1、西安交通大学本科生毕业设计（论文）- 1 -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
2、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 0.30.8Mpa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
3、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 232482 。同时天然气相对空气的比重仅为 0.60.7。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
4、CNG 作为汽车燃料不需添加抗爆剂；西安交通大学本科生毕业设计（论文）- 2 -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，可使 CO 排放量减少 97%，CH 化合物减少 72%，NO 化合物减少 39%，减少 24%， 减少 90%，噪音减少 40%。而且 CNG 不含铅、苯等2CO2S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
5、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
6、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
7、。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。西安交通大学本科生毕业设计（论文）- 3 -西安交通大学本科生毕业设计（论文）- 4 -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
8、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
9、，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 1400 。由于没有燃料消耗，所以结构简hm/3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。西安交通大学本科生毕业设计（论文）- 5 -图 1-1 日本空气加热型气化器内部结构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：50-3000 ，其主要优点在于：hNm/3 无能耗、无污染、绿色环保 安
10、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 160 或 200 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-10C、相对温度 70%，连续使用 8-12 小时的气化量。西安交通大学本科生毕业设计（论文）- 6 -图 1-2 国产空气加热型气化
11、器外观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（Open Rack Vaporizer）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
12、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西安交通大学本科生毕业设计（论文）- 7 -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1.3 有中间
13、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。西安交通大学本科生毕业设计（论文）- 8 -E-1E-2盐 水干 燥 空 气LNG第 一 换 热 器第 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
14、菱公司的闭式循环液化天然气气化装置（ Closed-Circulation LNG Vaporization Equipment） 。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
15、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） 。中间流体西安交通大学本科生毕业设计（论文）- 9 -图 1-5 闭式循环工作流程图图 1-6 闭式循环气化器外型（ 2300mm x 2600mm x 1100mm）西安交通大学本科生毕业设计（论文）- 10 -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(Submerged Combustion type )，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
