浮式天然气液化实验装置用于开放实验的探讨

韩 辉，李玉星，王武昌，朱建鲁，王少炜，孙崇正

浮式天然气液化实验装置用于开放实验的探讨

韩 辉，李玉星，王武昌，朱建鲁，王少炜，孙崇正

（中国石油大学（华东） 储运与建筑工程学院 山东省油气储运安全省级重点实验室，山东 青岛 266580）

设计搭建了小型浮式天然气液化实验装置，介绍了实验系统的工艺流程、测试段设计、浮式测试平台及装置的工作参数，分析了该装置的特点及用于开放实验教学的可行性，并结合液化天然气利用技术课程的工艺流程，设计了低温冷剂降膜流动可视化测量实验、绕管式换热器壳侧降膜蒸发换热和压降性能测试实验、浮式条件下设备的抗晃荡设计和验证实验。该系列实验项目的实际开放情况达到了实验的预期效果。

开放实验；浮式液化天然气；绕管式换热器

环保政策促进了国内天然气市场的发展，液化天然气（LNG）作为天然气的重要输送和储存形式，在保障居民用气、工业用气及车载燃料等方面的作用日益显著。2018年进口LNG占我国天然气消费总量的26.5%[1-2]，消费的剧增带动了产业技术的发展，近年来一些LNG关键技术和重要装备先后实现了国产 化[3-6]。我校于2009年起在油气储运工程专业开设了液化天然气利用技术专业课程，目前已建立了较为齐全的课程体系，涵盖了LNG的性质、液化、储存、气化、站场设计和安全利用等方面内容[7]，但受限于天然气性质及液化技术的复杂性，课程实验开展困难。为此，教研组研制了一套天然气液化装置，并尝试将其用于教学实验[8-9]，帮助学生理解液化工程。2019年，我校油气储运专业迎来本科专业认证。本着以学生为核心、能力导向和持续改进等原则[10]，并考虑到目前专业课程实验以工艺实验为主、对液化设备的涉及较少的现状，以学校的开放实验为契机[11]，以国家自然科学基金“浮式天然气液化过程低温冷剂降膜流动与换热特性研究”项目为依托，重新搭建了一套小型浮式天然气液化实验装置。浮式液化装置是海上天然气开发的关键，也是目前的研究热点[12]。试图将浮式LNG液化过程中绕管式换热器的相关实验融入到课程开放实验中，帮助学生结合液化过程理解换热设备的工作机制和存在问题，指导学生开展设备性能测试和改进研究，促进学生将所学知识转化为解决工程问题的能力。

1 实验系统设计

1.1 实验系统的工艺流程

绕管式换热器是天然气液化过程最主要的低温换热器，在各种液化系统中的应用比例超过90%[13]。实验系统可以模拟液化过程中低温冷剂在绕管式换热器壳侧的流动和换热过程，实现降膜流动的流型观测和换热性能测试，同时借助定制的多自由度运动平台，模拟设备在海上风浪条件下的工作过程，实验系统的工艺流程如图1所示。实验装置由气、液相循环系统和浮式测试平台组成。其中，气相循环系统主要实现液化过程低温冷剂的换热过程，具体流程为：气相冷剂经过罗茨风机增压到0.2 MPa，经质量流量计计量，进入板式换热器冷却到–30 ℃液化，液化后的低温冷剂进入绕管式换热器壳侧，在壳侧由上向下流动并与换热管换热，经过降膜蒸发吸热，部分气化后从壳侧的下部流出；换热后的冷剂进入空温式气化器升温气化，经分离器后回到风机入口，完成循环。液相循环主要实现冷态下的工质降膜流动过程，具体流程为：液相冷剂经过泵增压，计量后进入测试段，工质在壳侧降膜流动，从测试段底部流出，再经气化器和分离器回到泵入口，完成液相循环。绕管式换热器实验段置于浮式测试平台上，平台能够通过软件控制实现倾斜、平动、转动等单一或组合形式的运动，实现海上浮式工况模拟。

图1 浮式天然气液化实验装置流程图

实验装置的管道、设备和仪表等布置如图2所示。在配管之前，考虑泵、风机、制冷机组等动力设备的噪音和安全性，将主要动力设备贴墙放置，其中风机和工质泵置于测试平台两侧，气化器、分离器等置于装置内侧，测试平台置于装置前方。考虑室内实验安全性，降膜流型冷态实验采用戊烷作为循环工质，戊烷的黏度与冷剂的黏度较为接近，用于流型观测较为准确；由于降膜蒸发换热实验工质流经的设备更多，管线更复杂，所以采用安全性更高的氟利昂代替烷烃作为制冷剂，氟利昂制冷温度与丙烷接近，能使测试结果更接近实际。

图2 实验装置的布置

由于实验目的是研究绕管式换热器的流动特性和换热特性，因此装置应具有参数调节和测量功能，应可开展多种气、液相流量下的测量工作，主要参数如表1所示。

表1 实验装置的主要参数

1.2 实验件的设计

绕管式换热器是一种复杂的多股流换热器，由壳体、中心筒和围绕中心筒缠绕的多层盘管组成。实验件按真实绕管式换热器进行设计，如图3所示，由内层壳体、外层壳体、盘管、布液管、卡条和两端盖板组成。实验件材料为铝合金框架和曲面有机玻璃，实验件的高度为636 mm，宽度为296 mm，长度为198 mm，曲面有机玻璃的厚度为10 mm。为了方便更换盘管，实验件的各部分采用卡槽和螺栓连接。盘管通过卡条固定在内外壳中间，盘管间距通过更换不同卡条来调节。

图3 绕管式换热器实验件

1.3 浮式测试平台

浮式测试平台包括：多自由度运动平台、压力温度采集和图像采集。实验件放在定制的多自由度运动平台上，通过软管与气、液相管路连接，如图4所示。小型运动平台表面尺寸1.5 m×0.5 m，负载70 kg，可通过软件控制实现倾斜、晃动和平移运动，平台最大倾角12°，最大角速度为3.5°/s，最大移动速度20 mm/s。实验过程除采集气、液相进出口的压力、温度及管壁表面温度外，在冷态条件下通过安装在实验件正面的FASTCAM SA-X2高速摄像机及配套图像采集软件采集降膜流动图像，并将图像经分析处理得出流型以及膜厚数据。

图4 测试平台实物图

2 用于开放实验的可行性分析

相比于已建立的液化实验装置，本装置侧重于浮式条件下低温换热器的流动和换热性能测试，具有以下特点：

（1）良好的实验稳定性。常规的液化工艺复杂度高，液化设备换热过程不稳定，当前装置用低温制冷机取代了多级节流，简化了液化流程，提高了实验过程和测量结果的稳定性。

（2）可靠的安全性。实验采用较低的运行压力和安全性较高的工质，最高工作压力不超过5 atm，戊烷在室温下饱和蒸气压较低，动力设备和低温设备远离测试平台，气体管道设置放空，确保装置和实验人员安全。

（3）装置易于操作。实验测试工作集中在小型测试平台，便于观测和数据采集，可实现集中控制，仅1人即可完成数据采集、图像观测和平台操控，实验件尺寸小、重量轻，易于更换和快速拆装。

开放实验安排在暑期小学期进行，通常3~5人为一组，由学生自愿报名参加，实验持续1周时间。利用该实验装置能够进行静态条件下的流动和换热实验，也可进行浮式条件下的性能测试，通过设计的可快速拆装的测试段，能够方便地进行不同实验件的性能对比测试。实验开始进行时，2人负责安装实验件，启动动力设备和调节阀门，1人通过中控操作测试平台和采集实验数据。学生进行冷态实验时，首先开机完成循环，保持流量在某一实验值5~10 min，观察实验段的降膜流动形态，流型稳定后，操作高速摄像仪进行图像采集。进行降膜蒸发换热实验时，向分离器内加注工质，然后启动风机，开始进行气相循环，之后启动制冷机液化气相冷剂，稳定后开启换热管加热，完成换热循环，观测实验件进、出口温度，实验约在30 min后达到热平衡，之后开始记录压力、温度、流量参数。由于实验装置较为紧凑，需要的工质量较少，实验主要费用为动力设备的电费，系统总功率不超过20 kW。该装置操作简单、测试量丰富，同时易于对自主设计的管件进行测试，能有效提高学生的自主学习能力和工程应用能力。

3 已开设的实验项目及效果

本实验作为液化天然气利用技术课程的开放实验，已经在储运专业本科生中开放申请，目前开设的开放实验项目有如下3项。

3.1 降膜流动可视化观测与液膜厚度测量实验

冷剂在管外的流动特性是研究绕管式换热器的基础。本项实验内容包括：降膜流型识别、流型转变关联式拟合和管壁液膜厚度测量。通过实验可帮助学生了解换热器内流型划分的知识、掌握图像处理方法，还能够分析换热器内不同参数对降膜流动的影响规律，以及液膜流动和分布特性对换热性能的影响机理。图5为实验测得的绕管式换热器的降膜流型及膜厚测量结果。

图5 降膜流型及膜厚测量结果

3.2 绕管式换热器相变换热和压降性能测试实验

绕管式换热器的换热性能和阻力性能是进行换热器设计的关键。本项实验内容包括：换热器进出口流量、压降和温度测量及换热和阻力关联式拟合。通过实验使学生掌握基本物理量参数的测量、采集方法，以及数据处理方法；能够基于实验数据拟合换热和阻力关联式，并通过浮式条件下的实验，分析浮式条件对绕管式换热器性能的影响规律。图6为设备倾斜对换热性能UA（换热系数乘以换热面积）的影响曲线[14]。

图6 倾斜对绕管式换热器换热性能的影响

3.3 新型抗晃荡结构设计及验证实验

降膜蒸发具有换热系数高、冷剂充灌量少等优点，但降膜流动不稳定，易受运行条件影响出现液膜干涸，削弱换热性能。因此在浮式条件下，改善液膜稳定性尤为重要。为了进行浮式条件下的结构改进研究，学生通过文献调研，在满足换热器隔板接口尺寸条件下，自行设计换热管管型和布液器，通过实验室加工后，在测试平台上测试新型结构的液膜分布和换热性能，验证设计的有效性。图7为学生改进的2组换热管管型和相应的测试结果。

图7 不同管型下换热器的流动特性

4 结语

在对浮式天然气液化实验装置进行介绍基础上，将低温换热设备的实验装置与本科教学相结合，设计了一组绕管式换热器内部流动和换热测试实验，并将其应用于本科生的开放实验，主要得出以下结论：

（1）小型浮式天然气液化装置既紧跟当前应用热点，又符合液化天然气利用技术课程的实验要求。将该装置的实验研究引入课程教学，拓展了学生的知识结构，使学生对课程所涉及的关键设备有更深入的了解。

（2）针对液化过程的主低温换热器，设计了流动特性实验、换热阻力实验、结构改进实验，通过这组实验，使学生逐步从观察现象深入到分析机理层面，从定性理解深入到定量分析层面，培养了学生动手实践能力和思考问题能力。

（3）将开放实验和科研探索相结合，通过引入浮式条件对设备不利影响的问题，引导学生思考解决问题的途径，激发了学生进行自主探索和创新的热情，使学生实现了由知识能力向工程能力的跃升。

[1] LI C J, MICHAEL N M, WANG X L, et al. Multi-criteria analysis of policies for implementing clean energy vehicles in China[J]. Energy Policy, 2019, 129: 826–840.

[2] LI B Y, YIN H T, WANG F. Will China’s “dash for gas” halt in the future?[J]. Resources, Conservation & Recycling, 2018(134): 303–312.

[3] 梅丽，魏玉迎，戚家明.国内首台浸没燃烧式气化器SCV研发关键技术[J].天然气技术与经济，2017, 11(增刊1): 1–3.

[4] 黄宇，陈海平，宋坤.液化天然气接收站气化器自主研制与工业化研究[J].现代化工，2018, 38(2): 173–176.

[5] 陈杰，邰晓亮，盖小刚，等.中国首套大型LNG储罐内潜液泵开发与工业化测试[J].油气储运，2017, 36(4): 435–442.

[6] 黄宇，张超，陈海平.液化天然气接收站关键设备和材料国产化进程研究[J].现代化工，2019, 39(4): 13–17.

[7] 王武昌，李玉星，朱建鲁，等.小型撬装液化天然气实验装置用于教学实验的探讨[J].实验技术与管理，2018, 35(3): 181–184, 198.

[8] 朱建鲁. FLNG液化工艺动态模拟及冷箱性能可靠性研究[D].青岛：中国石油大学（华东），2013.

[9] 朱建鲁，徐明海，李玉星，等.氟利昂预冷双氮膨胀液化工艺动态仿真与验证[J].中国石油大学学报（自然科学版），2016, 40(4): 146–153.

[10] 李志义.适应认证要求推进工程教育教学改革[J].中国大学教学，2014(6): 9–16.

[11] 郭卉，韩婷.大学生科研学习投入对学习收获影响的实证研究[J].教育研究，2018, 39(6): 60–69.

[12] 闫彦，李玉星，张梦娴，等.海上FLNG气液逆流塔内两相流动与传质特性数值模拟[J].中国石油大学学报（自然科学版），2018, 42(5): 155–165.

[13] WANG T, DING G, DUAN Z, et al. A distributed-parameter model for LNG spiral wound heat exchanger based on graph theory[J]. Applied Thermal Engineering, 2015(81): 102–113.

[14] SUN C Z, LI Y X, HAN H, et al. Experimental research on the adaptability of liquid natural gas spiral wound heat exchanger in dual mixed refrigeration liquefaction process[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2018(98): 124–136.

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

国家自然科学基金青年基金项目（51604294）；山东自然科学青年基金项目（ZR2016EEQ02）；中国石油大学（华东）教改项目（YKC2019034）

韩辉（1984—），男，山东莱州，博士，讲师，研究方向为液化天然气利用技术、高效换热设备。E-mail: hanhui@upc.edu.cn