液化天然气开架式气化器带扰流杆换热管内性能数值模拟

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(1.上海蓝滨石化设备有限公司， 上海 201518；2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730070)

液化天然气开架式气化器带扰流杆换热管内性能数值模拟

张尚文1，2，冯玉洁1，2，文晓龙1，2，周少斌1，2，芦德龙1，2

(1.上海蓝滨石化设备有限公司， 上海 201518；2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730070)

介绍了液化天然气开架式气化器的结构与工作原理，采用计算流体动力学方法分析了液化天然气在气化器中的流动及传热过程，得到不同温度范围内气化器不同部位的气化情况，同时也对影响换热管内气化率的因素——流速、管壁粗糙度等进行了分析比对，并对扰流杆的作用进行了分析，在此基础上提出了扰流杆的优化方案。

开架式气化器； 液化天然气； 气化率； 扰流杆； 数值模拟

近年来由于石油危机和煤炭污染，天然气(Natural Gas，NG)作为一种新型清洁能源，在一次能源结构中的比重越来越大，越来越多地被人们开发和利用，在能源、交通等领域具有广阔的应用前景[1]。

NG在常压下约-162 ℃可液化，即为液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)。LNG可以用来解决气态NG存储、运输困难及峰值调配不方便等问题。但在民用和工业应用中，都需要将LNG气化为NG并恢复到常温条件下使用。开架式气化器(Open Rack Vaporizer, ORV)就是一种专门用于LNG气化的热交换器。

1 ORV简介

ORV是一种以海水为加热源的热交换器，由LNG入口、NG出口、铝合金板型管束、海水入口、海水分配系统(玻璃钢管线、铝合金水槽)、挡风板(玻璃钢)、保温和混凝土结构等部分组成，结构示意图见图1。

ORV的基本单元是若干成板状排列的换热管组成的一个铝合金板型管束，若干铝合金板型管束组成一个ORV主体。LNG从ORV下部LNG入口进入，在铝合金板型管束内由下向上垂直流动，与管束外自上而下喷淋流动的海水进行换热。在换热

图1 ORV结构示图

管内，LNG经历了气化过程和NG加热过程，即气化段和加热段，最终换热管内LNG吸收热量全部气化为NG从出口输出。

换热管作为开架式气化器的核心部件之一，其结构对开架式气化器的传热性能影响很大。通过大量现场调研可知，实际生产过程中ORV的换热管是由铝合金材料制成(管长6 m)，其内部不仅有均匀分布的轴向凹槽形成的内翅片，而且有截面为十字形的扰流杆。换热管外形及剖面结构示意图见图2，其中z为换热管的截面高度。

图2 ORV换热管外形及剖面结构

大量文献研究和报道提出，光滑管内插入纽带或扰流片后，管内产生周期性自旋流能有效改善速度与温度场的协同程度，从而提高换热性能[2]。基于此，换热管内插入扰流杆是强化流体传热的一个行之有效的方法，具有结构简单、性能稳定、易于加工和方便安装等优点。虽然插入扰流杆时流体的摩擦阻力和形体阻力过高，但是对于ORV而言，其换热管内主要承担LNG的气化任务，将不会影响其输送功耗[3]。

2 模型描述与模拟方法

2.1计算模型

Fluent流场计算的基本控制方程包括雷诺时均形式的连续方程、动量方程和能量方程[4-6]。LNG必须通过带扰流杆的换热管通道，扰流杆的作用是加速流体湍动以保证流体处于湍流状态。因此，采用湍流模型进行Fluent流场计算。文中选用了标准k-ε模型，通过湍动能k以及湍流耗散率ε来模拟湍流。

对存在多相混合物区域的流动和传热进行数值模拟时必须要选择多相流模型[7]。Fluent中的4种多相流模型分别是离散相模型、VOF模型，混合物模型以及欧拉模型[8]。ORV换热管中LNG气化相变为NG，涉及液相和气相，故选择相应的多相流模型[9]，文中选用混合物模型。

2.2管内LNG气化过程模拟方法

采用用户自定义函数来模拟LNG的气化过程。管内流体发生相变过程的处理方法是在质量方程中加入质量源项来近似模拟相变过程。

ORV的换热管工作压力已经远超过了其气化的临界压力，而气化潜热随着相变压力的增加不断减小，在临界压力下，气化潜热为0。因此，可以认为LNG气化过程中的气化潜热为0，无需在混合物的能量方程中添加能量源项。

当气相温度大于相变温度时，气相得到质量，液相失去质量，则液相质量源项m1和气相质量源项m2分别为[10]：

(1)

(2)

当气相温度小于相变温度时，气相失去质量，液相得到质量，则气相质量源项m2′和液相质量源项m1′分别为：

(3)

(4)

式中，r1、r2分别为液相连续方程和气相连续方程中的时间松弛系数，经过大量计算验证，本项目中r1、r2取1.0即能较好地反映整个气化过程；ρ1、ρ2分别为液相密度和气相密度，kg/m3；α1、α2分别为混合物中液相体积分数和气相体积分数；T1为各单元液相温度，Tsat为相变温度，K。

3 带扰流杆换热管建模

3.1建模及网格划分[11]

换热管长6 m，扰流杆的基本模型为十字型绕片形式，结构示意图见图3。将扰流杆插入换热管后的换热管模型局部示意图见图4。

图3 扰流杆结构示图

图4 带扰流杆换热管模型局部示图

包含扰流杆的内管流道过于复杂，文中采用非结构化四面体网格进行划分。根据前述对无扰流杆的计算结果，外壁内温度分布变化不大，则将外壁不规则外形简化为相同直径的圆柱面，减少了总网格数也保证了网格质量。

其余内部体网格均由混合网格Tet/Hybrid的TGrid方法生成，网格总数约为367万。带扰流杆换热管流场局部网格划分见图5，端面网格示意图见图6。

图5 带扰流杆换热管流场局部网格划分

图6 带扰流杆换热管端面模型网格划分

3.2边界条件及流场计算设置

LNG和NG的分子量均为17.08，LNG气化过程中相关热力学参数见表1。

表1 LNG和NG热力学参数

换热管材质为铝合金，密度2 680 kg/m3，比定

压热容为900 J/(kg·K)，导热率201 W/(m·K)。

边界条件：①LNG入口设置为速度进口。②NG出口设置为压力出口。③管外壁设置为壁面温度。④进口和出口端面均设置为绝热壁面。⑤其余壁面均设置为耦合壁面。

对流体区域中的LNG和NG分别添加质量源项，源项由UDF编程定义[12]。

4 数值模拟结果及分析

4.1操作温度-162～0 ℃

通过对带扰流杆换热管模型流动和传热过程的数值模拟，得到NG出口速度为2.12 m/s，出口处的平均温度T= 266.87 K。通过分析这些计算结果可以获取实际过程中整个换热管内的流动状态和传热情况。

为了更加直观地反映实际换热管模型中的气化过程，沿管程方向由下及上截取多个横截面，考察不同横截面内含气率(体积分数，下同)变化过程，结果见图7。

图7 操作温度-162～0 ℃时带扰流杆换热管不同截面处NG体积分数云图

从图7可以看出，①图7a代表管内介质为纯液态LNG，随着换热管内LNG与管外海水不断交换热量，LNG逐步被气化为NG，直至管内介质基本为纯气态NG(图7h)。②相较于内管中的LNG气化过程，环形间隙内的LNG气化过程相对较快。在z=0～3 m段，内管中LNG气化过程没有明显强化，气化过程较慢，主要原因是扰流杆对内管流体的扰动提高了内壁面流动传热系数，由外壁面传入的热量很快被内管中的LNG吸收，导致环形间隙内LNG吸热过程放缓。③z=3 m段以后，两部分流体掺混，扰流杆的扰动作用使得混合物掺混程度提高，含气率在截面内分布均匀，出口处的含气率高于无扰流杆模型[13-15]，达到0.999 84，可以认为实际换热管出口处均为NG气体。

4.2操作温度-162～3 ℃

按照操作温度-162～3 ℃对带扰流杆的换热管模型流动和传热过程进行数值模拟，得到NG出口速度为2.28 m/s，出口处的平均温度T=268.46 K。

再次沿管程方向由下及上截取多个横截面，考察不同横截面内含气率变化过程，见图8。

从图8可以看出，①相较于内管中的LNG气化过程，环形间隙内的LNG气化过程相对较快。在z=0～3 m段，内管中LNG气化过程没有明显强化，气化过程较慢，主要原因是扰流杆对内管流体的扰动提高了内壁面流动传热系数，由外壁面传入的热量很快被内管中的LNG吸收，导致环形间隙内LNG吸热过程放缓。②z=3 m段以后，两部分流体掺混，扰流杆的扰动作用使得混合物掺混程度提高，含气率在截面内分布均匀，出口处的含气率高于无扰流杆模型，达到0.999 913，可以认为实际换热管出口处均为NG气体[13-15]。

从图7、图8可以看出，操作温度为-162～0 ℃和操作温度为-162～3 ℃时不同截面NG体积分数变化规律基本相同，到达z=6 m处已完全气化。

图8 操作温度-162～3 ℃时带扰流杆换热管不同截面处NG体积分数云图

5 换热管内气化率影响因素分析

5.1进口流速

在不改变换热管模型的情况下，分别对不同的LNG进口流速进行数值模拟，得到了不同截面上含气率的变化分布图，见图9。

图9 不同LNG进口流速下实际换热管不同截面含气率

由图9可知，①含气率分布的基本情况与无扰流杆模型类似，在不同流速工况下，LNG气化过程基本一致，只是气化速度有所差别。LNG进气速度越低，LNG气化过程越饱满，这主要是因为随着进气速度的降低，LNG在管内的加热时间相对变长，气化过程进行的也越充分。②对比LNG进口不同流速情况下在z=2 m横截面上的含气率分布可以看到，在v=0.3 m/s情况下，含气率接近0.9；而v=0.9 m/s情况下，含气率只有0.02。因此，对于带扰流杆换热管模型，进口速度对整体气化率有很大影响。

如果进口速度过低，整个气化时间会变缓慢，影响生产效率。所以在实际生产中需要权衡考虑，在满足生产效率的同时使进口LNG速度保持最小可以获得最大的含气率。

5.2管内壁粗糙度

在其他条件相同的情况下，考虑换热管内壁的表面粗糙度对气化率的影响，分别计算换热管内壁表面粗糙度Ra为0.2、0.4、0.8、1.6 μm的情况，得到管内流体沿管长方向不同截面的含气率分布情况，见图10。

图10 不同粗糙度情况下实际换热管各截面含气率

由图10可以看出，①在不同换热管内壁粗糙度情况下，实际换热管内的整体气化过程基本相同，均沿管程增大。②LNG气化过程中，换热管内含气率随粗糙度的变化较明显。在之后的NG加热过程中，管内含气率随粗糙度的变化较小。这是由于在气化过程中，随管内壁粗糙度的增大，管壁对液相流体的影响变大，各截面含气率明显增大，气化过程加快，加之实际换热管模型增加了扰流杆，使得流动掺混剧烈，气化率增大很快。加热过程中只在Ra=1.6 μm时气化率较其他表面粗糙度等级时的气化率有明显增大，但是增幅并不大，因为气化率已经接近100%。

5.3扰流杆

无扰流杆换热管和带扰流杆换热管沿着管程方向由下及上不同横截面上的平均含气率分布示意见图10。

图11 两种换热管在不同横截面平均含气率分布

比较图11中所示的曲线可以看出，①整个气化过程沿着管程方向不断增强，从入口到z=1.0 m高度处，含气率基本为0，这主要是因为低温LNG吸热过程需要一定的时间，只有达到了相变温度，才开始逐渐气化并且出现NG。这一点既适合无扰流杆换热管，同时也适合带扰流杆换热管。②z=1～3 m是一段含气率陡升的区域，并且带扰流杆换热管含气率陡升程度高于无扰流杆换热管，这说明带扰流杆换热管中气化段和加热段的连接处流体掺混更加剧烈，气化过程得到增强，使得总的换热管含气率快速上升。③ 根据截面含气率对比可知，气化段内的扰流杆作用不是十分明显，无扰流杆换热管的气化率甚至高于带扰流杆换热管的气化率。因此在实际设计过程中可以考虑将气化段内的扰流杆简化，无须在整个气化段内贯穿扰流杆，分段加入扰流杆即可。这样既可以保证换热管的气化效率，也可以简化结构、节省成本。

6 结论

(1)在相同的边界条件下，与无扰流杆换热管的分析结果进行比较可以知道，带扰流杆换热管模型的气化效率比较高，出口处含气率相差不大，速度和温度均比较低。对总体气化过程而言，在气化段内，无扰流杆换热管模型要优于带扰流杆换热管模型；而在加热段内，带扰流杆换热管模型要优于无扰流杆模型。

(2)在其他条件相同的条件下，比较不同管内壁粗糙度的带扰流杆换热管和无扰流杆换热管模型中沿管程不同截面处的气化率分布可知，两种模型条件下的气化率分布基本趋势保持一致，总体沿管程含气率变化不大。随着管内壁粗糙度的增加，无扰流杆换热管模型在气化段内沿管程气化率增大，在加热段内沿管程基本不变；带扰流杆换热管模型在气化段内沿管程气化率增大，在加热段内沿管程小幅增大。两种模型加热段随管内壁粗糙度的变化含气率变化均较小，这说明粗糙度对液相流体有一定的影响，而对气相流体影响不大，可以忽略。

(3)在其他条件相同的条件下，不同LNG进口速度的带扰流杆换热管和无扰流杆换热管不同截面处的气化率分布基本趋势是保持一致的，随着LNG进口速度的减小，气化过程得到增强，出口含气率增大。因此，在ORV换热管的设计过程中，可以考虑适当降低LNG进口速度，以提高整个ORV换热管内的气化程度。

(4)将操作温度为-162～3 ℃与操作温度为-162～0 ℃相比可看出，操作温度为-162～3 ℃时的NG出口速度提高了7.233%，出口处的平均温度提高了0.598 2%，NG含气率为0.999 913，可视为达到完全气化。

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(许编)

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

上海市金山区科技创新项目：金山区专利新产品项目(2016-ZLXCP-14)

张尚文(1973-)，男，甘肃民勤人，高级工程师，学士，从事海洋和陆地油气田地面工程的工艺设计、压力容器设计以及工程项目管理工作。