韓 輝，李玉星，王武昌，朱建魯，王少煒，孫崇正

浮式天然氣液化實(shí)驗(yàn)裝置用于開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的探討

韓 輝，李玉星，王武昌，朱建魯，王少煒，孫崇正

（中國(guó)石油大學(xué)（華東） 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院 山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580）

設(shè)計(jì)搭建了小型浮式天然氣液化實(shí)驗(yàn)裝置，介紹了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工藝流程、測(cè)試段設(shè)計(jì)、浮式測(cè)試平臺(tái)及裝置的工作參數(shù)，分析了該裝置的特點(diǎn)及用于開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性，并結(jié)合液化天然氣利用技術(shù)課程的工藝流程，設(shè)計(jì)了低溫冷劑降膜流動(dòng)可視化測(cè)量實(shí)驗(yàn)、繞管式換熱器殼側(cè)降膜蒸發(fā)換熱和壓降性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)、浮式條件下設(shè)備的抗晃蕩設(shè)計(jì)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。該系列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)際開(kāi)放情況達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的預(yù)期效果。

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)；浮式液化天然氣；繞管式換熱器

環(huán)保政策促進(jìn)了國(guó)內(nèi)天然氣市場(chǎng)的發(fā)展，液化天然氣（LNG）作為天然氣的重要輸送和儲(chǔ)存形式，在保障居民用氣、工業(yè)用氣及車(chē)載燃料等方面的作用日益顯著。2018年進(jìn)口LNG占我國(guó)天然氣消費(fèi)總量的26.5%[1-2]，消費(fèi)的劇增帶動(dòng)了產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)一些LNG關(guān)鍵技術(shù)和重要裝備先后實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn) 化[3-6]。我校于2009年起在油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)了液化天然氣利用技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程，目前已建立了較為齊全的課程體系，涵蓋了LNG的性質(zhì)、液化、儲(chǔ)存、氣化、站場(chǎng)設(shè)計(jì)和安全利用等方面內(nèi)容[7]，但受限于天然氣性質(zhì)及液化技術(shù)的復(fù)雜性，課程實(shí)驗(yàn)開(kāi)展困難。為此，教研組研制了一套天然氣液化裝置，并嘗試將其用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)[8-9]，幫助學(xué)生理解液化工程。2019年，我校油氣儲(chǔ)運(yùn)專(zhuān)業(yè)迎來(lái)本科專(zhuān)業(yè)認(rèn)證。本著以學(xué)生為核心、能力導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)等原則[10]，并考慮到目前專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)以工藝實(shí)驗(yàn)為主、對(duì)液化設(shè)備的涉及較少的現(xiàn)狀，以學(xué)校的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)為契機(jī)[11]，以國(guó)家自然科學(xué)基金“浮式天然氣液化過(guò)程低溫冷劑降膜流動(dòng)與換熱特性研究”項(xiàng)目為依托，重新搭建了一套小型浮式天然氣液化實(shí)驗(yàn)裝置。浮式液化裝置是海上天然氣開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵，也是目前的研究熱點(diǎn)[12]。試圖將浮式LNG液化過(guò)程中繞管式換熱器的相關(guān)實(shí)驗(yàn)融入到課程開(kāi)放實(shí)驗(yàn)中，幫助學(xué)生結(jié)合液化過(guò)程理解換熱設(shè)備的工作機(jī)制和存在問(wèn)題，指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展設(shè)備性能測(cè)試和改進(jìn)研究，促進(jìn)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決工程問(wèn)題的能力。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工藝流程

繞管式換熱器是天然氣液化過(guò)程最主要的低溫?fù)Q熱器，在各種液化系統(tǒng)中的應(yīng)用比例超過(guò)90%[13]。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以模擬液化過(guò)程中低溫冷劑在繞管式換熱器殼側(cè)的流動(dòng)和換熱過(guò)程，實(shí)現(xiàn)降膜流動(dòng)的流型觀測(cè)和換熱性能測(cè)試，同時(shí)借助定制的多自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，模擬設(shè)備在海上風(fēng)浪條件下的工作過(guò)程，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置由氣、液相循環(huán)系統(tǒng)和浮式測(cè)試平臺(tái)組成。其中，氣相循環(huán)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)液化過(guò)程低溫冷劑的換熱過(guò)程，具體流程為：氣相冷劑經(jīng)過(guò)羅茨風(fēng)機(jī)增壓到0.2 MPa，經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量，進(jìn)入板式換熱器冷卻到–30 ℃液化，液化后的低溫冷劑進(jìn)入繞管式換熱器殼側(cè)，在殼側(cè)由上向下流動(dòng)并與換熱管換熱，經(jīng)過(guò)降膜蒸發(fā)吸熱，部分氣化后從殼側(cè)的下部流出；換熱后的冷劑進(jìn)入空溫式氣化器升溫氣化，經(jīng)分離器后回到風(fēng)機(jī)入口，完成循環(huán)。液相循環(huán)主要實(shí)現(xiàn)冷態(tài)下的工質(zhì)降膜流動(dòng)過(guò)程，具體流程為：液相冷劑經(jīng)過(guò)泵增壓，計(jì)量后進(jìn)入測(cè)試段，工質(zhì)在殼側(cè)降膜流動(dòng)，從測(cè)試段底部流出，再經(jīng)氣化器和分離器回到泵入口，完成液相循環(huán)。繞管式換熱器實(shí)驗(yàn)段置于浮式測(cè)試平臺(tái)上，平臺(tái)能夠通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)傾斜、平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等單一或組合形式的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)海上浮式工況模擬。

圖1 浮式天然氣液化實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

實(shí)驗(yàn)裝置的管道、設(shè)備和儀表等布置如圖2所示。在配管之前，考慮泵、風(fēng)機(jī)、制冷機(jī)組等動(dòng)力設(shè)備的噪音和安全性，將主要?jiǎng)恿υO(shè)備貼墻放置，其中風(fēng)機(jī)和工質(zhì)泵置于測(cè)試平臺(tái)兩側(cè)，氣化器、分離器等置于裝置內(nèi)側(cè)，測(cè)試平臺(tái)置于裝置前方?？紤]室內(nèi)實(shí)驗(yàn)安全性，降膜流型冷態(tài)實(shí)驗(yàn)采用戊烷作為循環(huán)工質(zhì)，戊烷的黏度與冷劑的黏度較為接近，用于流型觀測(cè)較為準(zhǔn)確；由于降膜蒸發(fā)換熱實(shí)驗(yàn)工質(zhì)流經(jīng)的設(shè)備更多，管線更復(fù)雜，所以采用安全性更高的氟利昂代替烷烴作為制冷劑，氟利昂制冷溫度與丙烷接近，能使測(cè)試結(jié)果更接近實(shí)際。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置的布置

由于實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯坷@管式換熱器的流動(dòng)特性和換熱特性，因此裝置應(yīng)具有參數(shù)調(diào)節(jié)和測(cè)量功能，應(yīng)可開(kāi)展多種氣、液相流量下的測(cè)量工作，主要參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)裝置的主要參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)件的設(shè)計(jì)

繞管式換熱器是一種復(fù)雜的多股流換熱器，由殼體、中心筒和圍繞中心筒纏繞的多層盤(pán)管組成。實(shí)驗(yàn)件按真實(shí)繞管式換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3所示，由內(nèi)層殼體、外層殼體、盤(pán)管、布液管、卡條和兩端蓋板組成。實(shí)驗(yàn)件材料為鋁合金框架和曲面有機(jī)玻璃，實(shí)驗(yàn)件的高度為636 mm，寬度為296 mm，長(zhǎng)度為198 mm，曲面有機(jī)玻璃的厚度為10 mm。為了方便更換盤(pán)管，實(shí)驗(yàn)件的各部分采用卡槽和螺栓連接。盤(pán)管通過(guò)卡條固定在內(nèi)外殼中間，盤(pán)管間距通過(guò)更換不同卡條來(lái)調(diào)節(jié)。

圖3 繞管式換熱器實(shí)驗(yàn)件

1.3 浮式測(cè)試平臺(tái)

浮式測(cè)試平臺(tái)包括：多自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、壓力溫度采集和圖像采集。實(shí)驗(yàn)件放在定制的多自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，通過(guò)軟管與氣、液相管路連接，如圖4所示。小型運(yùn)動(dòng)平臺(tái)表面尺寸1.5 m×0.5 m，負(fù)載70 kg，可通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)傾斜、晃動(dòng)和平移運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)最大傾角12°，最大角速度為3.5°/s，最大移動(dòng)速度20 mm/s。實(shí)驗(yàn)過(guò)程除采集氣、液相進(jìn)出口的壓力、溫度及管壁表面溫度外，在冷態(tài)條件下通過(guò)安裝在實(shí)驗(yàn)件正面的FASTCAM SA-X2高速攝像機(jī)及配套圖像采集軟件采集降膜流動(dòng)圖像，并將圖像經(jīng)分析處理得出流型以及膜厚數(shù)據(jù)。

圖4 測(cè)試平臺(tái)實(shí)物圖

2 用于開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的可行性分析

相比于已建立的液化實(shí)驗(yàn)裝置，本裝置側(cè)重于浮式條件下低溫?fù)Q熱器的流動(dòng)和換熱性能測(cè)試，具有以下特點(diǎn)：

（1）良好的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性。常規(guī)的液化工藝復(fù)雜度高，液化設(shè)備換熱過(guò)程不穩(wěn)定，當(dāng)前裝置用低溫制冷機(jī)取代了多級(jí)節(jié)流，簡(jiǎn)化了液化流程，提高了實(shí)驗(yàn)過(guò)程和測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性。

（2）可靠的安全性。實(shí)驗(yàn)采用較低的運(yùn)行壓力和安全性較高的工質(zhì)，最高工作壓力不超過(guò)5 atm，戊烷在室溫下飽和蒸氣壓較低，動(dòng)力設(shè)備和低溫設(shè)備遠(yuǎn)離測(cè)試平臺(tái)，氣體管道設(shè)置放空，確保裝置和實(shí)驗(yàn)人員安全。

（3）裝置易于操作。實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作集中在小型測(cè)試平臺(tái)，便于觀測(cè)和數(shù)據(jù)采集，可實(shí)現(xiàn)集中控制，僅1人即可完成數(shù)據(jù)采集、圖像觀測(cè)和平臺(tái)操控，實(shí)驗(yàn)件尺寸小、重量輕，易于更換和快速拆裝。

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)安排在暑期小學(xué)期進(jìn)行，通常3~5人為一組，由學(xué)生自愿報(bào)名參加，實(shí)驗(yàn)持續(xù)1周時(shí)間。利用該實(shí)驗(yàn)裝置能夠進(jìn)行靜態(tài)條件下的流動(dòng)和換熱實(shí)驗(yàn)，也可進(jìn)行浮式條件下的性能測(cè)試，通過(guò)設(shè)計(jì)的可快速拆裝的測(cè)試段，能夠方便地進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)件的性能對(duì)比測(cè)試。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始進(jìn)行時(shí)，2人負(fù)責(zé)安裝實(shí)驗(yàn)件，啟動(dòng)動(dòng)力設(shè)備和調(diào)節(jié)閥門(mén)，1人通過(guò)中控操作測(cè)試平臺(tái)和采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。學(xué)生進(jìn)行冷態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先開(kāi)機(jī)完成循環(huán)，保持流量在某一實(shí)驗(yàn)值5~10 min，觀察實(shí)驗(yàn)段的降膜流動(dòng)形態(tài)，流型穩(wěn)定后，操作高速攝像儀進(jìn)行圖像采集。進(jìn)行降膜蒸發(fā)換熱實(shí)驗(yàn)時(shí)，向分離器內(nèi)加注工質(zhì)，然后啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，開(kāi)始進(jìn)行氣相循環(huán)，之后啟動(dòng)制冷機(jī)液化氣相冷劑，穩(wěn)定后開(kāi)啟換熱管加熱，完成換熱循環(huán)，觀測(cè)實(shí)驗(yàn)件進(jìn)、出口溫度，實(shí)驗(yàn)約在30 min后達(dá)到熱平衡，之后開(kāi)始記錄壓力、溫度、流量參數(shù)。由于實(shí)驗(yàn)裝置較為緊湊，需要的工質(zhì)量較少，實(shí)驗(yàn)主要費(fèi)用為動(dòng)力設(shè)備的電費(fèi)，系統(tǒng)總功率不超過(guò)20 kW。該裝置操作簡(jiǎn)單、測(cè)試量豐富，同時(shí)易于對(duì)自主設(shè)計(jì)的管件進(jìn)行測(cè)試，能有效提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和工程應(yīng)用能力。

3 已開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及效果

本實(shí)驗(yàn)作為液化天然氣利用技術(shù)課程的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)在儲(chǔ)運(yùn)專(zhuān)業(yè)本科生中開(kāi)放申請(qǐng)，目前開(kāi)設(shè)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有如下3項(xiàng)。

3.1 降膜流動(dòng)可視化觀測(cè)與液膜厚度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

冷劑在管外的流動(dòng)特性是研究繞管式換熱器的基礎(chǔ)。本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：降膜流型識(shí)別、流型轉(zhuǎn)變關(guān)聯(lián)式擬合和管壁液膜厚度測(cè)量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可幫助學(xué)生了解換熱器內(nèi)流型劃分的知識(shí)、掌握?qǐng)D像處理方法，還能夠分析換熱器內(nèi)不同參數(shù)對(duì)降膜流動(dòng)的影響規(guī)律，以及液膜流動(dòng)和分布特性對(duì)換熱性能的影響機(jī)理。圖5為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的繞管式換熱器的降膜流型及膜厚測(cè)量結(jié)果。

圖5 降膜流型及膜厚測(cè)量結(jié)果

3.2 繞管式換熱器相變換熱和壓降性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

繞管式換熱器的換熱性能和阻力性能是進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：換熱器進(jìn)出口流量、壓降和溫度測(cè)量及換熱和阻力關(guān)聯(lián)式擬合。通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握基本物理量參數(shù)的測(cè)量、采集方法，以及數(shù)據(jù)處理方法；能夠基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合換熱和阻力關(guān)聯(lián)式，并通過(guò)浮式條件下的實(shí)驗(yàn)，分析浮式條件對(duì)繞管式換熱器性能的影響規(guī)律。圖6為設(shè)備傾斜對(duì)換熱性能UA（換熱系數(shù)乘以換熱面積）的影響曲線[14]。

圖6 傾斜對(duì)繞管式換熱器換熱性能的影響

3.3 新型抗晃蕩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

降膜蒸發(fā)具有換熱系數(shù)高、冷劑充灌量少等優(yōu)點(diǎn)，但降膜流動(dòng)不穩(wěn)定，易受運(yùn)行條件影響出現(xiàn)液膜干涸，削弱換熱性能。因此在浮式條件下，改善液膜穩(wěn)定性尤為重要。為了進(jìn)行浮式條件下的結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究，學(xué)生通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，在滿足換熱器隔板接口尺寸條件下，自行設(shè)計(jì)換熱管管型和布液器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室加工后，在測(cè)試平臺(tái)上測(cè)試新型結(jié)構(gòu)的液膜分布和換熱性能，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。圖7為學(xué)生改進(jìn)的2組換熱管管型和相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果。

圖7 不同管型下?lián)Q熱器的流動(dòng)特性

4 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)浮式天然氣液化實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行介紹基礎(chǔ)上，將低溫?fù)Q熱設(shè)備的實(shí)驗(yàn)裝置與本科教學(xué)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一組繞管式換熱器內(nèi)部流動(dòng)和換熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并將其應(yīng)用于本科生的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，主要得出以下結(jié)論：

（1）小型浮式天然氣液化裝置既緊跟當(dāng)前應(yīng)用熱點(diǎn)，又符合液化天然氣利用技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)要求。將該裝置的實(shí)驗(yàn)研究引入課程教學(xué)，拓展了學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，使學(xué)生對(duì)課程所涉及的關(guān)鍵設(shè)備有更深入的了解。

（2）針對(duì)液化過(guò)程的主低溫?fù)Q熱器，設(shè)計(jì)了流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)、換熱阻力實(shí)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這組實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生逐步從觀察現(xiàn)象深入到分析機(jī)理層面，從定性理解深入到定量分析層面，培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和思考問(wèn)題能力。

（3）將開(kāi)放實(shí)驗(yàn)和科研探索相結(jié)合，通過(guò)引入浮式條件對(duì)設(shè)備不利影響的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考解決問(wèn)題的途徑，激發(fā)了學(xué)生進(jìn)行自主探索和創(chuàng)新的熱情，使學(xué)生實(shí)現(xiàn)了由知識(shí)能力向工程能力的躍升。

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Exploration on application of floating LNG experimental device to open teaching experiment

HAN Hui, LI Yuxing, WANG Wuchang, ZHU Jianlu, WANG Shaowei, SUN Chongzheng

(Key Laboratory of Oil and Gas Storage and Transportation Safety of Shandong Province, College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

A small floating natural gas liquefaction experimental device is designed and developed, and the technological process, test section design, floating test platform and working parameters of the experimental system are introduced. The characteristics of the device and the feasibility of its application in open experimental teaching are analyzed. Combined with the technological process of LNG (liquefied natural gas) utilization technology course, visualized measurement experiment of falling film flow of cryogenic refrigerant, evaporation heat transfer and pressure drop performance test experiment of falling film on shell side of tube-wound heat exchanger, anti-sloshing design and verification experiment of equipment under floating condition are designed. The actual opening of the series of experimental projects has verified the expected effect of the experiment.

open experiment; floating liquefied natural gas; spiral wound heat exchanger

G642.0

A

1002-4956(2019)12-0161-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.038

2019-05-31

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（51604294）；山東自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（ZR2016EEQ02）；中國(guó)石油大學(xué)（華東）教改項(xiàng)目（YKC2019034）

韓輝（1984—），男，山東萊州，博士，講師，研究方向?yàn)橐夯烊粴饫眉夹g(shù)、高效換熱設(shè)備。E-mail: hanhui@upc.edu.cn