浮式天然氣液化實(shí)驗裝置用于開放實(shí)驗的探討

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)驗裝置用于開放實(shí)驗的探討

韓 輝，李玉星，王武昌，朱建魯，王少煒，孫崇正

（中國石油大學(xué)（華東） 儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院 山東省油氣儲運(yùn)安全省級重點(diǎn)實(shí)驗室，山東 青島 266580）

設(shè)計搭建了小型浮式天然氣液化實(shí)驗裝置，介紹了實(shí)驗系統(tǒng)的工藝流程、測試段設(shè)計、浮式測試平臺及裝置的工作參數(shù)，分析了該裝置的特點(diǎn)及用于開放實(shí)驗教學(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)計了低溫冷劑降膜流動可視化測量實(shí)驗、繞管式換熱器殼側(cè)降膜蒸發(fā)換熱和壓降性能測試實(shí)驗、浮式條件下設(shè)備的抗晃蕩設(shè)計和驗證實(shí)驗。該系列實(shí)驗項目的實(shí)際開放情況達(dá)到了實(shí)驗的預(yù)期效果。

開放實(shí)驗；浮式液化天然氣；繞管式換熱器

環(huán)保政策促進(jìn)了國內(nèi)天然氣市場的發(fā)展，液化天然氣（LNG）作為天然氣的重要輸送和儲存形式，在保障居民用氣、工業(yè)用氣及車載燃料等方面的作用日益顯著。2018年進(jìn)口LNG占我國天然氣消費(fèi)總量的26.5%[1-2]，消費(fèi)的劇增帶動了產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，近年來一些LNG關(guān)鍵技術(shù)和重要裝備先后實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn) 化[3-6]。我校于2009年起在油氣儲運(yùn)工程專業(yè)開設(shè)了液化天然氣利用技術(shù)專業(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、儲存、氣化、站場設(shè)計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)驗開展困難。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[8-9]，幫助學(xué)生理解液化工程。2019年，我校油氣儲運(yùn)專業(yè)迎來本科專業(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]，并考慮到目前專業(yè)課程實(shí)驗以工藝實(shí)驗為主、對液化設(shè)備的涉及較少的現(xiàn)狀，以學(xué)校的開放實(shí)驗為契機(jī)[11]，以國家自然科學(xué)基金“浮式天然氣液化過程低溫冷劑降膜流動與換熱特性研究”項目為依托，重新搭建了一套小型浮式天然氣液化實(shí)驗裝置。浮式液化裝置是海上天然氣開發(fā)的關(guān)鍵，也是目前的研究熱點(diǎn)[12]。試圖將浮式LNG液化過程中繞管式換熱器的相關(guān)實(shí)驗融入到課程開放實(shí)驗中，幫助學(xué)生結(jié)合液化過程理解換熱設(shè)備的工作機(jī)制和存在問題，指導(dǎo)學(xué)生開展設(shè)備性能測試和改進(jìn)研究，促進(jìn)學(xué)生將所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為解決工程問題的能力。

1 實(shí)驗系統(tǒng)設(shè)計

1.1 實(shí)驗系統(tǒng)的工藝流程

繞管式換熱器是天然氣液化過程最主要的低溫?fù)Q熱器，在各種液化系統(tǒng)中的應(yīng)用比例超過90%[13]。實(shí)驗系統(tǒng)可以模擬液化過程中低溫冷劑在繞管式換熱器殼側(cè)的流動和換熱過程，實(shí)現(xiàn)降膜流動的流型觀測和換熱性能測試，同時借助定制的多自由度運(yùn)動平臺，模擬設(shè)備在海上風(fēng)浪條件下的工作過程，實(shí)驗系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。實(shí)驗裝置由氣、液相循環(huán)系統(tǒng)和浮式測試平臺組成。其中，氣相循環(huán)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)液化過程低溫冷劑的換熱過程，具體流程為：氣相冷劑經(jīng)過羅茨風(fēng)機(jī)增壓到0.2 MPa，經(jīng)質(zhì)量流量計計量，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)由上向下流動并與換熱管換熱，經(jīng)過降膜蒸發(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)降膜流動過程，具體流程為：液相冷劑經(jīng)過泵增壓，計量后進(jìn)入測試段，工質(zhì)在殼側(cè)降膜流動，從測試段底部流出，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)驗段置于浮式測試平臺上，平臺能夠通過軟件控制實(shí)現(xiàn)傾斜、平動、轉(zhuǎn)動等單一或組合形式的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)海上浮式工況模擬。

圖1 浮式天然氣液化實(shí)驗裝置流程圖

實(shí)驗裝置的管道、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)組等動力設(shè)備的噪音和安全性，將主要動力設(shè)備貼墻放置，其中風(fēng)機(jī)和工質(zhì)泵置于測試平臺兩側(cè)，氣化器、分離器等置于裝置內(nèi)側(cè)，測試平臺置于裝置前方?？紤]室內(nèi)實(shí)驗安全性，降膜流型冷態(tài)實(shí)驗采用戊烷作為循環(huán)工質(zhì)，戊烷的黏度與冷劑的黏度較為接近，用于流型觀測較為準(zhǔn)確；由于降膜蒸發(fā)換熱實(shí)驗工質(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，能使測試結(jié)果更接近實(shí)際。

圖2 實(shí)驗裝置的布置

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

表1 實(shí)驗裝置的主要參數(shù)

1.2 實(shí)驗件的設(shè)計

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管組成。實(shí)驗件按真實(shí)繞管式換熱器進(jìn)行設(shè)計，如圖3所示，由內(nèi)層殼體、外層殼體、盤管、布液管、卡條和兩端蓋板組成。實(shí)驗件材料為鋁合金框架和曲面有機(jī)玻璃，實(shí)驗件的高度為636 mm，寬度為296 mm，長度為198 mm，曲面有機(jī)玻璃的厚度為10 mm。為了方便更換盤管，實(shí)驗件的各部分采用卡槽和螺栓連接。盤管通過卡條固定在內(nèi)外殼中間，盤管間距通過更換不同卡條來調(diào)節(jié)。

圖3 繞管式換熱器實(shí)驗件

1.3 浮式測試平臺

浮式測試平臺包括：多自由度運(yùn)動平臺、壓力溫度采集和圖像采集。實(shí)驗件放在定制的多自由度運(yùn)動平臺上，通過軟管與氣、液相管路連接，如圖4所示。小型運(yùn)動平臺表面尺寸1.5 m×0.5 m，負(fù)載70 kg，可通過軟件控制實(shí)現(xiàn)傾斜、晃動和平移運(yùn)動，平臺最大傾角12°，最大角速度為3.5°/s，最大移動速度20 mm/s。實(shí)驗過程除采集氣、液相進(jìn)出口的壓力、溫度及管壁表面溫度外，在冷態(tài)條件下通過安裝在實(shí)驗件正面的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 測試平臺實(shí)物圖

2 用于開放實(shí)驗的可行性分析

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

（1）良好的實(shí)驗穩(wěn)定性。常規(guī)的液化工藝復(fù)雜度高，液化設(shè)備換熱過程不穩(wěn)定，當(dāng)前裝置用低溫制冷機(jī)取代了多級節(jié)流，簡化了液化流程，提高了實(shí)驗過程和測量結(jié)果的穩(wěn)定性。

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

（3）裝置易于操作。實(shí)驗測試工作集中在小型測試平臺，便于觀測和數(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、圖像觀測和平臺操控，實(shí)驗件尺寸小、重量輕，易于更換和快速拆裝。

開放實(shí)驗安排在暑期小學(xué)期進(jìn)行，通常3~5人為一組，由學(xué)生自愿報名參加，實(shí)驗持續(xù)1周時間。利用該實(shí)驗裝置能夠進(jìn)行靜態(tài)條件下的流動和換熱實(shí)驗，也可進(jìn)行浮式條件下的性能測試，通過設(shè)計的可快速拆裝的測試段，能夠方便地進(jìn)行不同實(shí)驗件的性能對比測試。實(shí)驗開始進(jìn)行時，2人負(fù)責(zé)安裝實(shí)驗件，啟動動力設(shè)備和調(diào)節(jié)閥門，1人通過中控操作測試平臺和采集實(shí)驗數(shù)據(jù)。學(xué)生進(jìn)行冷態(tài)實(shí)驗時，首先開機(jī)完成循環(huán)，保持流量在某一實(shí)驗值5~10 min，觀察實(shí)驗段的降膜流動形態(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)驗時，向分離器內(nèi)加注工質(zhì)，然后啟動風(fēng)機(jī)，開始進(jìn)行氣相循環(huán)，之后啟動制冷機(jī)液化氣相冷劑，穩(wěn)定后開啟換熱管加熱，完成換熱循環(huán)，觀測實(shí)驗件進(jìn)、出口溫度，實(shí)驗約在30 min后達(dá)到熱平衡，之后開始記錄壓力、溫度、流量參數(shù)。由于實(shí)驗裝置較為緊湊，需要的工質(zhì)量較少，實(shí)驗主要費(fèi)用為動力設(shè)備的電費(fèi)，系統(tǒng)總功率不超過20 kW。該裝置操作簡單、測試量豐富，同時易于對自主設(shè)計的管件進(jìn)行測試，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 已開設(shè)的實(shí)驗項目及效果

本實(shí)驗作為液化天然氣利用技術(shù)課程的開放實(shí)驗，已經(jīng)在儲運(yùn)專業(yè)本科生中開放申請，目前開設(shè)的開放實(shí)驗項目有如下3項。

3.1 降膜流動可視化觀測與液膜厚度測量實(shí)驗

冷劑在管外的流動特性是研究繞管式換熱器的基礎(chǔ)。本項實(shí)驗內(nèi)容包括：降膜流型識別、流型轉(zhuǎn)變關(guān)聯(lián)式擬合和管壁液膜厚度測量。通過實(shí)驗可幫助學(xué)生了解換熱器內(nèi)流型劃分的知識、掌握圖像處理方法，還能夠分析換熱器內(nèi)不同參數(shù)對降膜流動的影響規(guī)律，以及液膜流動和分布特性對換熱性能的影響機(jī)理。圖5為實(shí)驗測得的繞管式換熱器的降膜流型及膜厚測量結(jié)果。

圖5 降膜流型及膜厚測量結(jié)果

3.2 繞管式換熱器相變換熱和壓降性能測試實(shí)驗

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)計的關(guān)鍵。本項實(shí)驗內(nèi)容包括：換熱器進(jìn)出口流量、壓降和溫度測量及換熱和阻力關(guān)聯(lián)式擬合。通過實(shí)驗使學(xué)生掌握基本物理量參數(shù)的測量、采集方法，以及數(shù)據(jù)處理方法；能夠基于實(shí)驗數(shù)據(jù)擬合換熱和阻力關(guān)聯(lián)式，并通過浮式條件下的實(shí)驗，分析浮式條件對繞管式換熱器性能的影響規(guī)律。圖6為設(shè)備傾斜對換熱性能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)計及驗證實(shí)驗

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)計換熱管管型和布液器，通過實(shí)驗室加工后，在測試平臺上測試新型結(jié)構(gòu)的液膜分布和換熱性能，驗證設(shè)計的有效性。圖7為學(xué)生改進(jìn)的2組換熱管管型和相應(yīng)的測試結(jié)果。

圖7 不同管型下?lián)Q熱器的流動特性

4 結(jié)語

在對浮式天然氣液化實(shí)驗裝置進(jìn)行介紹基礎(chǔ)上，將低溫?fù)Q熱設(shè)備的實(shí)驗裝置與本科教學(xué)相結(jié)合，設(shè)計了一組繞管式換熱器內(nèi)部流動和換熱測試實(shí)驗，并將其應(yīng)用于本科生的開放實(shí)驗，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)驗要求。將該裝置的實(shí)驗研究引入課程教學(xué)，拓展了學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，使學(xué)生對課程所涉及的關(guān)鍵設(shè)備有更深入的了解。

（2）針對液化過程的主低溫?fù)Q熱器，設(shè)計了流動特性實(shí)驗、換熱阻力實(shí)驗、結(jié)構(gòu)改進(jìn)實(shí)驗，通過這組實(shí)驗，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)生動手實(shí)踐能力和思考問題能力。

（3）將開放實(shí)驗和科研探索相結(jié)合，通過引入浮式條件對設(shè)備不利影響的問題，引導(dǎo)學(xué)生思考解決問題的途徑，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)了由知識能力向工程能力的躍升。

[1] LI C J, MICHAEL N M, WANG X L, et al. Multi-criteria analysis of policies for implementing clean energy vehicles in China[J]. Energy Policy, 2019, 129: 826–840.

[2] LI B Y, YIN H T, WANG F. Will China’s “dash for gas” halt in the future?[J]. Resources, Conservation & Recycling, 2018(134): 303–312.

[3] 梅麗，魏玉迎，戚家明.國內(nèi)首臺浸沒燃燒式氣化器SCV研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)[J].天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2017, 11(增刊1): 1–3.

[4] 黃宇，陳海平，宋坤.液化天然氣接收站氣化器自主研制與工業(yè)化研究[J].現(xiàn)代化工，2018, 38(2): 173–176.

[5] 陳杰，邰曉亮，蓋小剛，等.中國首套大型LNG儲罐內(nèi)潛液泵開發(fā)與工業(yè)化測試[J].油氣儲運(yùn)，2017, 36(4): 435–442.

[6] 黃宇，張超，陳海平.液化天然氣接收站關(guān)鍵設(shè)備和材料國產(chǎn)化進(jìn)程研究[J].現(xiàn)代化工，2019, 39(4): 13–17.

[7] 王武昌，李玉星，朱建魯，等.小型撬裝液化天然氣實(shí)驗裝置用于教學(xué)實(shí)驗的探討[J].實(shí)驗技術(shù)與管理，2018, 35(3): 181–184, 198.

[8] 朱建魯. FLNG液化工藝動態(tài)模擬及冷箱性能可靠性研究[D].青島：中國石油大學(xué)（華東），2013.

[9] 朱建魯，徐明海，李玉星，等.氟利昂預(yù)冷雙氮膨脹液化工藝動態(tài)仿真與驗證[J].中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016, 40(4): 146–153.

[10] 李志義.適應(yīng)認(rèn)證要求推進(jìn)工程教育教學(xué)改革[J].中國大學(xué)教學(xué)，2014(6): 9–16.

[11] 郭卉，韓婷.大學(xué)生科研學(xué)習(xí)投入對學(xué)習(xí)收獲影響的實(shí)證研究[J].教育研究，2018, 39(6): 60–69.

[12] 閆彥，李玉星，張夢嫻，等.海上FLNG氣液逆流塔內(nèi)兩相流動與傳質(zhì)特性數(shù)值模擬[J].中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018, 42(5): 155–165.

[13] WANG T, DING G, DUAN Z, et al. A distributed-parameter model for LNG spiral wound heat exchanger based on graph theory[J]. Applied Thermal Engineering, 2015(81): 102–113.

[14] SUN C Z, LI Y X, HAN H, et al. Experimental research on the adaptability of liquid natural gas spiral wound heat exchanger in dual mixed refrigeration liquefaction process[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2018(98): 124–136.

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

國家自然科學(xué)基金青年基金項目（51604294）；山東自然科學(xué)青年基金項目（ZR2016EEQ02）；中國石油大學(xué)（華東）教改項目（YKC2019034）

韓輝（1984—），男，山東萊州，博士，講師，研究方向為液化天然氣利用技術(shù)、高效換熱設(shè)備。E-mail: hanhui@upc.edu.cn