浮式天然氣液化實驗裝置用于開放實驗的探討

韓 輝，李玉星，王武昌，朱建魯，王少煒，孫崇正

浮式天然氣液化實驗裝置用于開放實驗的探討

韓 輝，李玉星，王武昌，朱建魯，王少煒，孫崇正

（中國石油大學（華東） 儲運與建筑工程學院 山東省油氣儲運安全省級重點實驗室，山東 青島 266580）

設計搭建了小型浮式天然氣液化實驗裝置，介紹了實驗系統(tǒng)的工藝流程、測試段設計、浮式測試平臺及裝置的工作參數(shù)，分析了該裝置的特點及用于開放實驗教學的可行性，并結(jié)合液化天然氣利用技術課程的工藝流程，設計了低溫冷劑降膜流動可視化測量實驗、繞管式換熱器殼側(cè)降膜蒸發(fā)換熱和壓降性能測試實驗、浮式條件下設備的抗晃蕩設計和驗證實驗。該系列實驗項目的實際開放情況達到了實驗的預期效果。

開放實驗；浮式液化天然氣；繞管式換熱器

環(huán)保政策促進了國內(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年進口LNG占我國天然氣消費總量的26.5%[1-2]，消費的劇增帶動了產(chǎn)業(yè)技術的發(fā)展，近年來一些LNG關鍵技術和重要裝備先后實現(xiàn)了國產(chǎn) 化[3-6]。我校于2009年起在油氣儲運工程專業(yè)開設了液化天然氣利用技術專業(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)及液化技術的復雜性，課程實驗開展困難。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實驗[8-9]，幫助學生理解液化工程。2019年，我校油氣儲運專業(yè)迎來本科專業(yè)認證。本著以學生為核心、能力導向和持續(xù)改進等原則[10]，并考慮到目前專業(yè)課程實驗以工藝實驗為主、對液化設備的涉及較少的現(xiàn)狀，以學校的開放實驗為契機[11]，以國家自然科學基金“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驗裝置。浮式液化裝置是海上天然氣開發(fā)的關鍵，也是目前的研究熱點[12]。試圖將浮式LNG液化過程中繞管式換熱器的相關實驗融入到課程開放實驗中，幫助學生結(jié)合液化過程理解換熱設備的工作機制和存在問題，指導學生開展設備性能測試和改進研究，促進學生將所學知識轉(zhuǎn)化為解決工程問題的能力。

1 實驗系統(tǒng)設計

1.1 實驗系統(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換熱器，在各種液化系統(tǒng)中的應用比例超過90%[13]。實驗系統(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動平臺，模擬設備在海上風浪條件下的工作過程，實驗系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。實驗裝置由氣、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)過羅茨風機增壓到0.2 MPa，經(jīng)質(zhì)量流量計計量，進入板式換熱器冷卻到–30 ℃液化，液化后的低溫冷劑進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；換熱后的冷劑進入空溫式氣化器升溫氣化，經(jīng)分離器后回到風機入口，完成循環(huán)。液相循環(huán)主要實現(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)。繞管式換熱器實驗段置于浮式測試平臺上，平臺能夠通過軟件控制實現(xiàn)傾斜、平動、轉(zhuǎn)動等單一或組合形式的運動，實現(xiàn)海上浮式工況模擬。

圖1 浮式天然氣液化實驗裝置流程圖

實驗裝置的管道、設備和儀表等布置如圖2所示。在配管之前，考慮泵、風機、制冷機組等動力設備的噪音和安全性，將主要動力設備貼墻放置，其中風機和工質(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。考慮室內(nèi)實驗安全性，降膜流型冷態(tài)實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確；由于降膜蒸發(fā)換熱實驗工質(zhì)流經(jīng)的設備更多，管線更復雜，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)果更接近實際。

圖2 實驗裝置的布置

由于實驗目的是研究繞管式換熱器的流動特性和換熱特性，因此裝置應具有參數(shù)調(diào)節(jié)和測量功能，應可開展多種氣、液相流量下的測量工作，主要參數(shù)如表1所示。

表1 實驗裝置的主要參數(shù)

1.2 實驗件的設計

繞管式換熱器是一種復雜的多股流換熱器，由殼體、中心筒和圍繞中心筒纏繞的多層盤管組成。實驗件按真實繞管式換熱器進行設計，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。實驗件材料為鋁合金框架和曲面有機玻璃，實驗件的高度為636 mm，寬度為296 mm，長度為198 mm，曲面有機玻璃的厚度為10 mm。為了方便更換盤管，實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 繞管式換熱器實驗件

1.3 浮式測試平臺

浮式測試平臺包括：多自由度運動平臺、壓力溫度采集和圖像采集。實驗件放在定制的多自由度運動平臺上，通過軟管與氣、液相管路連接，如圖4所示。小型運動平臺表面尺寸1.5 m×0.5 m，負載70 kg，可通過軟件控制實現(xiàn)傾斜、晃動和平移運動，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。實驗過程除采集氣、液相進出口的壓力、溫度及管壁表面溫度外，在冷態(tài)條件下通過安裝在實驗件正面的FASTCAM SA-X2高速攝像機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 測試平臺實物圖

2 用于開放實驗的可行性分析

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

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

（2）可靠的安全性。實驗采用較低的運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，動力設備和低溫設備遠離測試平臺，氣體管道設置放空，確保裝置和實驗人員安全。

（3）裝置易于操作。實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，實驗件尺寸小、重量輕，易于更換和快速拆裝。

開放實驗安排在暑期小學期進行，通常3~5人為一組，由學生自愿報名參加，實驗持續(xù)1周時間。利用該實驗裝置能夠進行靜態(tài)條件下的流動和換熱實驗，也可進行浮式條件下的性能測試，通過設計的可快速拆裝的測試段，能夠方便地進行不同實驗件的性能對比測試。實驗開始進行時，2人負責安裝實驗件，啟動動力設備和調(diào)節(jié)閥門，1人通過中控操作測試平臺和采集實驗數(shù)據(jù)。學生進行冷態(tài)實驗時，首先開機完成循環(huán)，保持流量在某一實驗值5~10 min，觀察實驗段的降膜流動形態(tài)，流型穩(wěn)定后，操作高速攝像儀進行圖像采集。進行降膜蒸發(fā)換熱實驗時，向分離器內(nèi)加注工質(zhì)，然后啟動風機，開始進行氣相循環(huán)，之后啟動制冷機液化氣相冷劑，穩(wěn)定后開啟換熱管加熱，完成換熱循環(huán)，觀測實驗件進、出口溫度，實驗約在30 min后達到熱平衡，之后開始記錄壓力、溫度、流量參數(shù)。由于實驗裝置較為緊湊，需要的工質(zhì)量較少，實驗主要費用為動力設備的電費，系統(tǒng)總功率不超過20 kW。該裝置操作簡單、測試量豐富，同時易于對自主設計的管件進行測試，能有效提高學生的自主學習能力和工程應用能力。

3 已開設的實驗項目及效果

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

3.1 降膜流動可視化觀測與液膜厚度測量實驗

冷劑在管外的流動特性是研究繞管式換熱器的基礎。本項實驗內(nèi)容包括：降膜流型識別、流型轉(zhuǎn)變關聯(lián)式擬合和管壁液膜厚度測量。通過實驗可幫助學生了解換熱器內(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理。圖5為實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驗

繞管式換熱器的換熱性能和阻力性能是進行換熱器設計的關鍵。本項實驗內(nèi)容包括：換熱器進出口流量、壓降和溫度測量及換熱和阻力關聯(lián)式擬合。通過實驗使學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；能夠基于實驗數(shù)據(jù)擬合換熱和阻力關聯(lián)式，并通過浮式條件下的實驗，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)設計及驗證實驗

降膜蒸發(fā)具有換熱系數(shù)高、冷劑充灌量少等優(yōu)點，但降膜流動不穩(wěn)定，易受運行條件影響出現(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。為了進行浮式條件下的結(jié)構(gòu)改進研究，學生通過文獻調(diào)研，在滿足換熱器隔板接口尺寸條件下，自行設計換熱管管型和布液器，通過實驗室加工后，在測試平臺上測試新型結(jié)構(gòu)的液膜分布和換熱性能，驗證設計的有效性。圖7為學生改進的2組換熱管管型和相應的測試結(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驗裝置進行介紹基礎上，將低溫換熱設備的實驗裝置與本科教學相結(jié)合，設計了一組繞管式換熱器內(nèi)部流動和換熱測試實驗，并將其應用于本科生的開放實驗，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前應用熱點，又符合液化天然氣利用技術課程的實驗要求。將該裝置的實驗研究引入課程教學，拓展了學生的知識結(jié)構(gòu)，使學生對課程所涉及的關鍵設備有更深入的了解。

（2）針對液化過程的主低溫換熱器，設計了流動特性實驗、換熱阻力實驗、結(jié)構(gòu)改進實驗，通過這組實驗，使學生逐步從觀察現(xiàn)象深入到分析機理層面，從定性理解深入到定量分析層面，培養(yǎng)了學生動手實踐能力和思考問題能力。

（3）將開放實驗和科研探索相結(jié)合，通過引入浮式條件對設備不利影響的問題，引導學生思考解決問題的途徑，激發(fā)了學生進行自主探索和創(chuàng)新的熱情，使學生實現(xiàn)了由知識能力向工程能力的躍升。

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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

國家自然科學基金青年基金項目（51604294）；山東自然科學青年基金項目（ZR2016EEQ02）；中國石油大學（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、高效換熱設備。E-mail: hanhui@upc.edu.cn