV）
大型
5
空溫式氣化器
小型
6
強制通風式氣化器
小型
7
熱風加熱式氣化器
小型
8
真空蒸汽式氣化器（VSV）
小型
9
中間媒介空溫式氣化器
小型
10
熱水浴式氣化器
小型
其中，①~④主要應用于沿海大型的LNG接收站，而⑤~⑩主要應用于各種小型的LNG衛星接收站、氣化站。另外還有其他結構類別如纏繞管式氣化器、煙氣沖擊旋水型LNG氣化器、空氣熱源式氣化器等；本文就以下幾種常見的LNG氣化器進行介紹。
1.2開架式氣化器（ORV）
開架式氣化器是一種水加熱型氣化器，以海水為熱源，其氣化量*大可達180t/h，在0~100%的負荷范圍內運行，同時根據需求的變化遙控調整氣化量。特點是投資較大，運行費用較低，操作和維護容易，比較適用于基本負荷型LNG接收站。以海水熱源，對海水質量要求高，同時在外表面應做好涂層保護等防腐措施。
開架式氣化器的基本單元是鋁合金傳熱管，傳熱管內部有星形斷面、外部有翅片，同時管內有螺旋桿，以增加LNG傳熱；若干傳熱管按板狀排列后兩端與集氣管或集液管焊接形成管板，再由若干管板組成氣化器。工作原理是LNG在管內向上流動，由氣化器頂部噴淋裝置噴淋的海水在管板外表面自上而下流動，將管內LNG氣化，工作原理如圖1所示。
開架式氣化器運行時在板型管束的下部尤其是集液管外表面會結冰，影響氣化器的傳熱性能，OsakaGas和Kobel Steel聯合研發采用了局部雙層結構的傳熱管，有效改善了結冰的狀況，被稱為SuperORV，其換熱管如圖2所示。
1.3浸沒燃燒式氣化器（SCV）
浸沒燃燒式氣化器屬燃料加熱型氣化器，它以燃料燃燒產生的煙氣為熱源，由于煙氣與水直接接觸，加熱水的同時激烈地攪動水，熱水再與管內LNG進行熱交換，大大提高了傳熱效率。浸沒燃燒式氣化器的熱效率在98%左右，可快速啟動，能對負荷的突然變化作出反應，適用于緊急情況或者調峰用氣。它的特點是整體投資和安裝費用很低，占地面積小，操作靈活；但是操作費用很高。
浸沒燃燒式氣化器的結構是換熱管束浸泡在池水中，下部與LNG總管焊接，上部與NG總管焊接，LNG下進上出。工作時燃料氣體和空氣按比例混合均勻后進入燃燒器內充分燃燒，產生的高溫煙氣經分配管上的小孔噴射到池水中，煙氣進入池水形成大量氣泡，迅速上升加熱并劇烈攪動池水，有效地加熱管束中的LNG使之氣化。其工作原理如圖3所示。
1.4中間介質式氣化器（SCV）
中間介質式氣化器有不同的形式，包括管殼式氣化器（STV）和中間流體式氣化器，其共同之處就是用中間介質作為熱媒，中間介質可以是丙烷或醇（甲醇或乙二醇）水溶液，加熱介質可為海水、熱水、空氣等，可以改善結冰帶來的影響。
（1）管殼式氣化器（STV）
采用管殼式換熱器作為氣化器，水或甲醇（或乙二醇）水溶液作為中間熱媒氣化LNG，初始熱源可以用熱水、海水或空氣。先用初始熱源將中間熱媒加熱，再用已被加熱的中間熱媒通過管殼式氣化器去氣化LNG。中間熱媒需用循環泵強制循環，因此耗能較高。
（2）中間流體式氣化器（IFV）
工作原理是以海水或近鄰工廠的熱水作為熱源，并用此熱源去加熱中間介質（丙烷）并使其氣化，再用丙烷蒸氣去氣化LNG。該氣化器由三部分組成：①海水（或其他熱源流體）和丙烷進行換熱；②丙烷和LNG進行換熱；③天然氣過熱，即用海水對LNG氣化后的NG加熱。工作原理如圖4所示，這種氣化器解決了海水（或其他熱源流體）的冰點問題，在海上浮動儲存與氣化、循環加熱、冷能發電等得到廣泛的應用。
圖4中間流體式氣化器工作原理圖
1.5纏繞管式氣化器
纏繞管式氣化器工作原理是加熱介質走殼程，LNG走管程，管程為螺旋纏繞式換熱器結構；從底部管箱進入的LNG，在管程內受熱氣化后從頂部排出，循環水在殼程加熱管程內天然氣，結構如圖5所示。氣化器能力主要由殼程介質的溫度和流量決定，主要特點是在相同的體積內擁有較大的換熱面積，同時可實現多股流體一起換熱。
1.6空溫式氣化器
圖6 LNG空溫式氣化器8翅片管結構圖
空溫式氣化器是利用空氣自然對流加熱低溫LNG使其氣化成常溫氣體的換熱設備。其由鋁翅片管按一定的間距連接而成，一般是單程式；為了增大空氣側的換熱面積，在換熱管的外側加裝星形翅片，目前*常用的是8翅片結構，如圖6所示，另外還有12翅片和4翅片結構。實際中運行的LNG空溫式氣化器如圖7所示。
LNG空溫式氣化器實物圖
LNG空溫式氣化器即為空氣源式氣化器（AAV），可以分為間接接觸式和直接接觸式兩類。間接接觸式利用空氣加熱閉式管路的傳熱流體，再與LNG進行換熱氣化；直接接觸式則利用空氣直接氣化LNG。間接接觸式應用較多的包括空氣翅片式換熱氣化和空氣冷卻塔氣化技術；直接接觸氣化包括環境空氣氣化和強制通風氣化。
LNG空溫式氣化器雖然換熱效率低，但是制造成本和運行成本也很低，經常作為LNG衛星站（指在中小城市及距離氣源地較遠的小型天然氣接收站和氣化站）內的主氣化器。缺點是其對環境溫度很敏感，冬天易結冰，在我國北方使用受到一定的限制；同時占地面積大，在土地資源少的區域也受到限制。
目前，LNG衛星站都離市區較遠，土地資源影響不大，同時可通過增加水浴式LNG氣化器來解決環境溫度的影響，所以LNG空溫式氣化器是小型LNG接收站、氣化站、加注站等的主要氣化器類型。空溫式氣化器根據用途可以分為增壓式和供氣式兩類，兩者結構基本相同，只有些微差別。主要是增壓式空溫氣化器只具有蒸發部，而供氣式空溫氣化器包含蒸發部和加熱部。
國內的空溫式氣化器主要應用于LNG衛星站，而目前國外也逐漸將空氣源式氣化器應用于大型LNG接收站。如美國、印度就采用了幾種形式的AAV，建成了幾座LNG接收站。
1.7水浴式氣化器
水浴式氣化器是以水為熱媒的氣化器，在大型LNG接收站中，開架式氣化器、浸沒燃燒式氣化器以及管殼式氣化器中以海水為熱媒的氣化器，均屬于水浴式氣化器；在LNG衛星站中，水浴式氣化器主要包括電加熱式、燃料燃燒式等，它具有傳熱效率高，結構緊湊，占地面積小等優點。本文指的水浴式氣化器主要是用于LNG衛星站的小型氣化器，它廣泛應用于LNG衛星站的天然氣加熱，在土地資源有限的地方還可以代替空溫式氣化器作為主氣化器。
在以空溫式氣化器為主氣化器的LNG氣化站中，常常將BOG氣化器和水浴式氣化器集成成撬，從而縮小了空間，如圖8所示。水浴式氣化器的主要功能是當空溫式氣化器及BOG氣化器出口溫度不能滿足管網需求時，將開啟該裝置，將空溫式氣化器及BOG氣化器的天然氣加熱后送入下游裝置。
圖8 水浴式復熱撬
二
LNG氣化器的選型
LNG氣化器的選型應綜合考慮環境因素、氣化器用途、成本效率、穩定性和安全性等，確定合理的氣化器類型和規格。
2.1 大型LNG接收站
（1）氣化器的要求
在大型LNG接收站中，氣化器選型時應考慮的因素如表2所示：
表2 氣化器選型時應考慮的因素
序號
名稱
1
可靠性和耐久性
2
穩定性和安全運行性
3
適應負載波動的靈活性
4
成本效率
5
所用材料應有優異的低溫性能
6
在換熱表面防止結冰
7
防止形成LNG霧
（2）氣化器的類型對比
用于大型LNG接收站的氣化器主要有開架式氣化器（ORV）、浸沒燃燒式氣化器（SCV）和中間介質式氣化器（IFV），綜合比較如表3所示。
表3 各類型氣化器綜合比較
比較內容
ORV
SCV
IFV
中間介質
-
水
丙烷或醇類溶液
加熱介質
海水
燃料氣
空氣/海水/燃料氣
工藝流程
簡單
簡單
較復雜
設備結構
簡單
簡單
較復雜
運行控制
簡單
簡單
簡單
占地面積
較少
*少
較少
使用情況
基本負荷
應急調峰
使用少
投資成本系數
1.5
0.5~0.7
3
運行成本系數
2
7~10
0.1
2.2 小型LNG衛星站
近年來，國內各地的天然氣需求逐年增加，同時，國內的LNG衛星站的數量也與日俱增。空溫式氣化器，作為LNG衛星站的主要設備之一，是整個供應系統的核心設備，其氣化能力的大小決定著一個LNG衛星站的供應規模。所以LNG衛星站設備中空溫式氣化器的選型尤為重要。
LNG衛星站的氣化器選型應綜合考慮環境條件、設計規模、占地面積、投資成本、運營成本、運行穩定性、輔助設備等因素，選出*優的氣化方案。
空溫式氣化器對環境溫度極為敏感，冬天易結冰，所以目前大部分LNG衛星站采用空溫氣化器加水浴復熱撬的方式，大部分時間采用完全空溫氣化、在極端氣溫日輔以串聯水浴復熱；既有效地利用了環境熱量，又保證了儲氣溫度穩定。因此，空溫氣化器加水浴復熱撬的方式技術經濟性較好，造價和運行費用較低。
空溫式氣化器的選型應根據設計規模來確定，并考慮一定的裕量，通常按照高峰小時用氣量的1.2~1.3倍確定。同時，為了維修或應急情況，一般應備有一組空溫式氣化器。單臺空溫式氣化器的規格一般從50Nm3/h~5000Nm3/h，空溫式氣化器氣化量越大，體積就越大，重量就越重，運輸和安裝難度增加，根據調研，目前國內LNG行業尚無單臺氣化能力為5000Nm/h及以上規格的氣化器在役運行，氣化量需求大時是靠組合來滿足需求。對國外來說，根據美國公司提供的數據，LNG空溫式氣化器單臺*大氣化量可達到7500Nm/h。實際工程中，氣化量為5625Nm/h的空溫式氣化器使用較多。
空溫式氣化器一般為露天安裝，結構分為立式和臥式。立式結構氣化器占地面積相對較小，但是隨風度等級及地震烈度影響較大；臥式結構氣化器占地面積相對較大，同時卻更加穩定，選擇式應綜合考慮。
翅片管結構也是氣化器選型的一個重要因素。空溫式氣化器通過鋁翅片管與環境進行換熱，鋁翅片管的翅片面積直接影響到換熱量和氣化量的大小。增加翅片管面積可以通過加長加寬翅片或增加翅片管上的翅片數量來完成。加長加寬翅片，會使氣化器的體積增大，氣化器結構設計難度增大；增加翅片數量又常受鋁鑄造工藝限制，國內產品一般為8翅片，12翅片的較少。
氣化器的運行穩定性極為重要，由于空溫式氣化器運行中會不斷結霜，影響傳熱效率，所以要定期作除霜處理。目前氣化器運行一般以8h為一班，所以要求氣化器*大氣化保持時間不低于8h。氣化器運行時，溫度變化大，易產生冷裂，要求氣化器結構設計上具備消除溫度應力影響的措施。
LNG空溫式氣化器根據用途可以分為增壓式和供氣式兩類，兩者結構基本相同，只有些微差別。主要是增壓式空溫氣化器只具有蒸發部，而供氣式空溫氣化器包含蒸發部和加熱部。LNG衛星站常見的空溫式氣化器類型有卸車增壓氣化器、儲罐增壓氣化器、主空溫式氣化器、BOG氣化器、EAG氣化器，主要是氣化量、進出口溫度、設計壓力等參數不同，原理相同。
三
空溫式氣化器的研究分析
LNG空溫式氣化器是LNG衛星站的核心設備，目前國內外已做了大量研究分析，以下闡述了LNG空溫式氣化器的結構設計、傳熱研究及安全性研究。
3.1 空溫式氣化器結構設計
空溫式氣化器的結構比較簡單，主要由星形翅片管組成，對其結構設計主要體現在翅片管管徑、翅片數量、翅片管長度等基本參數的計算，而這些是通過翅片管傳熱來確定的。空溫式氣化器的設計方法，包括熱力計算，提出通常導氣管長度的選取根據汽化器對換熱面積裕量的要求而定。管通徑、管壁厚度、出口管徑
及氣化器結構的設計方法。提出了根據LNG低溫潛液泵的流量計算調壓器的流量和結構。調研發現，目前盡管我國空溫式氣化器生產規模和裝備量較大，但由于沒有國家標準和行業標準，使得空溫式氣化器的設計、制造和使用處于沒有依據和約束的狀態，制造廠停留在比較初級的水平，大多僅僅是進行模仿性生產，設計上也僅采用經驗方法計算，幾乎不考慮氣化器在使用過程中的傳熱問題。生產的氣化器存在以下問題：氣化量不足、體積龐大、流道布置不合理、流體阻力過大、造價過高等，使用中也發生各種各樣的問題，其中*為突出的是翅片管表面結霜及結冰現象，導致氣化能力下降及過液問題。
3.2 空溫式氣化器安全性研究
空溫式氣化器運行時內部流體為天然氣，有液態、氣態、氣液混合態，可能發生泄漏、爆炸等，危害性極大，所以空溫式氣化器安全性研究極為重要。
LNG空溫式氣化器的安全距離，氣化器與其他任何火源之間的水平凈距應大于15米，到圍墻的水平凈距不小于30米；布置多臺加氣化器時，各氣化器之間的水平凈距至少為1.5米；氣化器與LNG儲罐、控制室、辦公大樓、車間等的水平凈距至少為15米。
空溫式氣化器的進出口溫度對氣化器安全運行很重要，應設置溫度檢測儀，測量LNG、蒸發氣體和加熱介質的進出口溫度。同時每臺氣化器都應該在進口、出口處設置緊急切斷閥和安全閥，另外為防止泄漏的LNG進入備用氣化器，可在進口處安裝兩個閥門，并采用安全閥排放積存的兩個閥門之間的LNG蒸發氣體。
氣化器運行時，溫度變化大，易產生冷裂，要求氣化器結構設計上具備消除溫度應力影響的措施。
四
結 論
（1）LNG氣化器的分類方法較多，常見的分類方法包括：使用的頻率、熱媒的不同、氣化量大小、結構差異等。其中大型LNG接收站一般采用ORV、SCV、IFV等；而大部分LNG衛星站采用空溫式氣化器和電加熱水浴式氣化器。
（2）LNG衛星站的氣化器選型應綜合考慮環境條件、設計規模、占地面積、投資成本、運營成本、運行穩定性、輔助設備等因素，選出*優的氣化方案。空溫式氣化器和水浴式復熱器串聯的方式，既有效地利用了環境熱量，又保證了儲氣溫度穩定。因此得到廣泛應用。
（3）空溫式氣化器結構設計時應充分考慮設計裕量、結構形式、翅片管換熱計算、運行條件和時間、溫差補償措施及氣化器用途等因素。目前國內外已對空溫式氣化器做了大量研究分析，主要包括LNG空溫式氣化器的結構設計、傳熱研究及安全性研究。我國空溫式氣化器生產規模和裝備量較大，但由于沒有國家標準和行業標準，使得空溫式氣化器的設計、制造和使用處于沒有依據和約束的狀態，制造廠停留在比較初級的水平，大多僅僅是進行模仿性生產，設計上也僅采用經驗方法計算，幾乎不考慮氣化器在使用過程中的傳熱問題。
(文章來源：海波談LNG)
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