開架式氣化器溫度特性實驗研究

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(合肥通用機械研究院， 安徽 合肥 230088)

試驗研究

開架式氣化器溫度特性實驗研究

周兵，倪利剛，崔云龍，姚志燕

(合肥通用機械研究院， 安徽 合肥 230088)

基于開架式氣化器(ORV)的特殊換熱管結構，以液氮替代液化天然氣介質，建立了一套ORV傳熱實驗系統，針對兩種換熱管型式進行了不同處理量氣化實驗，分別從全溫度測點均勻性評價、管內外熱平衡、熱源水溫降等指標驗證了系統的可靠性，考察了流量對氣化出口溫度的影響，獲得了液氮氣化沿程的主流溫度分布。計算結果表明，在不結冰工況下，傳統ORV較超級ORV的氣化性能更優。

開架式氣化器； 氣化性能； 溫度分布； 實驗； 研究

開架式氣化器(open rack vaporizer，ORV)是大型液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)氣化站應用最廣泛的氣化器類型之一，具有結構安全開放、易于維護、運行成本低及無污染排放等優點，其缺點是對基建和海水品質的要求較高。此類設備長期依賴進口，其技術輸出方主要為日本的幾家供應商[1-4]。近年來，國內關于ORV的研究日益成為熱門，這些研究主要分為兩大類：一類是用戶單位針對ORV設備運行和維護相關技術的研究[5-9]。另一類是高等院校與科研機構基于一定模型假設的傳熱數值計算和基于CFD技術的傳熱流動模擬研究[10-16]。此外，還有一些零星的實驗研究，但研究者通常僅關注于氣化出口溫度這類粗放型指標，對于沿程氣化溫度分布等關鍵問題缺乏一定的研究，這對深入理解ORV的傳熱機理和產品優化設計尤顯不足。

文中基于ORV結構，開發出工業原比例換熱樣管，建立了一套ORV實驗系統，根據工業產品工藝需求完成了設定工況的實驗，重點關注氣化介質沿程主流溫度分布，研究其一般性規律，對ORV產品設計提出針對性建議。

1 ORV工作原理

ORV基本換熱單元是特殊結構的換熱管。若干換熱管并排焊在一對分布管之間構成一組汽化面板，通過將若干組汽化面板的上、下分布管進行連接即構成一組氣化模塊，一組ORV氣化面板的結構原理示意圖見圖1。

1.上分布管 2.溢流水槽 3.海水分布管 4.汽化面板 5.下分布管 6.降流水膜N1.液化天然氣入口接管 N2.海水入口接管N3.天然氣出口接管圖1 一組ORV氣化面板結構原理示圖

超臨界的LNG被均勻輸送進每一塊氣化面板，并通過氣化面板的下分布管均勻分配至每一根換熱管，在上升過程中被換熱管外部的降流水膜加熱氣化后，經上分布管匯合輸出。鑒于ORV的模塊化結構組成，可進行線性放樣設計，這給設計開發帶來了便利，針對單管氣化性能研究即可合理放大至整套裝置。

ORV換熱管設計要綜合考慮以下因素：①介質在超臨界工況完成氣化，換熱管應滿足超臨界壓力的強度需求。②通過換熱管壁的熱傳導是主要傳熱過程，換熱管材應具有較高導熱系數。③換熱管內外特殊發展表面設計，一方面應起強化傳熱的作用，另一方面還應促成換熱表面流體的有效覆蓋。④管材表面的噴涂材質應具有傳熱和防腐雙重功能。

在ORV運行過程中，換熱管底部不可避免出現海水結冰現象，造成傳熱惡化。為此，一種超級ORV(super-ORV)管型是很好的解決方案，傳統觀點認為super-ORV具有整體更優的氣化表現，super-ORV的結構示意圖見圖2。

1.ORV外管 2.螺旋擾流件 3.間隙流道 4.內管圖2 super-ORV結構示圖

在ORV外管下半段嵌入一截內管，在內、外管之間形成間隙流道，使氣化段傳熱形成級梯傳熱過程，同時在內管上部設置一段螺旋擾流件進一步增強傳熱，以達到提高氣化出口溫度的目的。

2 super-ORV實驗系統設計

2.1實驗目的

以液氮代替LNG，基于工業用換熱管模型尺寸制作原比例傳熱試件，建立一套針對傳統ORV和super-ORV的傳熱性能實驗平臺，驗證實驗系統的可靠性。分別開展兩種方案的傳熱性能實驗，獲取沿程主流溫度分布，對ORV和super-ORV在實驗工況下進行氣化性能的對比分析。

2.2實驗參數

基于某LNG接收站氣源數據，按照相同單管熱負荷確定本實驗的參數范圍。該LNG接收站的LNG成分見表1。

表1 某接收站LNG組分(體積分數) %

該接收站LNG設計進口溫度為-133.9 ℃，氣化出口溫度為1.0 ℃。利用HTRI軟件內嵌的VMGthermo數據庫對該組分LNG物性進行模擬，對氣液兩相均采用Advanced Peng-Robinson方法計算進、出口焓差。該項目設計處理量為183.3 t/h，共包括1 204根換熱管。經換算，對應實驗的液氮單管質量流量為244 kg/h，用水量為5.2 t/h。結合現場多次安裝調試經驗，本次實驗的水流量和液氮處理量略小于該換算值。

2.3試件加工

ORV換熱管的不規則發展表面形狀尺寸以及材質性能極大影響氣化質量。開發出優質ORV模具，并完成了小批量試制。ORV換熱管管長6 m，材質為鋁合金6063，退火狀態為T5，不進行表面處理。經檢驗，產品樣管尺寸準確，材料表面光潔平整，滿足實驗要求。本文在試件低端的內部嵌入一半高度光管模擬super-ORV換熱管，上段未設置螺旋擾流件。

沿管長方向等距加工6組截面測點，分別測量截面外壁面、近內壁面、管內主流和間隙流道溫度。

2.4實驗系統設計

ORV模化實驗系統流程見圖3。

圖3 ORV實驗系統流程圖

液氮經液氮儲罐組匯并輸出后均勻進入2根待測試件底部，加熱水由待測試件頂部的加熱水槽通過一個液體均布結構噴淋在試件表面，從而加熱氣化液氮。熱源水采用實驗室公共用水，使用后的熱源水進入公共排水渠道。由于氮氣出口溫度接近常溫，且流量相對不大。因此，選擇將氣化后的氮氣直接排空的設計。

使用一臺標定合格的旋進流量計測量出口氮氣流量。

2.5實驗過程

(1)檢查裝置的密封和安全。運行數據采集模塊，開始記錄實驗過程所有動作數據，評價全區域溫度測點溫度均勻性，當所有測點溫度與環境溫度接近一致時，方可進行后續實驗。

(2)開啟加熱水輸送流路，調節加熱水至額定流量，使傳統ORV試件外表面充分浸潤。

(3)按照設定流量目標控制液氮，操作過程中應密切關注液氮儲罐內壓力值，使其維持基本穩定，從而使液氮流量保持穩定。根據旋進流量計適用范圍嚴格控制液氮流量，當氮氣出口溫度低于-20 ℃時退出實驗。

(4)完成一組數據采集后暫停本次實驗，應先關閉液氮儲罐，再停止加熱水輸送。重復步驟(1)～(3)可完成下一組加熱水流量工況實驗，按照3 t/h、5 t/h和7 t/h設定加熱水的質量流量。

(5)當傳統ORV實驗結束后，重復上述步驟完成super-ORV的系列工況實驗。

3 實驗測試數據分析

3.1全區域溫度測點均勻性檢測

某時刻ORV試件全區域的溫度分布見圖4。

圖4 實驗前ORV試件全區域溫度均勻性檢測

從圖4中可以看出，在實驗未開車條件下，包括壁面及通道內空氣在內的全測點溫度分布非常一致，接近環境溫度，且均處于(33.1±0.5)℃內。由此表明，各測點安裝正確，測量相對穩定，溫度精度在合適范圍，可以進行實驗。

3.2熱量匹配度衡算

利用進、出口焓差法計算介質換熱量。焓差物性可以通過各種商業軟件的物性數據包計算，選用HTRI內嵌的物性程序，計算得出實驗條件下液氮側焓值隨溫度的變化曲線，見圖5。

圖5 實驗條件下液氮焓值隨溫度變化曲線

從圖5中可以看出，在0.3 MPa實驗壓力條件下，液氮的蒸發溫度為-185.28 ℃，根據實驗測量出來的進、出口介質溫度即可求出換熱量。

水質量流量為5 t/h時，基于進、出口測點溫度，傳統ORV試件對應不同液氮處理量下的冷、熱側換熱量見圖6。

分析認為，本實驗中熱源水側曝露于周圍環境當中，在流動過程中不可避免會發生滴濺，自身在降膜流動過程中也會與周圍環境發生熱量交換。因此，水側溫度的影響因素較為復雜。由于實驗時間為夏季，實驗環境溫度高于水溫，氣化過程中熱源水不斷吸收環境熱量，造成水側熱量小于液氮側值，這與測試數據表現一致。

圖6 水質量流量5 t/h時傳統ORV熱量衡算

不同水質量流量下，傳統ORV和super-ORV加熱水的散點溫降數據圖見圖7。

圖7 不同水質量流量下兩種ORV試件加熱水溫降

從圖7可以看出，隨著液氮處理量的增加，加熱水側溫降呈增大趨勢，且接近線性變化。而隨著加熱水質量流量的增加，相同液氮處理量下加熱水溫降則呈降低趨勢，這一點在super-ORV試件實驗中表現更為突出。

3.3水質量流量對氮氣出口溫度的影響

進一步考察液氮出口溫度隨管內、外介質流量的變化情況。傳統型ORV試件和super-ORV試件在不同加熱水質量流量下的出口散點溫度數據統計結果見圖8。

圖8 兩種試件在不同加熱水質量流量下的出口散點溫度

從圖8可以看出，隨著液氮處理量的增加，氮氣出口溫度呈整體減小趨勢，且接近線性變化規律。同時隨著加熱水質量流量的增加，相應液氮處理量對應的出口溫度呈現明顯的增加。

從以上實驗結果可知，本實驗系統運行可靠，實驗方法合理。

3.4沿程主流溫度變化

沿程主流溫度是進行氣化器性能評價和傳熱過程分析的重要依據之一。由于氣源存放和充裝條件不同，每次重新實驗入口狀態也有微小變化，因此不同時段的測試數據不宜作直接量化對比。

分析各工況氣化溫度曲線，可發現氣化過程大致依循兩個階段，即入口處的相變傳熱區和之后的對流傳熱區。在相變傳熱區，主流溫度近乎不變，而在對流傳熱區，主流溫度呈類對數增長趨勢，其溫升趨勢逐漸降低主要是因為傳熱動力(溫差)的降低，同時由于氣相占優的流動對流傳熱強度較弱。

在實際裝置中，普遍采取在換熱管內部上端嵌入擾流元件的方式來增強傳熱效果。

不同液氮處理量時傳統ORV試件和super-ORV試件的氣化主流溫度變化圖見圖9、圖10，其中橫坐標為相應測點距離試件底部的高度，縱坐標為試件內部主流流體溫度。

圖9 不同液氮處理量下傳統ORV試件液氮主流溫度

圖10 不同液氮處理量下super-ORV試件液氮主流溫度

從圖9和圖10中可以看出：

(1)當水的質量流量相對液氮處理量較大時，主流溫度曲線呈現出類對數增長趨勢，如9b中5 t/h水流量下處理量為100 kg/h的液氮主流溫度曲線，裝置呈現出充分的氣化能力。加熱水的質量流量相對液氮處理量越大，氣化過程越充分，主流溫度曲線越呈現類對數化特征。而當加熱水質量流量較小或液氮處理量較大時，主流溫度曲線的類對數化增長表現雖然沒有消失，但溫度曲線出現了右移，這表明相變傳熱段長度增長，并顯示氣化動力不足。

(2)在氣化出口溫度約束條件下，傳統ORV試件能達到的最大處理量775 kg/h，而super-ORV處理量不足375 kg/h。這是由于super-ORV試件內部流動截面積減少和入口局部阻力增大的原因，在一定輸出壓力下液氮處理量必然降低。

(3)相對傳統ORV試件，super-ORV試件的相變傳熱段更長，而且整體氣化溫度曲線更低，表明其氣化性能反而更差。對此可作如下解釋，即相對傳統ORV試件結構，當換熱管底端外壁無結冰生成時，super-ORV試件的傳熱熱阻由于嵌入式內管的設置而大大提高，因此削弱了整體傳熱。當有結冰生成時，由冰層造成的傳熱熱阻的增加程度大于super-ORV試件嵌入式內管的傳熱熱阻增加，super-ORV試件表現出更好的傳熱性能。由于實驗條件的限制，對揭示super-ORV的優越性方面顯得不足。

(4)傳統觀點一致認為，基于嵌入內管和螺旋擾流件結構的super-ORV管型具有更好的氣化傳熱性能，通過實驗卻觀察到super-ORV方案在既定實驗條件下處理量下降和氣化性能下降的現象，這一點值得后續研究和設計人員的關注。

4 結語

實驗獲得了ORV沿程主流溫度分布曲線，依據曲線對氣化過程進行相變傳熱和對流傳熱區的劃分，觀察分析認為在不結冰實驗操作工況下，super-ORV的氣化性能不及傳統ORV方案。

文中搭建的實驗平臺相對簡單，對研究實際工況的LNG氣化傳熱需求尚有一定的距離，如超臨界介質傳熱、介質與熱源水均勻分布設計等方面有待進一步研究。

[1] 陳永東,陳學東.LNG成套裝置換熱器關鍵技術分析[J].天然氣工業,2010,30(1):103-107，154-155.

(CHEN Yong-dong, CHEN Xue-dong．A Technical Analysis of Heat Exchangers in LNG Plants and Terminals[J]. Natural Gas Industry,2010,30(1):103-107，154-155. )

[2] Shotani Hitonobu, Iwasaki Shosuke. Open Rack Vaporizer：Japan，JP2001255080[P].2001-09-21.

[3] Matsuoka Yasuyuki, Tokunaga Hideyuki, Oshima Asuka, et al. Spray Mechanism for Open Rack Vaporizer：Japan，JP2015178880 [P].2015-10-08.

[4] Kyoda Sunao,Chikahisa Haruhiko,Tokunaga Hideyuki. Surface Protection Method of Open Rack Type Vaporizer：Japan，JP2007082368[P].2008-10-09.

[5] 仇德朋,郭雷,徐國峰,等. LNG接收站中開架式氣化器(open rack vaporizer)運行分析[J]. 山東化工,2013,42(10):103-109.

(QIU De-peng, GUO Lei, XU Guo-feng, et al. Operation Analysis of Open Rack Vaporizer in LNG Terminal[J]. Shandong Chemical Industry，2013，42(10)：103-109.)

[6] 張成偉,馬鐵輪,蓋曉峰,等. LNG接收站開架式氣化器在高含沙海水工況下使用的探討[J].石油工程建設,2007,33(6):8-10，83.

(ZHANG Cheng-wei, MA Tie-lun, GAI Xiao-feng, et al. Discussion on Application of Open Rack Vaporizers in Highly Sandy Sea Water Condition [J]. Petroleum Engineering Construction，2007，33(6)：8-10，83.)

[7] 焦泉森,羅宜瑞. LNG開架式汽化器(ORV)的結構及安裝技術[J].石油化工建設,2014(3):61-63，75.

(JIAO Quan-sen, LUO Yi-rui. Construction and Installation Technology of LNG Open Rack Vaporiser[J]. Petroleum and Chemical Construction，2014(3)：61-63，75.)

[8] 李峰,劉暉.LNG開架式海水汽化器管道振動及改造實踐[J].廣東化工,2014，41(17):161-162,176.

(LI Feng, LIU Hui. The Settlement Practice of Vibrations of ORV and Pipes in LNG Plant [J]. Guangdong Chemical Industry，2014，41(17):161-162,176.)

[9] 周華,田士章,朱乾壯,等. LNG接收站開架式氣化器的最大操作負載[J].油氣儲運,2013,32(6):22-25，32.

(ZHOU Hua, TIAN Shi-zhang, ZHU Qian-zhuang, et al. Max Operating Load of Open Rack Vaporizer in a LNG Receiving Terminal[J]. Oil & Gas Storage and Transportation，2013,32(6):22-25，32.)

[10] 王萌,金滔,湯珂,等. 超級開架式氣化器傳熱管換熱過程的數值模擬分析[J].天然氣工業,2013,33(6):109-114.

(WANG Meng, JIN Tao, TANG Ke, et al. Numerical Simulation Analysis of a Heat Transfer Tube in SuperORV[J]. Natural Gas Industry，2013，33(6):109-114.)

[11] 郭少儒,張尚文,郭長瑞,等. LNG開架式海水氣化器強化傳熱過程數值模擬[J].石油化工設備,2013,42(6):50-53.

(GUO Shao-ru, ZHANG Shang-wen, GUO Chang-rui, et al. Numerical Simulation in the Course of Heat Progress for Rib-tube of Open Rack Vaporizer [J].Petro-chemical Equipment，2013，42(6):50-53.)

[12] 楊帆.開架式氣化器新型傳熱管強化傳熱機理研究[D].西安：西安石油大學,2015.

(YANG Fan. Research on Enhanced Heat Transfer Mechanism of Open Rack Vaporiser Novel Heat Transfer Tube[D]. Xi’an：Xi’an Shiyou University，2015.)

[13] 余美玲.新型開架式內螺旋管汽化器的數值模擬和優化[D].廣州:華南理工大學,2012.

(YU Mei-ling.Numerical Simulation and Optimization of Novel Open Rack Vaporiser Heat Transfer Tube with Inside Spin[D]. Guangzhou：South China University of Technology，2012.)

[14] 孫啟迪.開架式氣化器表面結冰傳熱數值模擬[D].蘭州：蘭州理工大學,2016.

(SUN Qi-di. Numerical Simulation of the Heat Transfering if Icing on the Surface of Open Rack Vaporiser[D].Lanzhou：Lanzhou University of Technology，2016.)

[15] 鄧志安,姜晨薇,張雪婷,等. 超級開架式氣化器新型傳熱管內流場及對流換熱的數值模擬[J].天然氣工業,2016,36(4):90-95.

(DENG Zhi-an, JIANG Chen-wei, ZHANG Xue-ting, et al. Numerical Simulation Analysis on the Flow Field and Convection Heat Transfer in a New Heat Transfer Tube of SuperORV [J].Natural Gas Industry，2016,36(4)：90-95.)

[16] 陳帥,張智旋.LNG接收站在海水低溫條件下的ORV節能運行技術[J].天然氣工業,2016,36(5):106-114.

(CHEN Shuai, ZHANG Zhi-xuan.Energy-saving Operation of ORV under Low Seawater Temperatures at LNG Terminals[J].Natural Gas Industry，2016，36(5)：106-114.)

(許編)

ExperimentalStudyonTemperatureCharacteristicsofOpenRackVaporizer

ZHOUBing,NILi-gang,CUIYun-long,YAOZhi-yan

(Hefei General Machinery Research Institute, Hefei 230088, China)

Based on the unique structure of the heat exchange tube of open rack vaporizer(ORV), a set of heat transfer test system is set up using liquified N2instead of liquefied natural gas(LNG). Tests are done within tubes of two different types under different vaporization capacity and it shows the experimental platform has good reliability based on the homogenization evaluation of all measure points, heat balance between the outside and inside of the test tube and the temperature drop of the heating water. It is obtained the outlet vaporization temperature curve upon the flow rate and the temperature field of the in-tube main flow. The result shows that better performance is gained on traditional tubes rather than super-ORV tubes corresponding to no icing operation.

open rack vaporizer; vaporization capacity; temperature profile; experimental; study

TQ050.2； TE969

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.001

1000-7466(2017)04-0001-06①

2017-02-24

合肥通用機械研究院青年科技基金項目(2012011081)

周 兵(1986-)，男，安徽舒城人，助理工程師，碩士，主要從事換熱設備傳熱工藝研究。