陳 林，馬 爽，張曉慧，陳嘉祥，密曉光，馮永昌，徐振軍，陳 杰

（1.中國科學(xué)院 工程熱物理研究所，北京 100190； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028；4.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東青島 266109）

0 引言

低溫制冷系統(tǒng)在人們的生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，低溫大質(zhì)流密度流動(dòng)傳熱技術(shù)是其中一個(gè)重要的分支。LNG/FLNG 繞管式換熱器是天然氣工程領(lǐng)域的核心裝備之一，特別是在我國南海等深遠(yuǎn)海海洋液化天然氣供應(yīng)方面具有重要的戰(zhàn)略意義［1-2］。在天然氣液化過程中繞管式換熱器是最常用的主低溫?fù)Q熱器［3］。相應(yīng)的液化過程中需要超低溫度環(huán)境和大的工質(zhì)質(zhì)流密度［4-5］。LNG繞管式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、壓降小、換熱面積大、換熱效率高、耐高壓、設(shè)備安全和能夠規(guī)?；a(chǎn)的特點(diǎn)［6］，它的性能對天然氣的液化量存在重要影響［7］。繞管式換熱器內(nèi)部流動(dòng)與傳熱機(jī)理的研究是國產(chǎn)化的前提與基礎(chǔ)［8-11］。為了獲取繞管式換熱器在不同流形、不同工況下的換熱系數(shù)和預(yù)冷、液化、深冷工況下的換熱和壓降特征，國內(nèi)外的專家學(xué)者開展了大量的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究［12-19］。然而數(shù)值模擬需要以試驗(yàn)得到的不同工況和不同流形下的真實(shí)換熱系數(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的驗(yàn)證。

近年來國內(nèi)外相關(guān)課題組已設(shè)計(jì)搭建了研究繞管式換熱器殼側(cè)流動(dòng)換熱特性的小型試驗(yàn)系統(tǒng)［20-26］，但目前大質(zhì)流密度流動(dòng)傳熱試驗(yàn)系統(tǒng)研究并不多見。例如，挪威的NEERAAS 等［21］設(shè)計(jì)了用于LNG 繞管式換熱器殼側(cè)工質(zhì)流動(dòng)傳熱試驗(yàn)系統(tǒng)，涵蓋了質(zhì)流密度范圍30～120 kg/（m2·s），研究了甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等工質(zhì)組分，獲得了殼側(cè)傳熱系數(shù)隨雷諾數(shù)增大而增大的結(jié)論，同時(shí)基于Bays 和McAdams 關(guān)聯(lián)式［27］將Nu 和無量綱管徑參數(shù)、Re、Pr 相關(guān)聯(lián)，開發(fā)了殼側(cè)液相流強(qiáng)制對流傳熱關(guān)聯(lián)式。朱建魯?shù)龋?2］設(shè)計(jì)了雙混合制冷劑液化工藝試驗(yàn)裝置，其預(yù)冷模塊采用板翅式換熱器，深冷段采用繞管式換熱器，在設(shè)計(jì)流量為7.336 kg/h 條件下，實(shí)現(xiàn)了-50～-160 ℃試驗(yàn)。李豐志等［23］采用泵作為驅(qū)動(dòng)裝置，通過改變泵的頻率進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對管內(nèi)的混合工質(zhì)在質(zhì)流密度為200～600 kg/（m2·s）時(shí)混合工質(zhì)測量試驗(yàn)。王剛等［24］設(shè)計(jì)了能夠滿足換熱量為50 000 m3/d 的小型天然氣液化系統(tǒng)，進(jìn)行試驗(yàn)得出每排管的平均換熱效率為43.28%。丁超等［26］選取丙烷和乙烷/丙烷混合物（摩爾配比范圍為10：90～60：40）作為試驗(yàn)工質(zhì)。選取層間距直徑比為1.08～1.33，管間距直徑比為1.17～1.50 的測試件，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)流密度為40～80 kg/（m2·s）、熱流密度為4～10 kW/m2、干度為0.2～0.9、運(yùn)行壓力為0.25 MPa的針對LNG 繞管式換熱器換熱特性試驗(yàn)系統(tǒng)。

已有試驗(yàn)系統(tǒng)規(guī)模相對較小，其中低溫制冷工質(zhì)質(zhì)量流量密度覆蓋了小型換熱器的區(qū)間且實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)還相對較少。因此，本研究搭建了質(zhì)流密度范圍20～140 kg/（m2·s）、干度范圍0～1、熱流密度范圍0～12 kW/m2的流動(dòng)傳熱試驗(yàn)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)際規(guī)模條件下繞管式換熱器殼側(cè)流動(dòng)換熱特性研究。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整體系統(tǒng)和試驗(yàn)段測試目標(biāo)

LNG/FLNG 繞管式換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由殼體、中心筒、管板和繞管組成，如圖1（a）所示［28］。LNG/FLNG 繞管式換熱器基本流動(dòng)傳熱單元可簡化為如圖1（b）所示的測試件。測試樣件的設(shè)計(jì)需要能夠反映殼側(cè)流體通道結(jié)構(gòu)和流動(dòng)特征，實(shí)現(xiàn)流型觀測及對傳熱系數(shù)、壓降值的測量。本試驗(yàn)平臺測試樣件中纏繞直徑為1.0 m，繞管外徑為12 mm，內(nèi)徑為6 mm，層間距為1 mm，管間距為4 mm，螺旋升角為4°。

為實(shí)現(xiàn)傳熱系數(shù)精準(zhǔn)測量，在測試樣件內(nèi)部中間位置選擇4 排繞管作為傳熱測試區(qū)，在繞管內(nèi)部布置電加熱棒作為熱源并反饋獲取熱流密度，繞管管壁內(nèi)部沿軸向打孔至中心位置布置熱電偶測量壁面溫度，傳熱測試區(qū)進(jìn)出口布置熱電偶測量工質(zhì)溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對局部傳熱系數(shù)的測量。

為了實(shí)現(xiàn)換熱器殼程流體傳熱與壓降特性的測試，獲取流型圖像、傳熱數(shù)據(jù)與壓降數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需滿足試驗(yàn)工況控制需求、安全防爆需求等。設(shè)計(jì)壓力選定為6.0 MPa，最低溫度為-196 ℃。

1.2 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

本試驗(yàn)系統(tǒng)包括主循環(huán)回路、冷卻回路、控制系統(tǒng)等，如圖2 所示。試驗(yàn)系統(tǒng)工況范圍見表1。

經(jīng)過壓縮后的高壓工質(zhì)依次進(jìn)入氣化回?zé)崞?、冷水機(jī)組換熱器、冷凍機(jī)組換熱器和液氮換熱器，降溫冷凝為過冷液態(tài)狀態(tài)，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流至所需要的蒸發(fā)壓力后，進(jìn)入干度調(diào)節(jié)換熱器加熱至所需要的干度后進(jìn)入測試樣件進(jìn)行流動(dòng)傳熱相關(guān)測試，然后進(jìn)入氣化回?zé)崞骷訜嶂吝^熱狀態(tài)，再進(jìn)入緩沖罐，最后返回壓縮機(jī)完成測試循環(huán)。

壓縮機(jī)和冷水機(jī)組換熱器之間設(shè)置有氣化回?zé)崞?，可完成工質(zhì)循環(huán)過程冷能和熱能的回收利用，降低工質(zhì)降溫液化和加熱氣化的能耗。壓縮機(jī)入口設(shè)置有緩沖罐。氣化回?zé)崞髋c緩沖罐之間設(shè)置有電加熱器以維持緩沖罐入口工質(zhì)過熱狀態(tài)。冷水機(jī)組和冷凍機(jī)組入口均設(shè)置旁通回路，當(dāng)回?zé)崞鞒隹诠べ|(zhì)溫度過低時(shí)，根據(jù)具體溫度情況選擇不經(jīng)過冷水機(jī)組或冷凍機(jī)組換熱器。

壓縮機(jī)和節(jié)流閥均設(shè)置有旁通管路，實(shí)現(xiàn)測試樣件入口工質(zhì)流量的調(diào)節(jié)。干度調(diào)節(jié)換熱器采用輻射式電加熱器，工質(zhì)管路通過與周圍電加熱絲之間的輻射換熱實(shí)現(xiàn)加熱過程，可避免積液問題。測試樣件觀測窗采用雙層玻璃視窗結(jié)構(gòu)。內(nèi)層與外層玻璃之間設(shè)置夾層，夾層抽真空實(shí)現(xiàn)保溫隔熱，避免影響觀測效果。采用觀測視窗（直徑為0.15 m），可觀測8 排管束流型。

為實(shí)現(xiàn)大質(zhì)流密度設(shè)計(jì)和寬工況范圍調(diào)節(jié)，采取多種措施：（1）壓縮機(jī)設(shè)置外部回流管路，通過氣動(dòng)回流閥實(shí)現(xiàn)寬工況流量自動(dòng)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)；（2）冷水機(jī)組設(shè)置冷水水箱作為緩沖模塊，通過冷水流量自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)冷卻負(fù)荷控制；（3）冷凍機(jī)組通過內(nèi)部制冷劑流量調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)0～100%負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)；（4）液氮出口管路設(shè)置氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)液氮流量。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)基本設(shè)備構(gòu)成

按照SHSG-053-2011《石油化工裝置詳細(xì)工程設(shè)計(jì)內(nèi)容規(guī)定》、HG/T 20688-2000《化工工廠初步設(shè)計(jì)文件內(nèi)容深度規(guī)定》，開展測試樣件制作、試驗(yàn)裝置搭建和控制系統(tǒng)開發(fā)。本試驗(yàn)系統(tǒng)主要設(shè)備基礎(chǔ)參數(shù)見表2。

表2 主要設(shè)備參數(shù)Tab.2 Main equipment parameters

系統(tǒng)中設(shè)置了強(qiáng)制通風(fēng)機(jī)排風(fēng)系統(tǒng)，可抽取有可能會(huì)泄漏的氣體并通過風(fēng)道排放至室外空間。本試驗(yàn)系統(tǒng)低溫管道及設(shè)備均采用二烯烴與丁晴橡膠保溫材料相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)良好保溫。

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括壓縮機(jī)、冷卻塔、回?zé)崞鳌⒗渌畽C(jī)組、冷凍機(jī)組、冷水機(jī)組換熱器、冷凍機(jī)組換熱器、液氮換熱器、干度調(diào)節(jié)電加熱器、過熱電加熱器等設(shè)備（如圖2 所示）。第一級由冷水機(jī)組、冷水水箱和板翅換熱器組成，第二級由冷凍機(jī)組與板翅式換熱器組成，第三級由液氮與微通道換熱器組成。

3 試驗(yàn)裝置運(yùn)行

在系統(tǒng)安裝完畢后和正式進(jìn)行試驗(yàn)之前，需要對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，保證系統(tǒng)滿足開展試驗(yàn)工作的各項(xiàng)條件，如圖3 所示，主要調(diào)試內(nèi)容包括：調(diào)試前的檢查，系統(tǒng)吹掃，系統(tǒng)氣密性檢查，隔膜壓縮機(jī)調(diào)試和控制系統(tǒng)調(diào)試等。

圖3 試驗(yàn)裝置調(diào)試流程Fig. 3 Experimental device debugging process

3.1 系統(tǒng)吹掃和氣密性檢查

調(diào)試前檢查合格后進(jìn)行系統(tǒng)清掃。系統(tǒng)安裝過程中，由于各管道和設(shè)備內(nèi)部殘留的灰塵等顆粒，以及在管道切割、焊接過程中產(chǎn)生的鐵屑、焊渣等雜質(zhì)顆粒，會(huì)導(dǎo)致閥門卡死、管線和設(shè)備堵塞，甚至可能進(jìn)入壓縮機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備，進(jìn)而引起系統(tǒng)故障和損壞。因此在系統(tǒng)正式運(yùn)行之前，需要通過帶有一定壓力和流速的氣體進(jìn)行吹掃，將這些雜質(zhì)吹到外界，以保持系統(tǒng)內(nèi)部的潔凈。

3.2 系統(tǒng)及控制調(diào)試

完成系統(tǒng)氣密性檢查后首先進(jìn)行了保壓測試。經(jīng)測試，24 h 平均漏率小于6‰，符合設(shè)計(jì)要求。保壓后開展系統(tǒng)調(diào)試。首先進(jìn)行壓縮機(jī)調(diào)試，主要步驟為：拆卸安裝→系統(tǒng)連接→油路、水路、氣路系統(tǒng)調(diào)試→電力系統(tǒng)調(diào)試。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行操作步驟

確保平臺供電設(shè)施和各部分設(shè)備處于正常狀態(tài)，在供氣壓力滿足要求的條件下進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行開車。按壓縮機(jī)、冷水機(jī)組、冷凍機(jī)組、各電加熱器的單體設(shè)備操作規(guī)程進(jìn)行單項(xiàng)設(shè)備啟動(dòng)前檢查。在壓縮機(jī)啟動(dòng)條件具備的情況下，先開啟壓縮機(jī)再供應(yīng)液氮和啟動(dòng)電加熱器，避免在無工質(zhì)情況下出現(xiàn)液氮換熱器溫度過低和電加熱器溫度過高的問題。啟動(dòng)過程中逐漸增加工質(zhì)流量、液氮流量以及各加熱/冷卻器負(fù)荷，避免管路和各設(shè)備溫度劇烈變化。停車過程中，先停止液氮供應(yīng)、關(guān)閉電加熱器，后關(guān)閉壓縮機(jī)，避免液氮冷卻器溫度過低和電加熱器溫度過高。

4 試驗(yàn)系統(tǒng)誤差分析

4.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊集成在DCS 控制系統(tǒng)內(nèi)，如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)原理Fig.4 Control system schematic

DSC 控制系統(tǒng)主要包括NI 數(shù)據(jù)采集模塊和PLC 信號處理單元?？刂葡到y(tǒng)可調(diào)用外部程序函數(shù)進(jìn)行物性計(jì)算，實(shí)現(xiàn)與物性程序交互，實(shí)現(xiàn)傳熱系數(shù)與摩擦壓降等試驗(yàn)數(shù)據(jù)的推導(dǎo)計(jì)算等功能。DCS 控制系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備啟停、運(yùn)行模式選擇與參數(shù)調(diào)整等遠(yuǎn)程控制功能。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)節(jié)通過上位機(jī)軟件遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)。

4.2 直接測量獲得的主要參數(shù)及其誤差

系統(tǒng)直接測量獲得的主要參數(shù)見表3。

4.3 通過數(shù)據(jù)導(dǎo)出計(jì)算獲得的參數(shù)

計(jì)算相應(yīng)傳熱系數(shù)、摩擦壓降和質(zhì)流密度獲得測試件流通面積及質(zhì)量流量，結(jié)果見表4。

表4 測試件結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)及流通面積與流量計(jì)算結(jié)果Tab. 4 The structural dimension parameters of the test piece and the calculation results of the flow area and flow rate

本試驗(yàn)中對于直接測量得到的參數(shù)，選取的熱電偶精度為±0.1 ℃。質(zhì)量流量通過科氏流量計(jì)測量獲得，精度為±0.1%，在試驗(yàn)工況內(nèi)最大絕對誤差小于1.2 kg/h。系統(tǒng)傳熱系數(shù)測量誤差小于5.18%；壓力測量誤差小于1.5 kPa（最高運(yùn)行壓力為3 MPa 時(shí)）；試驗(yàn)中，壓降測試段的壓力變化在1 000 ～ 20 000 Pa 之間，本試驗(yàn)裝置的壓降測量絕對誤差小于2.5 Pa（5 kPa 量程時(shí)）及小于25 Pa（50 kPa 量程時(shí)），其相對誤差均小于0.25%；干度誤差小于0.014。

5 系統(tǒng)試運(yùn)行結(jié)果分析

為了驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，進(jìn)行了預(yù)冷段換熱試驗(yàn)。在干度為0.4，質(zhì)流密度為120 kg/h 的測試工況下獲得了系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)位溫度和壓力隨時(shí)間變化曲線如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)位溫度和壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Temperature and pressure curves of key points in the system over time

圖5 中主要對試驗(yàn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵點(diǎn)位的溫度和壓力開展分析。圖5（a）中所有部件的入口和出口溫度經(jīng)調(diào)試達(dá)到穩(wěn)定條件。圖5（b）中所有部件的入口和出口壓力隨時(shí)間略有升高，其中液氮冷凝換熱器出口的壓力隨時(shí)間變化曲線波動(dòng)范圍為0.406～0.415 MPa，所有部件整體處于平穩(wěn)狀態(tài)。據(jù)此，該系統(tǒng)可以滿足對LNG/FLNG 繞管式換熱器殼程流體傳熱與壓降特性的測試。

6 結(jié)論

（1）為滿足試驗(yàn)測試需求和試驗(yàn)安全要求，選定設(shè)計(jì)壓力為6.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度為-196 ℃；試驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)連接搭建、吹掃調(diào)試、部件運(yùn)行調(diào)試、裸冷調(diào)試、運(yùn)行調(diào)試，表明系統(tǒng)運(yùn)行正常，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

（2）通過測算估計(jì)，系統(tǒng)溫度誤差不大于1 ℃，壓力絕對誤差小于10 kPa，壓降誤差小于2 kPa，測試段干度的誤差小于2%，循環(huán)質(zhì)量流量誤差小于5 kg/h。

（3）通過對試驗(yàn)系統(tǒng)中的主要部件溫度和壓力運(yùn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，可以滿足對繞管式換熱器殼程大質(zhì)流密度條件下特性試驗(yàn)要求。