晃动对FLNG排管式液体分布器性能的影响
2016-04-06唐建峰杨帆崔健褚洁张豪杰修云飞
唐建峰杨 帆崔 健褚 洁张豪杰修云飞
1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院 2.中海石油气电集团技术研发中心
唐建峰等.晃动对FLNG排管式液体分布器性能的影响.天然气工业，2016，36（1）：123-128.
晃动对FLNG排管式液体分布器性能的影响
唐建峰1杨 帆1崔 健1褚 洁2张豪杰1修云飞1
1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院 2.中海石油气电集团技术研发中心
唐建峰等.晃动对FLNG排管式液体分布器性能的影响.天然气工业，2016，36（1）：123-128.
摘 要随着海洋油气开发的推进，填料塔被广泛应用于海上浮式液化天然气设备(FLNG)，对天然气进行预处理。填料塔的重要元器件为液体分布器，其设计的好坏直接影响到填料性能和全塔效率的发挥。排管式液体分布器因其驱动力为液体压力，能更好地适应海上晃动。为了研究海上晃动对其液体分布性能的影响，使用可以实现横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡6种单一自由度晃动的六自由度晃动平台，对排管式液体分布器进行静止、不同晃动形式和不同晃动幅度工况下的实验研究，测量各种工况下各孔口的出口流量，分析各种晃动形式和晃动幅度对其液体分布性能的影响效果。结果表明：①6种单一晃动形式中，横摇、纵摇对排管式液体分布器的孔口流量分布影响较大，横摇5°和纵摇5°使其整体不均匀度（Mo）值分别增大了35%和15%，其余晃动形式对其性能影响较小；②随着晃动幅度的增大，排管式液体分布器的液体分布性能变差，横摇8°比横摇5°的Mo值增大30%，纵摇8°比纵摇5°的Mo值增大20%左右，艏摇运动下的Mo值变化不明显。该研究成果，为排管式液体分布器在海上的应用及优化提供了技术支持。
关键词FLNG 排管式液体分布器 静止 晃动 六自由度晃动平台 横摇 纵摇 分布性能 不均匀度
随着海洋油气开发的推进，填料塔被广泛应用于海上浮式液化天然气设备(FLNG)，对天然气进行预处理[1-10]。排管式液体分布器作为一种压力式液体分布器，抗干扰性好，运行相对稳定[11]，适于海上特殊的工况，适用于FLNG填料塔对液体进行预分布。
1 实验部分
1.1 实验装置及流程
实验装置流程如图1所示。
图1 晃动条件下排管式液体分布器流体分布性能实验研究流程图
实验中使用的晃动平台如图2所示。排管式液体分布器的晃动形式如图3所示，其6种单一自由度晃荡形式可定义为[12-13]：①横摇为液体分布器以X轴为转动轴，在一定角度内做摇摆运动；②纵摇为液体分布器以Y轴为转动轴，在一定角度内做摇摆运动；③艏摇为液体分布器以Z轴为转动轴，在一定角度内做摇摆运动；④横荡运动为沿Y轴方向的直线运动；⑤纵荡运动为沿X轴方向的直线运动；⑥垂荡运动为沿Z轴放向的直线运动。
图2 晃动平台示意图
图3 排管式液体分布器晃动形式图
1.2 实验分析方法及指标
文献中用不均匀度（Mo值）表示分布器的分布均匀程度[14]，其定义为：
式中N为计算流速点数；Qoi为第i孔口的出口流量，m3/s；为所有孔口的平均流量，m3/s。
根据式（1）可以得出液体分布器整体及各支管的Mo值，Mo值越大代表液体分布器的分布性能越差，反之则代表液体分布器的分布性能越好。通过比较不同工况下排管式液体分布器整体及各支管的不均匀度，可以分析每种工况对液体分布器整体及各支管分布性能的影响[15-16]。
2 实验结果分析
2.1 静止条件下排管式液体分布器流体分布性能实验
静止条件下，实验进液量为15 m3/h，取排管式液体分布器各出口流量作图（图4）。
图4 进液量为15 m3/h时的流量分布图
从图4可以看出，静止条件下，排管式液体分布器各支管距离主管相同位置的孔口流量基本相同，支管上靠近主管的孔口流量较小，其他位置的孔口流量较为均匀。静止条件下排管式液体分布器各支管孔口流量Mo值如表1所示。
表1 静止工况下分布器整体Mo值表
从表1可以看出，在静止条件下，进液量为15 m3/h时，各支管孔口流量的Mo值相差不大，整体Mo值在0.26左右，液体分布较为均匀。
2.2 晃动条件下排管式液体分布器流体分布性能实验
2.2.1 晃动形式对排管式液体分布器流体分布性能的影响
2.2.1.1 横摇工况
在周期为16 s、流量为15 m3/h、横摇5°的条件下，取排管式液体分布器各出口流量作图（图5）。
从图5可以看出，横摇对排管式液体分布器的流量分布有一定的影响，在晃动的2个1/4周期中，各支管上的孔口流量分布相对于主管对称。横摇运动导致排管式液体分布器的每根支管上各个孔口流量存在差异，由于横摇使支管倾斜后液体的部分重力势能转化为压能，使位于支管低端的孔口流量会略高于位于支管高端的孔口流量。各支管出口流量的Mo值如表2所示。
从表2可以看出，横摇不仅使得分布器的整体分布效果变差，也使各支管分布效果变差，横摇运动较静止条件下Mo值变大，即液体分布器的分布效果变差。
表2 横摇5°工况下孔口流量的Mo值表
2.2.1.2 纵摇工况
在周期为16 s、流量为1 5 m3/h、纵摇5°的条件下，取排管式液体分布器各出口流量作图（图6）。
图6 纵摇5°工况下的流量分布图
从图6可以看出，每根支管的流量分布和静止时的规律基本一样，即靠近主管处的流量略低于其他位置处的流量；纵摇运动时，在取样的前1/4周期内，处于低端的5～7号支管的流量略高于高端的1～3号支管，分析是由于纵摇造成分布器各支管沿着晃动方向产生高度差，主管倾斜后液体在重力作用下有向低端堆积的趋势，造成位于低处的支管总流量略高于位于高处的支管总流量。各支管出口流量的Mo值如表3所示。
表3 纵摇5°工况下孔口流量的Mo值表
从表3可以看出，纵摇使得分布器的各支管及整体的Mo值较静止条件下变大，即液体分布器的分布效果变差，但与横摇工况相比，变差程度小一些。
2.2.1.3 艏摇工况
在周期为16 s、流量为15 m3/h、艏摇5°的条件下，取排管式液体分布器各出口流量作图（图7）。
图7 艏摇5°工况下的流量分布图
从图7可以看出，艏摇对排管各支管口流量分布效果影响很小，其分布与静止条件下相比无明显差别。各支管出口流量的Mo值如表4所示。
从表4可以看出，艏摇5°时与静止条件时的Mo值基本相同，各支管流量曲线和不均匀度都没有明显变化，即艏摇对分布器的分布效果无明显影响。
表4 艏摇5°工况下孔口流量的Mo值表
2.2.1.4 横荡、纵荡、垂荡工况
在周期为16 s、流量为15 m3/h、横荡150 mm、纵荡150 mm、垂荡150 mm的条件下做排管式液体分布器水力学实验，各支管出口流量的Mo值如表5所示。
从表5可以看出，横荡150 mm、纵荡150 mm、垂荡150 mm时与静止条件时的Mo值差别很小，即在本实验艏荡运动幅度范围内横荡、纵荡、垂荡运动对分布器的分布效果无明显影响。
表5 横荡、纵荡、垂荡运动工况下孔口流量的Mo值表
2.2.2 晃动幅度对排管式液体分布器流体分布特性的影响
本节主要研究不同的晃动幅度对排管式液体分布器各支管口流量分布均匀性的影响，现对两种影响排管式液体分布器分布性能较大的摇摆运动形式分别做不同晃动幅度的研究。
2.2.2.1 横摇工况
开展周期为16 s，流量为15 m3/h，横摇5°和8°条件下排管式液体分布器晃动实验，各出口流量如图5、图8所示。
从图5、图8中可以看出，横摇8°时排管式液体分布器各支管孔口的流量分布规律与横摇5°时基本相同，即流量分布相对于主管对称，出液孔运动到最低位置时的流量总体大于位于高处孔口的流量。随着横摇幅度的增大，各支管最高和最低端的高度差增大，从而使得两端的流量差增大。作两种横摇幅度下各支管出口流量的Mo值如表6所示。
从不同横摇角度各支管和整体的不均匀度值可以看出，横摇使得分布器的分布效果变差，且其不均匀度随横摇度数的增大而增大，即横摇度数的增大，使各支管和整体的分布效果均变差。
图8 横摇8°工况下的流量分布图
表6 横摇5°、8°工况下孔口流量的Mo值表
2.2.2.2 纵摇工况
开展周期为16 s，流量为15 m3/h，纵摇5°和8°条件下排管式液体分布器晃动实验，各出口流量如图6、图9所示。
从图6、图9中可以看出，纵摇8°时排管式液体分布器各支管口的流量分布规律和纵摇5°时的规律基本相同，即在取样的前1/4周期内，5～7号支管的流量略高于1～3号支管，后1/4周期内1～3号支管的流量略高于5～7号支管。随着纵摇幅度的增大，各支管之间的高度差增大，从而使得流量差增大。作两种纵摇幅度下各支管出口流量的Mo值如表7所示。
图9 纵摇8°工况下的流量分布图
从表7可以看出，纵摇使得分布器的分布效果变差，且不均匀度随横摇度数的增大而增大，但增大相同的角度其不均匀度增大程度较横摇小。
表7 纵摇5°、8°工况下孔口流量的Mo值表
3 结论
1）6种单一晃动形式中，横摇、纵摇对排管式液体分布器的孔口流量分布影响较大，横摇5°和纵摇5°使分布器整体Mo值分别增大了35%和15%，其余晃动形式对分布器影响很小。
2）随着晃动幅度的增大，分布器整体分布质量下降，横摇8°比横摇5°的Mo值增大30%，纵摇8°比纵摇5°的Mo值增大20%左右，艏摇运动下的Mo值变化不明显。
参 考 文 献
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（修改回稿日期 2015-11-11 编辑 何 明）
Effects of sloshing on the performance of FLNG calandria liquid distributors
Tang Jianfeng1, Yang Fan1, Cui Jian1, Chu Jie2, Zhang Haojie1, Xiu Yunfei1
(1. College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum
NATUR．GAS IND．VOLUME 36，ISSUE 1，pp.123-128， 1/25/2016．(ISSN 1000-0976；In Chinese)
Abstract:With offshore oil and gas development, packed columns are widely used in offshore floating liquefied natural gas equipments (FLNG) for natural gas pretreatment. Liquid distributor is the key component of packed columns, so its design quality has direct effect on the packing performance and efficiency of the whole packed column. Calandria liquid distributor is driven by liquid pressure, so it can better suit for offshore sloshing. For the analysis of offshore sloshing effect on liquid distribution performance, a six-DOF (degree of freedom) sloshing platform which can generate six kinds of single-freedom-degree sloshing (e.g. rolling, pitching, yawing, swaying, surging and heaving) was used to perform experimental studies on calandria liquid distributors in the working conditions of static, different sloshing forms and different sloshing amplitudes. Besides, the flow rates of each liquid outlet were measured under different operating conditions, and the effects of different sloshing forms and amplitudes on the performance of liquid distributors were investigated. It is shown that among six single sloshing forms, rolling and pitching have more effects on the flow rate at the outlets of calandria liquid distributors, and the others have less effects on the distribution performance. The overall uneveness (Mo) rises by 35% and 15% respectively corresponding to rolling 5° and pitching 5°. With the increasing of sloshing amplitude, the distribution performance of calandria liquid distributors gets worse. The Moof rolling 8° is 30% higher than that of rolling 5°. The Moof pitching 8° is about 20% higher than that of pitching 5°. The Mois less influenced by the shaking movement of stems. These research results provide technical support for the application and optimization of calandria liquid distributors on the sea.
Keywords:FLNG; Calandria liquid distributor; Sloshing; Six-DOF sloshing platform; Rolling; Pitching; Distribution performance; Uneveness
作者简介：唐建峰，1973年生，教授，博士；现任中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院燃气工程系主任；主要从事天然气预处理、LNG关键技术等方面的研究工作。电话：（0532）86983173。ORCID:0000-0002-9159-2317。E-mail:tangpaper@126. com
DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.01.016
