LNG超級開架式海水氣化器傳熱特性模擬優(yōu)化

王玉娟，劉景俊，王劍琨，唐建峰，李學濤,3，劉鑫博，姚寶龍

（1. 中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580；2. 中國石化青島液化天然氣有限責任公司，山東 青島 266000；3. 青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司，山東 青島 266000）

近年來，LNG接收站作為進口LNG的接收終端在我國東部沿海得到了大范圍建設，而開架式海水氣化器（ORV）因其氣化效果好、能耗低、運行維護便捷成為接收站氣化單元的首選[1]。 但ORV結構繁瑣，傳熱機理復雜，多采用國外進口設備，關鍵技術難以完全掌握，在缺乏理論指導前提下操作優(yōu)化難度大[2-4]。

關于ORV傳熱特性方面的研究多針對ORV結構優(yōu)化與熱力學性能研究，使其具有更高的傳熱效率或設備適應性[5,6]。 Morimoto等[7]指出，為解決傳統(tǒng)ORV結冰嚴重問題，日本Osaka Gas和Kobel Steel公司聯(lián)合開發(fā)了帶有內(nèi)部螺旋擾流桿的底部雙層套管換熱管，并命名為超級開架式海水氣化器（SuperORV）。我國甘肅藍科公司長期致力于ORV國產(chǎn)化研究，研發(fā)了多種深冷沸騰傳熱的核心原件與高效星型換熱管[8]。 孫啟迪[9,10]、張尚文[11]等利用模擬計算對實際設備進行研究，得到了一系列傳熱經(jīng)驗關聯(lián)式。 近年各LNG接收站擴容增產(chǎn)，針對ORV的性能優(yōu)化成為熱點，但大部分已有研究缺乏理論與實際的關聯(lián)性， 且受條件限制難以開展因地制宜的運行反饋?；诖耍疚囊試鴥?nèi)某大型LNG接收站的SuperORV為研究對象，采用流體仿真模擬（ANASY）對其進行模擬優(yōu)化，并與現(xiàn)場實踐相結合，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)外輸情況，給出能夠指導實際運行的優(yōu)化建議。

1 SuperORV工作過程模擬

1.1 設備建模

國內(nèi)某LNG接收站使用國外某公司制造的SuperORV，其中采用十字螺旋擾流桿，增加流體擾動，并采用星形翅片以增加換熱面積，基本結構如圖1所示。

SuperORV管束板由多根傳熱管構成，各傳熱管結構相同，可以僅選一根研究。 根據(jù)傳熱管結構及尺寸（表1），建立1:1幾何模型如圖2所示，翅片管厚度可在求解器中設置，故建模時對管壁厚度省略。

表1 傳熱管尺寸參數(shù)Table 1 Size parameters of heat-transfer tube

利用Mesh模塊對幾何模型進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

對不同數(shù)量網(wǎng)格的模型進行質量檢驗，以質量值（Skewness）作為檢驗指標，檢驗結果如圖4所示。網(wǎng)格數(shù)量在533萬時Skewness下降趨緩，通過計算發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)格數(shù)下收斂速度較快。 因此選擇5336328網(wǎng)格數(shù)用作后續(xù)計算，該數(shù)量下網(wǎng)格質量良好，達到模擬計算要求。

1.2 傳熱管內(nèi)流體熱物性計算

由于Database中未添加LNG/NG材料數(shù)據(jù)，需自定義流體各項熱物性， 故需針對LNG/NG開展熱物性計算。LNG主要成分為甲烷，其臨界壓力4.59 MPa、臨界溫度190.4 K，故LNG在氣化器中氣化實際是一種超臨界狀態(tài)換熱，熱物理性質不斷變化，需對其計算確保數(shù)值模擬準確性。以SuperORV入口LNG色譜分析數(shù)據(jù)為依據(jù)，進行熱物性計算，組分及物質的量占比如表2所示。

表2 LNG組分及占比Table 2 LNG components and proportions

LNG泡點可以明確流體所處的氣液兩相狀態(tài)[12]，采用HYSYS軟件中的PR物性方程進行計算，LNG泡點溫度隨壓力的變化如圖5所示。

從泡點變化可以看出， 隨LNG所處壓力增加，其泡點溫度逐漸增大。 流體在不同溫度、壓力下熱物性發(fā)生改變，故針對不同工況下的各熱物性進行計算，計算結果如圖6所示。

根據(jù)圖中曲線進行計算公式擬合，用于流體熱物性設置輸入， 同時可以看出LNG/NG流體熱物性在不同溫度、 壓力下的變化值存在一定差距，變化規(guī)律與運行工況有很大關聯(lián)， 可用于后續(xù)分析研究。

1.3 求解器及邊界條件設置

網(wǎng)格劃分完成后連接Fluent，求解器設置見表3。

表3 Fluent求解器設置Table 3 Fluent solver settings

根據(jù)LNG泡點變化及相關熱物性擬合多項式，在Fluent中自定義輸入（Piecewise-Polnomial）。 利用LNG氣化相變自定義函數(shù)（UDF）實現(xiàn)LNG氣化模擬。根據(jù)實際工況設定入口條件、邊界條件，見表4。

表4 Fluent邊界條件設置Table 4 Fluent boundary condition settings

以SuperORV實際運行數(shù)據(jù)為基礎，對模擬結果進行準確性分析。 選取最具代表性的溫度、壓力指標進行模擬并與實際數(shù)據(jù)對比，結果見表5。

表5 模擬與實際數(shù)據(jù)對比Table 5 Comparison of simulation and actual data

對比計算結果與實際監(jiān)測值可知誤差低于5%，考慮環(huán)境以及條件設置影響，認為在該誤差內(nèi)進行相關計算分析是合理可行的。

2 SuperORV傳熱管內(nèi)流體分析

2.1 流體溫度場分析

以現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)為基礎進行模擬，對溫度場模擬結果進行分析。SuperORV傳熱管截面溫度分布云圖如圖7所示，在后處理軟件中選取不同截面(Plane)得到溫度、氣化率數(shù)值變化如圖8所示。 由圖7、圖8可知，傳熱管下部存在兩種溫度區(qū)間，內(nèi)套管處低溫的LNG與內(nèi)外套管間隙中流體進行熱交換，換熱過程中內(nèi)管區(qū)域的LNG受壓力驅動不斷流動，同時在螺旋擾流桿作用下增加紊亂度， 不斷吸熱溫升。內(nèi)管長度1.5 m， 在內(nèi)管消失處LNG和超臨界NG混合， 由氣化率可知此時相態(tài)復雜。 溫度繼續(xù)升高，LNG開始大范圍氣化，可以看出1～1.8 m管長區(qū)間內(nèi)氣化率上升極快， 在1.8 m管長處流體氣化率達到95%。 根據(jù)LNG泡點及導熱系數(shù)變化可知， 超臨界NG熱導率較LNG低，故溫升逐步放緩。壓力驅動下，管內(nèi)流體繼續(xù)流動，溫度持續(xù)上升，直至出口處NG溫度接近管壁溫度。

2.2 流體速度場分析

對計算結果進行流場分析，SuperORV傳熱管截面處流體速度分布如圖9所示。 由圖9可知，流體流動過程中，靠近中心的擾流區(qū)域流體具有較大的速度值，而且速度值呈從中心向外壁遞減趨勢，越接

近外壁面流體速度越小。

選取對應截面分析速度矢量分布，矢量分布如圖10所示。 由矢量分布可以看出，SuperORV除有縱向速度矢量外還有橫向上的速度矢量，且隨管長增加速度值與矢量混亂度相應增加，說明擾流桿使流體產(chǎn)生垂直于流體流動主方向的二次流現(xiàn)象。 該現(xiàn)象說明螺旋擾流桿增加了流體的擾動性能，相應的降低流體邊界層厚度，使截面速度更加均勻，從而提升LNG/超臨界NG的湍流強度與速度， 加速熱量傳遞。

3 SuperORV操作參數(shù)優(yōu)化

由現(xiàn)場運行可知，SuperORV可控操作參數(shù)主要是LNG入口壓力及入口流速，二者皆對SuperORV傳熱效果具有重大影響，故針對不同LNG入口壓力及入口流速進行模擬與優(yōu)化分析。

3.1 入口壓力對氣化傳熱的影響

考慮設備承載能力及生產(chǎn)外輸條件，對5～9 MPa的LNG入口壓力進行模擬計算， 得出不同LNG入口壓力下溫度、傳熱系數(shù)結果如圖11、圖12所示。 通過溫度變化曲線對比可知，5 MPa下，傳熱管內(nèi)流體整體溫度最高，而9 MPa下最低。 流體沿傳熱管縱向流動，在1.5 m管長處溫升開始變緩，該點處內(nèi)套管消失，氣液兩相混合。 由圖5、圖6可知，LNG導熱系數(shù)整體高于NG導熱系數(shù)，LNG出現(xiàn)大面積氣化后雖然繼續(xù)吸收熱量，但由于導熱系數(shù)的降低使熱流密度減小，從而使溫升變緩。

從圖12傳熱系數(shù)變化曲線可以看出，各壓力工況下傳熱系數(shù)都會出現(xiàn)急劇升高到峰值后又急劇下降的現(xiàn)象，并隨壓力升高每個傳熱系數(shù)峰值向出口方向移動。由圖6溫度及定壓比熱容（cp）變化可以看出， 傳熱系數(shù)峰值點也是該壓力下流體的cp峰值點，即該壓力下的準臨界點，準臨界點附近流體與超臨界流體臨界點相似，是該壓力下熱物性變化最劇烈的點。 在遠離準臨界狀態(tài)的區(qū)域內(nèi)，熱物性變化緩慢，換熱系數(shù)也隨之降低并趨于穩(wěn)定。

對比不同入口壓力下傳熱系數(shù)變化可以看出，入口壓力越小管段前期傳熱系數(shù)越大，通過準臨界點后傳熱系數(shù)急劇下降，此時運行壓力越大傳熱系數(shù)越大，且傳熱系數(shù)的最大值隨著壓力升高向出口方向移動。 這是由于壓力越大流體的熱物性變化越平緩， 不同壓力下傳熱系數(shù)曲線與cp變化曲線非常相近， 越向臨界壓力靠近cp與傳熱系數(shù)的變化越劇烈。 因此，應控制LNG入口壓力向臨界壓力點調(diào)整，從而提高SuperORV傳熱效率。

3.2 實際生產(chǎn)中入口壓力的優(yōu)化

通過現(xiàn)場SuperORV的運行反饋，驗證數(shù)值模擬計算的合理性。 LNG入口壓力由上游高壓泵控制，某LNG接收站高壓泵設計出口壓力區(qū)間5.00～8.55 MPa，對SuperORV進行入口壓力調(diào)節(jié)，利用中控系統(tǒng)對運行情況實時觀察，現(xiàn)場試驗工況見表6。

表6 不同入口壓力下SuperORV的運行情況Table 6 SuperORV operation data at different inlet pressures

由于SuperORV管外有結冰現(xiàn)象，可通過結冰程度直觀展現(xiàn)SuperORV傳熱情況，結冰越高越厚說明單位面積熱量傳遞更多， 傳熱效率更好。 由表6可知，當壓力增大時傳熱管結冰長度和冰層厚度是明顯減小，說明壓力增大時換熱能力減弱，同時出口溫度也隨入口壓力的增加而降低。 當壓力低于6 MPa時結冰明顯加重，不利于設備運行，受外輸壓力及SuperORV結冰雙重限制， 無法繼續(xù)下探試驗壓力，但通過運行可以看出控制運行壓力向臨界點靠近可以有效增加換熱量、提高換熱效率。

綜合現(xiàn)場及當?shù)靥烊粴獠⒕W(wǎng)壓力級制要求，建議LNG入口壓力控制在7～8 MPa， 一方面有效避免傳熱管結冰加劇現(xiàn)象，使設備處于安全運行壓力區(qū)間；另一方面，7 MPa以上壓力可以直接對接外輸管網(wǎng)，降低了壓力損失及二次增壓耗能，從而在最適工況內(nèi)提高SuperORV傳熱效率。

3.3 入口流速對氣化傳熱的影響

對現(xiàn)場單臺SuperORV氣化流量進行統(tǒng)計，選定80～200 t/h作為流量研究區(qū)間， 單臺SuperORV具備1204根翅片管， 則單根傳熱管氣化質量流量為0.015～0.046 kg/s，對應SuperORV入口流速換算值見表7。

表7 質量流量和入口流速對照Table 7 Conversion between mass flow and inlet flow rate

針對不同LNG入口流速進行模擬并分析氣化傳熱性能。對0.6～1.8 m/s的LNG入口流速進行模擬，得出溫度、傳熱系數(shù)計算結果如圖13、圖14所示。

對比圖13溫度分布可知，1.8 m/s入口流速下管內(nèi)流體整體溫度最高，而0.6 m/s最低，溫度隨入口流速增加而降低。 LNG入口流速變化直接影響管內(nèi)流體的速度場以及流體邊界穩(wěn)定性，基于流體邊界層理論，當入口流速增加時，流體湍動能和紊亂程度相應增加，有效降低流體邊界層厚度，從而使流體與管壁之間熱量傳遞距離縮小，增強管壁與流體換熱。

由圖14傳熱系數(shù)變化可知，各流速下?lián)Q熱系數(shù)變化趨勢是一致的。SuperORV傳熱系數(shù)與流體熱物性變化有很大關系，各入口流速下管壁換熱系數(shù)都出現(xiàn)大幅度跳躍，且峰值點皆為該工況下的準臨界點， 可以得出準臨界點處流體的換熱效率是最高的。 同一截面上隨入口流速的增加傳熱系數(shù)相應增加，這是由于流速帶動管內(nèi)流體的擾動加劇，從而強化傳熱。 同時隨入口流速的增加傳熱系數(shù)最大值（準臨界點）出現(xiàn)后移，主要原因是入口流速增加使管內(nèi)LNG吸收熱量時間縮短，溫升變緩，故準臨界點相應后移，對應的換熱系數(shù)峰值相應后移。 因此，應在穩(wěn)定生產(chǎn)工況區(qū)間內(nèi)增加入口流速，從而提高SuperORV傳熱效率。

3.4 實際生產(chǎn)中入口流速的優(yōu)化

通過現(xiàn)場SuperORV的運行反饋，驗證數(shù)值模擬計算的合理性。 對LNG入口流速進行調(diào)節(jié)，實時觀察運行情況，現(xiàn)場試驗工況及現(xiàn)象見表8。

表8 不同LNG入口流速下SuperORV的運行情況Table 8 SuperORV operation data at different inlet flows velocity

由上表可知，當LNG入口流速增大時傳熱管外壁結冰高度呈現(xiàn)增大趨勢， 同時冰層整體厚度減小，說明流速增大帶來管內(nèi)流體的快速移動，有效傳熱區(qū)間上移，整體傳熱效率增加，與模擬計算理論分析相符。

綜合近年外輸量變化，入口流速難以維持在恒定區(qū)間，SuperORV運行工況長期處于波動中。 根據(jù)該情況，應該減少SuperORV開啟臺數(shù)，在設備承載負荷內(nèi)增大單一設備流量，充分提高傳熱效率。 同時，減少SuperORV開啟臺數(shù)可有效降低氣化單元運行能耗，節(jié)約氣化成本。

4 結論

本文模擬了SuperORV內(nèi)流體氣化傳熱過程，對溫度場與流場進行了深入分析，總結了LNG入口壓力和入口流速對氣化傳熱性能的影響，結合現(xiàn)場試驗提出了相應的操作優(yōu)化建議，具體結論如下：

（1）對流換熱過程中，SuperORV管內(nèi)流體處于超臨界狀態(tài)，熱物性的變化強化了熱量傳遞。 同時，十字擾流桿使流體產(chǎn)生旋流及垂直于流動方向的二次流，增強了擾動性以及湍流強度，削弱流體邊界層厚度，傳熱效率進一步提高。

（2）LNG入口壓力越接近流體臨界壓力，熱物性變化越劇烈，傳熱系數(shù)波動性越大。 流體傳熱系數(shù)峰值大小主要取決于LNG入口壓力，越接近臨界點峰值越大，通過現(xiàn)場運行驗證了上述理論。 綜合實際情況，給出LNG入口壓力區(qū)間建議：7～8 MPa。

（3）LNG入口流速越大，SuperORV傳熱系數(shù)越大，換熱效果越好，而在低流速工況下會出現(xiàn)流體換熱惡化現(xiàn)象， 且比較明顯。 因此在一定范圍內(nèi)提高LNG入口流速可有效強化管內(nèi)換熱。 綜合實際情況， 建議根據(jù)實時外輸量控制開啟的SuperORV臺數(shù)，從而增加單臺設備的入口流速，提高傳熱效率，同時也可降低能耗。