晃動(dòng)對槽盤式再分布器性能的影響

唐建峰 崔 健 邢慶艷 張偉明 金新明 馬鵬飛

1.中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院 2.中國石油大學(xué)（華東）山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3.恒大集團(tuán)山東公司

隨著海洋資源勘探開發(fā)力度的不斷加大，世界各國陸續(xù)開始對海上天然氣資源進(jìn)行探索和研究[1-3]。浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置（Floating Liquef i ed Natural Gas，F(xiàn)LNG）可根據(jù)海上天然氣氣田的生產(chǎn)狀況進(jìn)行靈活配置，節(jié)約運(yùn)輸成本，不占用陸上空間，且安全環(huán)保[4-7]。作為最重要的塔內(nèi)件之一，再分布器對氣液流場的調(diào)整和矯正發(fā)揮著重要作用，直接關(guān)系到處理后氣體的品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益。而海上晃動(dòng)工況對塔內(nèi)件穩(wěn)定性、高效性等提出了更高要求[8-9]。

槽盤式再分布器集液體收集、液體分布和氣體分布3種作用于一體，具有占位低、抗堵塞性好、液體夾帶少、高彈性、壓力降較低等優(yōu)點(diǎn)[10-13]。從填料段底部流出的液體堆積到再分布器底板和塔壁構(gòu)成的空間內(nèi)，形成一定高度的液位。其中，擋液風(fēng)帽可以防止落下的液體進(jìn)入升氣管，同時(shí)起到均布?xì)怏w的作用；堆積在底板上的液體沒過升氣管上的出液孔時(shí)，在液體靜壓的作用下從出液孔流出，沿著導(dǎo)液管流到下一層填料上面，完成液體均布；從填料塔底部上來的氣體則流經(jīng)升氣管到達(dá)上層填料塔[6,14]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)主體流程

實(shí)驗(yàn)裝置和主體流程如圖1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用離心泵將儲(chǔ)水槽中的水按預(yù)定流量打入初始流場給定裝置中，初始流場給定裝置可以通過調(diào)節(jié)出口處的閥門將液體以一定偏流形式輸入到再分布器中，從而達(dá)到模擬填料內(nèi)液體偏流的效果。偏流后的液體經(jīng)過再分布器分配到下一層的流量檢測裝置。通過流量檢測段對再分布器分布后的液體流量進(jìn)行檢測，從而評價(jià)再分布器的分布效果。從再分布器流出的液體進(jìn)入回收水槽后通過軟管匯入到儲(chǔ)水槽，完成液體的循環(huán)。

圖1 氣液再分布器的實(shí)驗(yàn)流程圖

實(shí)驗(yàn)的主體部分，即初始流場給定裝置、再分布器段、流量檢測裝置和回收水槽都放置在晃動(dòng)平臺上，晃動(dòng)平臺可以實(shí)現(xiàn)六自由度的單獨(dú)晃動(dòng)以及多自由度耦合晃動(dòng)，通過調(diào)節(jié)晃動(dòng)幅度以及晃動(dòng)頻率實(shí)現(xiàn)不同晃動(dòng)工況[6-9]。

實(shí)驗(yàn)所用槽盤式再分布器尺寸為（圖2）：底板直徑為1.2 m，共有6個(gè)升氣管，升氣管寬度為80 mm，氣體通道占塔截面的35%，升氣管高為200 mm，孔口開設(shè)在距離底板20 mm處，孔口直徑為10 mm。給定不同的進(jìn)液條件，研究靜止、橫搖和縱搖工況下液體分布器的均布性能，得到晃動(dòng)對槽盤式再分布器性能影響規(guī)律。

1.2 初始流場給定裝置的確定

根據(jù)填料塔內(nèi)的偏流形式，對再分布器實(shí)驗(yàn)的液相初始流場給定裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)[15]。由于液相初始流場給定裝置需要隨再分布器一起晃動(dòng)，因此需要保證給定的流場在晃動(dòng)中保持穩(wěn)定。另外，進(jìn)液裝置需要保證3個(gè)區(qū)域的進(jìn)液量準(zhǔn)確可控，便于計(jì)算進(jìn)液的不均勻程度。設(shè)計(jì)后的初始流場給定裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 初始流場給定裝置示意圖

1.3 檢測裝置的設(shè)計(jì)

1.3.1 再分布器的主要指標(biāo)

由于再分布器的主要功能是收集填料段底部流出的不均勻液體并實(shí)現(xiàn)再均勻分布[16]，因此選取不均勻度（Mf）作為評價(jià)指標(biāo)[9,17]，其計(jì)算公式如下：

式中N表示所要計(jì)算出口的總個(gè)數(shù)；Qoi表示i號孔口出口的流出量口，流m量L，/s。mL/s；表示所要計(jì)算孔口的平均

1.3.2 檢測裝置的確定

實(shí)驗(yàn)通過接取并測量每個(gè)液體的出口流量以檢測液相不均勻度，實(shí)驗(yàn)中的流量檢測裝置如圖4所示。

圖4 流量檢測裝置示意圖

流量檢測裝置位于氣液再分布器下方，由量筒和推拉板組成，不接取液體時(shí)，推拉板向一側(cè)推開，各量筒與氣液再分布器出口相互錯(cuò)開。接取液體時(shí)，推拉板向內(nèi)推進(jìn)，每個(gè)再分布器出口與一個(gè)量筒對應(yīng)，接收一定時(shí)間內(nèi)的液體后，將推拉板拉出，完成液體流量的同時(shí)接取，通過讀取量筒流量數(shù)據(jù)，完成液體流量的測量，進(jìn)而完成對氣液再分布器各出口流量不均勻度的計(jì)算。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

建立槽盤式再分布器的幾何模型（圖2）。考慮到進(jìn)液的方向和槽內(nèi)液體流動(dòng)的軌跡，選擇方向性更強(qiáng)的六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從圓柱體的上表面到下表面方向上排列。圖5所示為槽盤式氣液再分布器網(wǎng)格劃分圖。

圖5 槽盤式氣液再分布器網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 邊界條件設(shè)置

模型采用捕捉氣液界面效果較好的VOF模型，壓力速度耦合采用Simple算法，動(dòng)量采用二階迎風(fēng)格式，湍流動(dòng)能和湍流耗散均采用一階迎風(fēng)格式。認(rèn)為水不可壓縮，進(jìn)料口處截面定義為速度入口，所有出口定義為壓力出口。模型的晃動(dòng)是通過導(dǎo)入U(xiǎn)DF（User-Def i ned Function）定義模型晃動(dòng)速度實(shí)現(xiàn)，橫搖及縱搖形式如圖6所示。

圖6 橫搖及縱搖晃動(dòng)形式圖

2.3 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確性，擬定了3組典型工況，對實(shí)驗(yàn)和模擬的結(jié)果進(jìn)行對比分析。

取1/4周期內(nèi)的0周期時(shí)刻、1/16周期時(shí)刻、2/16周期時(shí)刻、3/16周期時(shí)刻和4/16周期時(shí)刻的流量值記為Q0、Q1、Q2、Q3和Q4，計(jì)算Q0和Q1的平均值、Q1和Q2的平均值、Q2和Q3的平均值、Q3和Q4的平均值分別記為Q01、Q12、Q23、Q34，將Q01、Q12、Q23、Q34加和后乘以1/16周期的時(shí)間即近似為1/4周期內(nèi)的累計(jì)流量值。利用以上方法，對比靜止、橫搖5°和縱搖5°工況下的實(shí)驗(yàn)和模擬孔口流量，以其中一條槽上的孔口流量為例，對比結(jié)果如表1所示。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過處理后的模擬結(jié)果

表1 模擬與實(shí)驗(yàn)的孔口流量對比表

與實(shí)驗(yàn)結(jié)果匹配較好。其中，靜止工況和縱搖工況的孔口累計(jì)流量值誤差絕大多數(shù)都在5%以內(nèi)，模擬精度較高，絕大多數(shù)誤差在10%以內(nèi)，滿足工程精度要求。因此認(rèn)為數(shù)值模型建立和修正后較為準(zhǔn)確，可用于模擬研究。

3 靜止工況下的性能分析

3.1 全區(qū)域進(jìn)液工況

全區(qū)域進(jìn)液是給槽盤式再分布器的整個(gè)截面上均勻進(jìn)液，其中各槽上孔口流量分布如圖7所示。

從圖7可以看出，在靜止全區(qū)域均勻進(jìn)液的條件下，各個(gè)槽上的孔口流量分布十分均勻。其中位于再分布器兩側(cè)的1、6號槽上的孔口流量基本保持在50 mL/s左右，而2～5號槽上的孔口流量略有微波動(dòng)。此工況下槽盤式再分布器內(nèi)部的液位分布情況如圖8所示。

從圖8明顯看出，在此工況下槽盤式再分布器內(nèi)部液位十分穩(wěn)定，進(jìn)液帶來的液面波動(dòng)很小。穩(wěn)定的液位在各排孔口上形成的液體壓頭基本相同，根據(jù)孔口流速和加載到孔口上液體壓頭的關(guān)系，各孔口的出口流量基本保持一致。實(shí)驗(yàn)中各出口液體出流情況如圖9所示。

各個(gè)槽孔口流量的平均值和不均勻度值如表2所示。

從表2數(shù)據(jù)可以看出，在此工況下，各槽孔口流量的平均值和不均勻度均相近，并且各槽上孔口流量的不均勻度和整體孔口流量的不均勻度都維持在0.03以下，由此可知，在靜止全區(qū)域均勻進(jìn)液工況下，傳統(tǒng)的槽盤式再分布器的液體均布效果很好。

圖7 靜止全區(qū)域進(jìn)液工況下的孔口流量分布柱狀圖

圖8 靜止全區(qū)域進(jìn)液工況下的再分布器液位分布圖

圖9 靜止全區(qū)域進(jìn)液工況下各孔口液體出流情況照片

表2 靜止全區(qū)域進(jìn)液工況下各槽孔口的流量平均值和不均勻度值表

3.2 2/3區(qū)域進(jìn)液工況

2/3區(qū)域進(jìn)液是給再分布器進(jìn)行局部均勻進(jìn)液，其中各槽上孔口流量分布如圖10所示。

從圖10可以看出，雖然各槽上的孔口流量波動(dòng)仍然較小，但是相比于全區(qū)域進(jìn)液的工況，各孔口流量之間的高低差別有所增大。另外，雖然本次工況下整個(gè)再分布器截面上只有2/3區(qū)域進(jìn)液，但是再分布器各槽間未出現(xiàn)較大的平均流量差異。分析可知是由于底板上的液體連通性較好，落入再分布器的液體迅速串流并鋪滿整個(gè)再分布器截面，從而使得加載到各個(gè)孔口上的壓頭基本一致，出口流量也基本相同。各個(gè)槽孔口流量的平均值和不均勻度如表3所示。

圖10 靜止2/3區(qū)域進(jìn)液工況下的孔口流量分布柱狀圖

表3 靜止2/3區(qū)域進(jìn)液工況下各槽孔口流量平均值和不均勻度值表

從表3數(shù)據(jù)可以看出，此工況與全區(qū)域進(jìn)液相比，各槽的平均流量同樣保持基本一致，不均勻度較全區(qū)域進(jìn)液工況均有所增大，整體孔口流量的Mf值也略微增大，但增大幅度均很小?？梢娫陟o止工況下，2/3區(qū)域進(jìn)液對再分布器的流量均布效果影響較小。

3.3 1/3區(qū)域進(jìn)液工況

與2/3區(qū)域進(jìn)液類似，1/3區(qū)域進(jìn)液也是給再分布器進(jìn)行局部均勻進(jìn)液，各槽上的孔口流量分布如圖11所示。

從圖11可以看出，與全區(qū)域進(jìn)液的工況相比，此工況下各孔口的流量波動(dòng)情況也有所增加，與2/3區(qū)域進(jìn)液的情況類似，總體上仍保持較高的分布質(zhì)量。因此1/3區(qū)域進(jìn)液工況給槽盤式再分布器各槽孔口流量帶來的影響仍較小。各個(gè)槽孔口流量的平均值和不均勻度如表4所示。

從表4數(shù)據(jù)可以看出，此工況下各槽孔口平均流量之間的差別很小，孔口流量的不均勻度較全區(qū)域進(jìn)液工況有所增大，但同樣維持在0.03左右。從整體分布質(zhì)量上比較，全區(qū)域進(jìn)液情況優(yōu)于2/3區(qū)域進(jìn)液情況及1/3區(qū)域進(jìn)液情況，但是3組工況間的差異很小。

綜上可知，在靜止工況下，即使進(jìn)液出現(xiàn)較為極端的2/3區(qū)域進(jìn)液或者1/3區(qū)域進(jìn)液的情況，由于槽盤式再分布器的水平度較高，內(nèi)部連通性較好，液體能迅速形成穩(wěn)定且高度一致的液位，所以液體均布性保持較好，即靜止工況下槽盤式再分布器對偏流進(jìn)液的再均布效果較好，且與偏流程度基本無關(guān)。同時(shí)，下文晃動(dòng)工況下的進(jìn)液條件僅選取全區(qū)域進(jìn)液工況和2/3區(qū)域進(jìn)液工況。

4 晃動(dòng)工況下的性能分析

4.1 橫搖工況

4.1.1 全區(qū)域進(jìn)液工況

橫搖5°全區(qū)域進(jìn)液情況下各槽上孔口在1/4晃動(dòng)周期內(nèi)的平均流量分布如圖12所示。

在此工況下，由于再分布器向編號較小的孔口一側(cè)傾斜，內(nèi)部液位隨之發(fā)生傾斜，圖13顯示的是再分布器傾斜到最大角度時(shí)的內(nèi)部液位分布情況。傾斜的液位導(dǎo)致加載到各排孔口上的液體壓頭不同，各孔口的流量也產(chǎn)生較大差別。從圖12中可以看出，各槽上的孔口流量分布規(guī)律基本一致，以2號槽為例，處于晃動(dòng)較低位置的1～4號孔口流量較大，處于晃動(dòng)較高位置的5～8號孔口流量較小，并且高低位置處孔口的平均流量差異較大。

圖11 靜止1/3區(qū)域進(jìn)液工況下的孔口流量分布柱狀圖

表4 靜止1/3區(qū)域進(jìn)液工況下各槽孔口的流量平均值和不均勻度值表

圖12 橫搖5°全區(qū)域進(jìn)液工況下的孔口流量分布柱狀圖

從圖13中可以看出，隨著晃動(dòng)的進(jìn)行，特別是在橫搖到最大角度時(shí)，再分布器內(nèi)部液位發(fā)生明顯偏移，在晃動(dòng)過程中處于較高位置處底板上的液位逐漸降低，這部分區(qū)域內(nèi)的孔口流量逐漸減小直至無液體流出，因此大幅度降低了再分布器整體的均布質(zhì)量。各個(gè)槽上孔口流量的平均值和不均勻度如表5所示。

從表5中數(shù)據(jù)可以看出，雖然每個(gè)槽上孔口的平均流量基本相同，但是由于每一排上各孔口之間的流量存在較大差異，使得每個(gè)槽上的孔口流量不均勻度和整體的孔口流量不均勻度數(shù)值較大，基本上都在0.5～0.6之間，與靜止工況下的不均勻度相比，數(shù)值增大了一個(gè)數(shù)量級，分布質(zhì)量下降了一個(gè)等級。

4.1.2 2/3區(qū)域進(jìn)液工況

橫搖5°2/3區(qū)域進(jìn)液情況下各槽上孔口在1/4晃動(dòng)周期內(nèi)的平均流量分布如圖14所示。

圖13 橫搖5°全區(qū)域進(jìn)液工況下再分布器液位分布圖

表5 橫搖5°全區(qū)域進(jìn)液工況下各槽孔口流量平均值和不均勻度值表

圖14 橫搖5°2/3區(qū)域進(jìn)液工況下的孔口流量分布柱狀圖

從圖14中可以看出，此工況下的各孔口流量分布與全區(qū)域進(jìn)液下的流量分布規(guī)律是相似的，區(qū)別在于此工況下各槽上1號孔口的流量更大，8號孔口的流量更小，各個(gè)槽的左右側(cè)孔口流量差異更大。主要是由于橫搖帶來的液位傾斜造成的，區(qū)域偏流帶來的影響效果不明顯。各個(gè)槽孔口流量的平均值和不均勻度如表6所示。

從表6數(shù)據(jù)可以看出，與橫搖5°全區(qū)域進(jìn)液的情況類似，此工況下各槽孔口的平均流量基本一致，都在50 mL/s左右。但是各槽孔口流量的不均勻度和整體不均勻度較大，基本都在0.6左右，比全區(qū)域進(jìn)液情況更惡劣，但是下降的程度與橫搖本身帶來的影響程度相比明顯要小?？梢姍M搖工況下槽盤式氣液再分布器分布質(zhì)量下降的原因主要是液面傾斜，偏流程度帶來的影響效果較小。

4.2 縱搖工況

4.2.1 全區(qū)域進(jìn)液工況

縱搖5°全區(qū)域進(jìn)液情況下各槽上孔口在1/4晃動(dòng)周期內(nèi)的平均流量分布如圖15所示。

如圖15所示，由于縱搖運(yùn)動(dòng)，氣液再分布器向槽編號較小的一側(cè)傾斜，造成1、2、3號槽附近的液位較高，孔口流量也相應(yīng)變大；4、5、6號槽附近的液位較低，孔口流量也相應(yīng)變小。槽內(nèi)液位如圖16所示，液位高度的變化導(dǎo)致各排孔口流量產(chǎn)生差異。從圖16中可以明顯看出，1號和6號槽的平均流量差距最大，2號槽和5號槽次之，3號槽和4號槽最小，各排槽上孔口之間的流量波動(dòng)情況較靜止工況下也有所增大。

各個(gè)槽孔口流量的平均值和不均勻度如表7所示。

從表7數(shù)據(jù)可以看出，與橫搖工況不同，縱搖工況帶來的影響主要表現(xiàn)在各排槽上孔口流量的平均值之間產(chǎn)生較大差異，但是每排槽上孔口流量的不均勻度較小，大多在0.04以下。由于各槽孔口平均流量之間存在較大差異，縱搖工況下整體的不均勻度達(dá)到0.373 6，與橫搖工況下整體的不均勻度0.599 1相比，雖然分布效果受影響的程度更小，但是與靜止工況相比仍然提高了一個(gè)數(shù)量級。

表6 橫搖5°2/3區(qū)域進(jìn)液工況下各槽孔口流量平均值和不均勻度值表

圖15 縱搖5°全區(qū)域進(jìn)液工況下的孔口流量分布柱狀圖

圖16 縱搖5°全區(qū)域進(jìn)液工況下再分布器液位分布圖

表7 縱搖5°全區(qū)域進(jìn)液工況下各槽孔口流量平均值和不均勻度值表

4.2.2 2/3區(qū)域進(jìn)液工況

縱搖5°2/3區(qū)域進(jìn)液情況下各槽上孔口在1/4晃動(dòng)周期內(nèi)的平均流量分布如圖17所示。

此工況下，各槽孔口流量的分布規(guī)律同縱搖全區(qū)域進(jìn)液工況類似，主要表現(xiàn)為各槽孔口平均流量之間的差異較大，而2/3區(qū)域進(jìn)液的邊界條件未帶來較為明顯的影響效果。各個(gè)槽孔口流量的平均值和不均勻度如表8所示。

表8中數(shù)據(jù)同樣顯示出，在此工況下，各槽孔口流量的不均勻度維持在同一個(gè)數(shù)量級，但是整體流量的不均勻度到達(dá)了0.375 2，與縱搖全區(qū)域進(jìn)液工況下的整體流量不均勻度基本相同?？梢?，區(qū)域偏流在縱搖工況中的影響程度同樣很小。

圖17 縱搖5°2/3區(qū)域進(jìn)液工況下的孔口流量分布柱狀圖

表8 縱搖5°2/3區(qū)域進(jìn)液工況下各槽孔口流量平均值和不均勻度值表

5 結(jié)論

1）靜止工況下，由于傳統(tǒng)的槽盤式再分布器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上滿足噴淋點(diǎn)足夠多、噴淋點(diǎn)位置均布的要求，并且水平條件下的再分布器內(nèi)部液位保持一致，因此各噴淋點(diǎn)的出液量基本保持相同，整體孔口流量的不均勻度數(shù)值在10－2數(shù)量級上，均布性很好。

2）靜止、橫搖和縱搖工況下，進(jìn)液偏流程度的改變對槽盤式再分布器均布效果的影響程度很小，橫搖5°和縱搖5°時(shí)，全區(qū)域進(jìn)液和極端的2/3區(qū)域進(jìn)液情況下的整體孔口流量不均勻度差值在5%以內(nèi)，基本可以忽略，再分布器均布效果下降的主要原因是液體偏移造成的液位高低差異。

3）橫搖5°工況下槽盤式再分布器的整體孔口流量不均勻度增大至0.5以上，縱搖5°工況下增大至0.3以上?；蝿?dòng)5°工況下，無論全區(qū)域均勻進(jìn)液還是偏流進(jìn)液，槽盤式再分布器出口均布效果均較差，受海上工況影響較大。

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