液化天然氣開架式氣化器帶擾流桿換熱管內(nèi)性能數(shù)值模擬

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(1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限公司， 上海 201518；2.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

液化天然氣開架式氣化器帶擾流桿換熱管內(nèi)性能數(shù)值模擬

張尚文1，2，馮玉潔1，2，文曉龍1，2，周少斌1，2，蘆德龍1，2

(1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限公司， 上海 201518；2.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

介紹了液化天然氣開架式氣化器的結(jié)構(gòu)與工作原理，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法分析了液化天然氣在氣化器中的流動(dòng)及傳熱過程，得到不同溫度范圍內(nèi)氣化器不同部位的氣化情況，同時(shí)也對(duì)影響換熱管內(nèi)氣化率的因素——流速、管壁粗糙度等進(jìn)行了分析比對(duì)，并對(duì)擾流桿的作用進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了擾流桿的優(yōu)化方案。

開架式氣化器； 液化天然氣； 氣化率； 擾流桿； 數(shù)值模擬

近年來由于石油危機(jī)和煤炭污染，天然氣(Natural Gas，NG)作為一種新型清潔能源，在一次能源結(jié)構(gòu)中的比重越來越大，越來越多地被人們開發(fā)和利用，在能源、交通等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

NG在常壓下約-162 ℃可液化，即為液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)。LNG可以用來解決氣態(tài)NG存儲(chǔ)、運(yùn)輸困難及峰值調(diào)配不方便等問題。但在民用和工業(yè)應(yīng)用中，都需要將LNG氣化為NG并恢復(fù)到常溫條件下使用。開架式氣化器(Open Rack Vaporizer, ORV)就是一種專門用于LNG氣化的熱交換器。

1 ORV簡(jiǎn)介

ORV是一種以海水為加熱源的熱交換器，由LNG入口、NG出口、鋁合金板型管束、海水入口、海水分配系統(tǒng)(玻璃鋼管線、鋁合金水槽)、擋風(fēng)板(玻璃鋼)、保溫和混凝土結(jié)構(gòu)等部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

ORV的基本單元是若干成板狀排列的換熱管組成的一個(gè)鋁合金板型管束，若干鋁合金板型管束組成一個(gè)ORV主體。LNG從ORV下部LNG入口進(jìn)入，在鋁合金板型管束內(nèi)由下向上垂直流動(dòng)，與管束外自上而下噴淋流動(dòng)的海水進(jìn)行換熱。在換熱

圖1 ORV結(jié)構(gòu)示圖

管內(nèi)，LNG經(jīng)歷了氣化過程和NG加熱過程，即氣化段和加熱段，最終換熱管內(nèi)LNG吸收熱量全部氣化為NG從出口輸出。

換熱管作為開架式氣化器的核心部件之一，其結(jié)構(gòu)對(duì)開架式氣化器的傳熱性能影響很大。通過大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知，實(shí)際生產(chǎn)過程中ORV的換熱管是由鋁合金材料制成(管長(zhǎng)6 m)，其內(nèi)部不僅有均勻分布的軸向凹槽形成的內(nèi)翅片，而且有截面為十字形的擾流桿。換熱管外形及剖面結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，其中z為換熱管的截面高度。

圖2 ORV換熱管外形及剖面結(jié)構(gòu)

大量文獻(xiàn)研究和報(bào)道提出，光滑管內(nèi)插入紐帶或擾流片后，管內(nèi)產(chǎn)生周期性自旋流能有效改善速度與溫度場(chǎng)的協(xié)同程度，從而提高換熱性能[2]。基于此，換熱管內(nèi)插入擾流桿是強(qiáng)化流體傳熱的一個(gè)行之有效的方法，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、易于加工和方便安裝等優(yōu)點(diǎn)。雖然插入擾流桿時(shí)流體的摩擦阻力和形體阻力過高，但是對(duì)于ORV而言，其換熱管內(nèi)主要承擔(dān)LNG的氣化任務(wù)，將不會(huì)影響其輸送功耗[3]。

2 模型描述與模擬方法

2.1計(jì)算模型

Fluent流場(chǎng)計(jì)算的基本控制方程包括雷諾時(shí)均形式的連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程[4-6]。LNG必須通過帶擾流桿的換熱管通道，擾流桿的作用是加速流體湍動(dòng)以保證流體處于湍流狀態(tài)。因此，采用湍流模型進(jìn)行Fluent流場(chǎng)計(jì)算。文中選用了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，通過湍動(dòng)能k以及湍流耗散率ε來模擬湍流。

對(duì)存在多相混合物區(qū)域的流動(dòng)和傳熱進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)必須要選擇多相流模型[7]。Fluent中的4種多相流模型分別是離散相模型、VOF模型，混合物模型以及歐拉模型[8]。ORV換熱管中LNG氣化相變?yōu)镹G，涉及液相和氣相，故選擇相應(yīng)的多相流模型[9]，文中選用混合物模型。

2.2管內(nèi)LNG氣化過程模擬方法

采用用戶自定義函數(shù)來模擬LNG的氣化過程。管內(nèi)流體發(fā)生相變過程的處理方法是在質(zhì)量方程中加入質(zhì)量源項(xiàng)來近似模擬相變過程。

ORV的換熱管工作壓力已經(jīng)遠(yuǎn)超過了其氣化的臨界壓力，而氣化潛熱隨著相變壓力的增加不斷減小，在臨界壓力下，氣化潛熱為0。因此，可以認(rèn)為L(zhǎng)NG氣化過程中的氣化潛熱為0，無需在混合物的能量方程中添加能量源項(xiàng)。

當(dāng)氣相溫度大于相變溫度時(shí)，氣相得到質(zhì)量，液相失去質(zhì)量，則液相質(zhì)量源項(xiàng)m1和氣相質(zhì)量源項(xiàng)m2分別為[10]：

(1)

(2)

當(dāng)氣相溫度小于相變溫度時(shí)，氣相失去質(zhì)量，液相得到質(zhì)量，則氣相質(zhì)量源項(xiàng)m2′和液相質(zhì)量源項(xiàng)m1′分別為：

(3)

(4)

式中，r1、r2分別為液相連續(xù)方程和氣相連續(xù)方程中的時(shí)間松弛系數(shù)，經(jīng)過大量計(jì)算驗(yàn)證，本項(xiàng)目中r1、r2取1.0即能較好地反映整個(gè)氣化過程；ρ1、ρ2分別為液相密度和氣相密度，kg/m3；α1、α2分別為混合物中液相體積分?jǐn)?shù)和氣相體積分?jǐn)?shù)；T1為各單元液相溫度，Tsat為相變溫度，K。

3 帶擾流桿換熱管建模

3.1建模及網(wǎng)格劃分[11]

換熱管長(zhǎng)6 m，擾流桿的基本模型為十字型繞片形式，結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。將擾流桿插入換熱管后的換熱管模型局部示意圖見圖4。

圖3 擾流桿結(jié)構(gòu)示圖

圖4 帶擾流桿換熱管模型局部示圖

包含擾流桿的內(nèi)管流道過于復(fù)雜，文中采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。根據(jù)前述對(duì)無擾流桿的計(jì)算結(jié)果，外壁內(nèi)溫度分布變化不大，則將外壁不規(guī)則外形簡(jiǎn)化為相同直徑的圓柱面，減少了總網(wǎng)格數(shù)也保證了網(wǎng)格質(zhì)量。

其余內(nèi)部體網(wǎng)格均由混合網(wǎng)格Tet/Hybrid的TGrid方法生成，網(wǎng)格總數(shù)約為367萬(wàn)。帶擾流桿換熱管流場(chǎng)局部網(wǎng)格劃分見圖5，端面網(wǎng)格示意圖見圖6。

圖5 帶擾流桿換熱管流場(chǎng)局部網(wǎng)格劃分

圖6 帶擾流桿換熱管端面模型網(wǎng)格劃分

3.2邊界條件及流場(chǎng)計(jì)算設(shè)置

LNG和NG的分子量均為17.08，LNG氣化過程中相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 LNG和NG熱力學(xué)參數(shù)

換熱管材質(zhì)為鋁合金，密度2 680 kg/m3，比定

壓熱容為900 J/(kg·K)，導(dǎo)熱率201 W/(m·K)。

邊界條件：①LNG入口設(shè)置為速度進(jìn)口。②NG出口設(shè)置為壓力出口。③管外壁設(shè)置為壁面溫度。④進(jìn)口和出口端面均設(shè)置為絕熱壁面。⑤其余壁面均設(shè)置為耦合壁面。

對(duì)流體區(qū)域中的LNG和NG分別添加質(zhì)量源項(xiàng)，源項(xiàng)由UDF編程定義[12]。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1操作溫度-162～0 ℃

通過對(duì)帶擾流桿換熱管模型流動(dòng)和傳熱過程的數(shù)值模擬，得到NG出口速度為2.12 m/s，出口處的平均溫度T= 266.87 K。通過分析這些計(jì)算結(jié)果可以獲取實(shí)際過程中整個(gè)換熱管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)和傳熱情況。

為了更加直觀地反映實(shí)際換熱管模型中的氣化過程，沿管程方向由下及上截取多個(gè)橫截面，考察不同橫截面內(nèi)含氣率(體積分?jǐn)?shù)，下同)變化過程，結(jié)果見圖7。

圖7 操作溫度-162～0 ℃時(shí)帶擾流桿換熱管不同截面處NG體積分?jǐn)?shù)云圖

從圖7可以看出，①圖7a代表管內(nèi)介質(zhì)為純液態(tài)LNG，隨著換熱管內(nèi)LNG與管外海水不斷交換熱量，LNG逐步被氣化為NG，直至管內(nèi)介質(zhì)基本為純氣態(tài)NG(圖7h)。②相較于內(nèi)管中的LNG氣化過程，環(huán)形間隙內(nèi)的LNG氣化過程相對(duì)較快。在z=0～3 m段，內(nèi)管中LNG氣化過程沒有明顯強(qiáng)化，氣化過程較慢，主要原因是擾流桿對(duì)內(nèi)管流體的擾動(dòng)提高了內(nèi)壁面流動(dòng)傳熱系數(shù)，由外壁面?zhèn)魅氲臒崃亢芸毂粌?nèi)管中的LNG吸收，導(dǎo)致環(huán)形間隙內(nèi)LNG吸熱過程放緩。③z=3 m段以后，兩部分流體摻混，擾流桿的擾動(dòng)作用使得混合物摻混程度提高，含氣率在截面內(nèi)分布均勻，出口處的含氣率高于無擾流桿模型[13-15]，達(dá)到0.999 84，可以認(rèn)為實(shí)際換熱管出口處均為NG氣體。

4.2操作溫度-162～3 ℃

按照操作溫度-162～3 ℃對(duì)帶擾流桿的換熱管模型流動(dòng)和傳熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到NG出口速度為2.28 m/s，出口處的平均溫度T=268.46 K。

再次沿管程方向由下及上截取多個(gè)橫截面，考察不同橫截面內(nèi)含氣率變化過程，見圖8。

從圖8可以看出，①相較于內(nèi)管中的LNG氣化過程，環(huán)形間隙內(nèi)的LNG氣化過程相對(duì)較快。在z=0～3 m段，內(nèi)管中LNG氣化過程沒有明顯強(qiáng)化，氣化過程較慢，主要原因是擾流桿對(duì)內(nèi)管流體的擾動(dòng)提高了內(nèi)壁面流動(dòng)傳熱系數(shù)，由外壁面?zhèn)魅氲臒崃亢芸毂粌?nèi)管中的LNG吸收，導(dǎo)致環(huán)形間隙內(nèi)LNG吸熱過程放緩。②z=3 m段以后，兩部分流體摻混，擾流桿的擾動(dòng)作用使得混合物摻混程度提高，含氣率在截面內(nèi)分布均勻，出口處的含氣率高于無擾流桿模型，達(dá)到0.999 913，可以認(rèn)為實(shí)際換熱管出口處均為NG氣體[13-15]。

從圖7、圖8可以看出，操作溫度為-162～0 ℃和操作溫度為-162～3 ℃時(shí)不同截面NG體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律基本相同，到達(dá)z=6 m處已完全氣化。

圖8 操作溫度-162～3 ℃時(shí)帶擾流桿換熱管不同截面處NG體積分?jǐn)?shù)云圖

5 換熱管內(nèi)氣化率影響因素分析

5.1進(jìn)口流速

在不改變換熱管模型的情況下，分別對(duì)不同的LNG進(jìn)口流速進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了不同截面上含氣率的變化分布圖，見圖9。

圖9 不同LNG進(jìn)口流速下實(shí)際換熱管不同截面含氣率

由圖9可知，①含氣率分布的基本情況與無擾流桿模型類似，在不同流速工況下，LNG氣化過程基本一致，只是氣化速度有所差別。LNG進(jìn)氣速度越低，LNG氣化過程越飽滿，這主要是因?yàn)殡S著進(jìn)氣速度的降低，LNG在管內(nèi)的加熱時(shí)間相對(duì)變長(zhǎng)，氣化過程進(jìn)行的也越充分。②對(duì)比LNG進(jìn)口不同流速情況下在z=2 m橫截面上的含氣率分布可以看到，在v=0.3 m/s情況下，含氣率接近0.9；而v=0.9 m/s情況下，含氣率只有0.02。因此，對(duì)于帶擾流桿換熱管模型，進(jìn)口速度對(duì)整體氣化率有很大影響。

如果進(jìn)口速度過低，整個(gè)氣化時(shí)間會(huì)變緩慢，影響生產(chǎn)效率。所以在實(shí)際生產(chǎn)中需要權(quán)衡考慮，在滿足生產(chǎn)效率的同時(shí)使進(jìn)口LNG速度保持最小可以獲得最大的含氣率。

5.2管內(nèi)壁粗糙度

在其他條件相同的情況下，考慮換熱管內(nèi)壁的表面粗糙度對(duì)氣化率的影響，分別計(jì)算換熱管內(nèi)壁表面粗糙度Ra為0.2、0.4、0.8、1.6 μm的情況，得到管內(nèi)流體沿管長(zhǎng)方向不同截面的含氣率分布情況，見圖10。

圖10 不同粗糙度情況下實(shí)際換熱管各截面含氣率

由圖10可以看出，①在不同換熱管內(nèi)壁粗糙度情況下，實(shí)際換熱管內(nèi)的整體氣化過程基本相同，均沿管程增大。②LNG氣化過程中，換熱管內(nèi)含氣率隨粗糙度的變化較明顯。在之后的NG加熱過程中，管內(nèi)含氣率隨粗糙度的變化較小。這是由于在氣化過程中，隨管內(nèi)壁粗糙度的增大，管壁對(duì)液相流體的影響變大，各截面含氣率明顯增大，氣化過程加快，加之實(shí)際換熱管模型增加了擾流桿，使得流動(dòng)摻混劇烈，氣化率增大很快。加熱過程中只在Ra=1.6 μm時(shí)氣化率較其他表面粗糙度等級(jí)時(shí)的氣化率有明顯增大，但是增幅并不大，因?yàn)闅饣室呀?jīng)接近100%。

5.3擾流桿

無擾流桿換熱管和帶擾流桿換熱管沿著管程方向由下及上不同橫截面上的平均含氣率分布示意見圖10。

圖11 兩種換熱管在不同橫截面平均含氣率分布

比較圖11中所示的曲線可以看出，①整個(gè)氣化過程沿著管程方向不斷增強(qiáng)，從入口到z=1.0 m高度處，含氣率基本為0，這主要是因?yàn)榈蜏豅NG吸熱過程需要一定的時(shí)間，只有達(dá)到了相變溫度，才開始逐漸氣化并且出現(xiàn)NG。這一點(diǎn)既適合無擾流桿換熱管，同時(shí)也適合帶擾流桿換熱管。②z=1～3 m是一段含氣率陡升的區(qū)域，并且?guī)_流桿換熱管含氣率陡升程度高于無擾流桿換熱管，這說明帶擾流桿換熱管中氣化段和加熱段的連接處流體摻混更加劇烈，氣化過程得到增強(qiáng)，使得總的換熱管含氣率快速上升。③ 根據(jù)截面含氣率對(duì)比可知，氣化段內(nèi)的擾流桿作用不是十分明顯，無擾流桿換熱管的氣化率甚至高于帶擾流桿換熱管的氣化率。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中可以考慮將氣化段內(nèi)的擾流桿簡(jiǎn)化，無須在整個(gè)氣化段內(nèi)貫穿擾流桿，分段加入擾流桿即可。這樣既可以保證換熱管的氣化效率，也可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、節(jié)省成本。

6 結(jié)論

(1)在相同的邊界條件下，與無擾流桿換熱管的分析結(jié)果進(jìn)行比較可以知道，帶擾流桿換熱管模型的氣化效率比較高，出口處含氣率相差不大，速度和溫度均比較低。對(duì)總體氣化過程而言，在氣化段內(nèi)，無擾流桿換熱管模型要優(yōu)于帶擾流桿換熱管模型；而在加熱段內(nèi)，帶擾流桿換熱管模型要優(yōu)于無擾流桿模型。

(2)在其他條件相同的條件下，比較不同管內(nèi)壁粗糙度的帶擾流桿換熱管和無擾流桿換熱管模型中沿管程不同截面處的氣化率分布可知，兩種模型條件下的氣化率分布基本趨勢(shì)保持一致，總體沿管程含氣率變化不大。隨著管內(nèi)壁粗糙度的增加，無擾流桿換熱管模型在氣化段內(nèi)沿管程氣化率增大，在加熱段內(nèi)沿管程基本不變；帶擾流桿換熱管模型在氣化段內(nèi)沿管程氣化率增大，在加熱段內(nèi)沿管程小幅增大。兩種模型加熱段隨管內(nèi)壁粗糙度的變化含氣率變化均較小，這說明粗糙度對(duì)液相流體有一定的影響，而對(duì)氣相流體影響不大，可以忽略。

(3)在其他條件相同的條件下，不同LNG進(jìn)口速度的帶擾流桿換熱管和無擾流桿換熱管不同截面處的氣化率分布基本趨勢(shì)是保持一致的，隨著LNG進(jìn)口速度的減小，氣化過程得到增強(qiáng)，出口含氣率增大。因此，在ORV換熱管的設(shè)計(jì)過程中，可以考慮適當(dāng)降低LNG進(jìn)口速度，以提高整個(gè)ORV換熱管內(nèi)的氣化程度。

(4)將操作溫度為-162～3 ℃與操作溫度為-162～0 ℃相比可看出，操作溫度為-162～3 ℃時(shí)的NG出口速度提高了7.233%，出口處的平均溫度提高了0.598 2%，NG含氣率為0.999 913，可視為達(dá)到完全氣化。

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(許編)

NumericalSimulationofHeatExchangeTubewithSpoilerLeverinLiquefiedNaturalGasOpenRackVaporizer

ZHANGShang-wen1,2,FENGYu-jie1,2,WENXiao-long1,2,ZHOUShao-bin1,2,LUDe-long1,2

(1.Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co. Ltd.， Shanghai 201518， China；(2.Lanpec Technologies Limited, Lanzhou 730070, China)

The structure and working principle of liquefied natural gas(LNG) open rack vaporizer was introduced, and the flow and heat transfer process of LNG open rack vaporizer was studied by using computational fluid dynamics. Through this simulation, the vaporization rates under different temperature ranges and different parts of the vaporizer were obtained. Meanwhile, the factors such as the velocity, the wall roughness, which impact on the vaporization rate, were analyzed and compared, and the optimization scheme of the spoiler lever was proposed based on function analysis of the spoiler lever.

open rack vaporizer； liquefied natural gas； vaporization rate； spoiler lever； numerical simulation

TQ050.2； TE969

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.05.002

1000-7466(2017)05-0005-07

2017-04-05

上海市金山區(qū)科技創(chuàng)新項(xiàng)目：金山區(qū)專利新產(chǎn)品項(xiàng)目(2016-ZLXCP-14)

張尚文(1973-)，男，甘肅民勤人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事海洋和陸地油氣田地面工程的工藝設(shè)計(jì)、壓力容器設(shè)計(jì)以及工程項(xiàng)目管理工作。