吳梓杰，翁梅

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院,上海 201306)

近年來，由于全球能源需求增加和化石燃料消耗的減少，近海天然氣油田的高效利用引起了廣泛關(guān)注。然而，天然氣的液化、儲存和運(yùn)輸成為了近海天然氣利用的重要阻礙因素。浮式液化天然氣(LNG floating production storage and offloading unit，簡稱FLNG)平臺作為浮動(dòng)生產(chǎn)儲存卸載的平臺之一，已應(yīng)用于海上天然氣的生產(chǎn)、儲存和卸載。天然氣液化是FLNG中的最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，天然氣經(jīng)液化后儲存在FLNG中。換熱器是天然氣液化過程中的核心設(shè)備，板翅換熱器(PFHE)由于其高效率、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低等優(yōu)良特性被用作天然氣換熱過程的主換熱器，在FLNG的天然氣液化工藝中得到了廣泛應(yīng)用。

1 浮式液化天然氣平臺

天然氣作為一種高熱值，低污染的清潔能源，在近幾十年得到迅速的發(fā)展。液化天然氣作為天然氣的一種，提供了一種經(jīng)濟(jì)上可行的長距離運(yùn)輸天然氣的方式。除了常規(guī)的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸，近年來近海天然氣油田的開發(fā)也引起了廣泛關(guān)注。浮式天然氣平臺(FLNG)作為一種開采近海天然氣的浮動(dòng)生產(chǎn)儲存卸載平臺，其主要生產(chǎn)流程見圖1[1-2]。在FLNG中，天然氣從海底開采后，依次經(jīng)過預(yù)處理、液化、儲存三個(gè)流程后經(jīng)LNG船外輸。

圖1 FLNG主要生產(chǎn)流程Fig.1 The main production process of FLNG

2 FLNG板翅式換熱器研究現(xiàn)狀

在FLNG中，開采后的天然氣要經(jīng)過液化，這就需要大型低溫?fù)Q熱器[3]。天然氣液化工藝是FLNG的核心工藝[4]，在FLNG上運(yùn)行的換熱器除了要克服低溫條件外，還需要考慮因臺風(fēng)、晃動(dòng)、腐蝕、空間限制等因素所帶來的一系列問題。板翅式換熱器作為目前FLNG液化工藝中使用的兩種主換熱器之一，具有高效率、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低等優(yōu)點(diǎn)[5]，在天然氣液化工藝中得到了廣泛使用。板翅式換熱器由入口管、封頭、導(dǎo)流片、隔板、翅片、封條等部分組成，在相鄰兩隔板間放置翅片、導(dǎo)流片以及封條等形成通道，多個(gè)通道根據(jù)流體具體流動(dòng)方式的需要堆疊釬焊成板束，實(shí)現(xiàn)多股流體間的高效換熱[6]。目前針對板翅式換熱器的研究目前集中在以下四個(gè)方面：翅片的優(yōu)化設(shè)計(jì)、流道內(nèi)傳熱和流動(dòng)研究、封頭設(shè)計(jì)的優(yōu)化和換熱器工藝技術(shù)的改良[7]。鑒于PFHE在FLNG領(lǐng)域上廣泛的應(yīng)用，為了在近海天然氣油田勘探領(lǐng)域更有效地利用PFHE，優(yōu)化換熱器設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)更高效的PFHE十分必要。同時(shí)對PFHE在低溫、海洋工作條件下的應(yīng)力和換熱性能研究也顯得尤為關(guān)鍵[8]。

2.1 晃動(dòng)對PFHE換熱性能的影響

與陸地上工作條件不同，在海洋作業(yè)條件下，波浪所帶來的晃動(dòng)會對FLNG上板翅式換熱器的換熱性能產(chǎn)生影響，不少學(xué)者針對這個(gè)問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真研究。

Li等[9]對海洋工作條件下PFHE偏置條形翅片通道內(nèi)的流體流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，隨著蒸汽質(zhì)量的增加，換熱系數(shù)的相對波動(dòng)幅度和晃動(dòng)時(shí)間平均因子先增大后減小，在蒸汽質(zhì)量為0.6時(shí)出現(xiàn)最大值。隨著質(zhì)量流量的增加，換熱器的相對波動(dòng)幅度減小，同時(shí)晃動(dòng)時(shí)間平均因子增大。隨著晃動(dòng)周期的縮短和晃動(dòng)幅度的增大，相對波動(dòng)幅度和晃動(dòng)時(shí)間平均因子均減小。李秋英等[10]采用FLUENT軟件對海洋工作條件下PFHE的換熱性能進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，優(yōu)化后的PFHE具有比優(yōu)化之前更好的晃動(dòng)阻力和更佳的換熱性能。王皓顯等[11]為了探明海洋工作條件對PFHE換熱性能的影響機(jī)理，在FLUENT軟件中進(jìn)行了模擬，分析了不同干度條件下晃動(dòng)幅度和晃動(dòng)頻率對傳熱性能的影響。研究結(jié)果顯示，換熱器傳熱性能受晃動(dòng)幅度和頻率的影響較大，其中傳熱系數(shù)隨晃動(dòng)幅度的增大而增大，而傳熱系數(shù)隨晃動(dòng)幅度的增加而減小。并且隨著干度的增大，晃動(dòng)對換熱器性能的影響呈現(xiàn)一個(gè)先惡化后加強(qiáng)的變化趨勢。Cheng等[12]對海洋條件下狹窄航道中流體的傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，換熱器內(nèi)部質(zhì)量流量隨橫搖運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生波動(dòng)，質(zhì)量流量的波動(dòng)強(qiáng)度隨橫搖振幅和橫搖頻率的增大而增大。此外，建立了一種新的關(guān)聯(lián)式來預(yù)測搖擺運(yùn)動(dòng)條件下流動(dòng)的瞬時(shí)換熱特性。

2.2 PFHE封頭流量分配特性的影響

海洋作業(yè)條件會對板翅式換熱器封頭內(nèi)的流量分配特性產(chǎn)生影響，這可通過改進(jìn)封頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行消除。

Zhu等[13]搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模擬了PFHE在海洋作業(yè)條件下PFHE封頭內(nèi)的流量分配特性，同時(shí)研究了氣液比、傾角和晃動(dòng)對氣液分布的影響。結(jié)果表明，氣液比和傾角越大，氣液分布越不均勻。相對于傾斜工況，水流分布特性對換熱器的晃動(dòng)具有更高的敏感性。Tu等[14]對PFHE封頭內(nèi)的兩相流分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。使用 PIV/PTV/LIF 等光學(xué)方法測量液體和氣體流速，并提出通過加裝多孔擋板或改變?nèi)肟趪娮旖Y(jié)構(gòu)來解決流體的均勻分配問題。結(jié)果表明，帶擴(kuò)散器的葉片式旋流器增強(qiáng)了液相和氣相流體的流量分配。Li等[15]為解決FLNG存在的海洋晃動(dòng)所導(dǎo)致的氣體和液體的分配不均，提出了一種新的PFHE入口結(jié)構(gòu)，并使用FLUENT軟件對穩(wěn)定狀態(tài)和晃動(dòng)運(yùn)動(dòng)兩種條件進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，提出的新的入口結(jié)構(gòu)的有效性得到了確認(rèn)，新設(shè)計(jì)可顯著改善入口氣液分布的均勻性并且增加換熱器的晃動(dòng)阻力。吳靜瑋等[16]利用了FLUENT軟件分析了橫搖和橫蕩情況下PFHE封頭流體分配特性。結(jié)果表明，橫搖和橫蕩工況對液相甲烷的分配不均勻度的影響程度較氣相高，同時(shí)晃動(dòng)工況的幅度、角度和周期等參數(shù)持續(xù)增加超過一定范圍時(shí)，可提高原有的流體分配不均勻度，在給定工況下，流體分配不均勻度從0.668 1提高到1.165 7。 Zheng等[17]建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的氣體液體分配系統(tǒng)，以空氣和水為介質(zhì)，研究在晃動(dòng)條件下PFHE封頭內(nèi)的流體分布特征。結(jié)果表明，在晃動(dòng)條件下，兩相混合物的不均勻性隨晃動(dòng)幅度的增大而增大，隨晃動(dòng)周期的增加而減小。而兩相混合物的不均勻性隨晃動(dòng)幅度的增大而增大，并在穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)上增加1.25%～18.03%。在穩(wěn)定條件下，混合晃動(dòng)條件下兩相均勻性的變化范圍為14.8%～27.9%。Zheng等[18]搭建了氣液兩相分布實(shí)驗(yàn)臺，以空氣和水為介質(zhì)，在晃動(dòng)條件下，研究了注液密封封頭在PFHE中的流體分布特性。結(jié)果表明，隨著蒸汽質(zhì)量的提高，封頭內(nèi)的氣體分配性能比液體分配性能發(fā)生了更大的變化，同時(shí)低蒸汽質(zhì)量情況下的液體分配性能強(qiáng)烈地依賴于晃動(dòng)條件。除此之外，隨著質(zhì)量流量的增加，注液密封封頭中的氣液兩相分布性能增強(qiáng)，其晃動(dòng)阻力也隨之增大。Yuan等[19]提出了一種新型PFHE入口封頭結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是在封頭之前，氣體和液體分別進(jìn)入封頭，并在軟件中使用空氣-水混合物進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的封頭結(jié)構(gòu)相比，所提出的入口結(jié)構(gòu)可以顯著改善PFHE的流量分布。

2.3 換熱器熱應(yīng)力的研究

板翅式結(jié)構(gòu)作為PFHE的關(guān)鍵部件，在低溫工作環(huán)境下，若設(shè)計(jì)不合理，會引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中和熱沖擊。為保證板翅式結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)安全，也有不少學(xué)者針對FLNG板翅式換熱器的熱應(yīng)力問題作出了研究。

Ma等[20-21]建立了LNG換熱器降溫過程中板翅式結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特性模擬模型。模擬結(jié)果表明，等效應(yīng)力在釬焊接頭處迅速變化并達(dá)到峰值，在冷卻過程中在該區(qū)域產(chǎn)生裂紋。板翅式結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力受峰值溫度受變化速率的影響較小。Cho等[22]針對應(yīng)用在低溫領(lǐng)域的PFHE，提出了一種遺傳算法(GA)以在設(shè)計(jì)條件下獲得高效的熱層堆積模型，同時(shí)降低了異常條件下的熱應(yīng)力。結(jié)果表明，與常規(guī)方法相比，考慮異常工況的遺傳算法最終改善了23%。這一結(jié)果降低了非正常狀態(tài)下的熱應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)，并在正常狀態(tài)下提供了更好的傳熱性能。Ma等[23]提出了一種模擬LNG換熱器實(shí)際運(yùn)行過程中板翅式結(jié)構(gòu)應(yīng)力的模型。研究了不同操作參數(shù)對板翅式結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，在靠近翅片一側(cè)的釬焊接頭處能夠得到最大的應(yīng)力，在該區(qū)域內(nèi)將首先產(chǎn)生裂紋。等效應(yīng)力峰值隨天然氣(NG)和混合制冷劑(MR)換熱溫差的增大而逐漸增大，而受天然氣在換熱器內(nèi)進(jìn)出口溫差的影響較小。Ma等[24]基于有限元方法和熱彈性理論，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對板翅式結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，對應(yīng)用在LNG領(lǐng)域PFHE的實(shí)際運(yùn)行過程中，釬焊接頭處的應(yīng)力比較復(fù)雜，在靠近翅片的釬焊接頭處等效應(yīng)力會達(dá)到峰值。同時(shí)，板翅片結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力峰值受翅片高度和板厚的影響較小，而受釬縫厚度、翅片厚度和翅片間距的影響較大。

2.4 翅片設(shè)計(jì)的優(yōu)化研究

翅片結(jié)構(gòu)對PFHE的傳熱性能有著顯著的影響，廣泛的研究集中在翅片的優(yōu)化研究上。

Wen等[25]基于流體結(jié)構(gòu)相互作用(FSI)分析，對PFHE內(nèi)對鋸齒形翅片對流體流動(dòng)和傳熱的影響進(jìn)行了數(shù)值研究。對翅片高度、翅片間距、翅片厚度和翅片間斷長對傳熱、流動(dòng)阻力的影響以及二階相互作用進(jìn)行了定量和徹底的評估。結(jié)果表明，傳熱對翅片間斷長度最敏感，而流動(dòng)阻力和最大應(yīng)力受翅片厚度的影響最大。Hu等[26]為了對低溫系統(tǒng)中的PFHE進(jìn)行優(yōu)化，對PFHE中高效耐壓偏置條形翅片的兩相流沸騰傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，隨著蒸汽含量的提高，傳熱系數(shù)最初增加后下降，最大蒸汽含量為0.75～0.85。氣泡-環(huán)狀轉(zhuǎn)變和環(huán)狀-霧狀轉(zhuǎn)變的臨界條件分別對應(yīng)于0.92和0.985的空泡率。并根據(jù)研究和文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了偏置條形翅片通道內(nèi)流動(dòng)沸騰兩相換熱系數(shù)的新關(guān)聯(lián)式。Li等[27]搭建了低溫實(shí)驗(yàn)臺，以獲得實(shí)驗(yàn)中PFHE在兩相壓降下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明，流道內(nèi)的氣流摩擦因子隨著翅片厚度的增加而增加，當(dāng)翅片厚度從0.1 mm增加到0.4 mm，氣流摩擦因子增加幅度為306%～451%。兩相壓降的兩相倍增系數(shù)在3～35之間變化，并隨著翅片厚度和水力直徑的降低而增加。Li等[28]通過多目標(biāo)遺傳算法(MOGA)對低溫條件下 PFHE的鋸齒翅片進(jìn)行了綜合優(yōu)化。研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的翅片比原始結(jié)構(gòu)具有更好的換熱性能和更低的熱應(yīng)力。

3 結(jié)論

根據(jù)前述研究，針對PFHE在近海和兩相條件下的流量分配和傳熱特性研究也逐漸增多。此外，由于PFHE涉及的設(shè)計(jì)變量眾多，經(jīng)典的優(yōu)化算法在這種情況下并不適用，未來很可能會越來越多地采用進(jìn)化算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。我國南海海域蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，隨著國內(nèi)LNG需求量的不斷增加，近海天然氣油田的開采勢在必行。根據(jù)近海天然氣油田的生產(chǎn)狀況靈活配置FLNG將大大促進(jìn)對近海天然氣油田的開發(fā)，與此同時(shí)國內(nèi)在PFHE相關(guān)技術(shù)上的研究瓶頸和更優(yōu)設(shè)計(jì)也亟待突破。