海上液化天然气及相关产业链的教学实验设计

孙崇正， 李玉星， 韩 辉， 朱建鲁， 王 硕， 刘 亮

（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）

0 引 言

随着我国能源消费结构的调整，天然气和氢气在能源供给中的比例将不断提高［1-3］。为满足如此庞大的需求，开发海上资源成为国家能源战略的重要方面。走向深水是世界石油工业发展的必然趋势，也是我国能源可持续发展的重要举措［4-5］。随着氢能技术，特别是制氢技术的发展［6］，利用深海天然气或风电制备氢气，并通过各类储运技术送到氢能源市场，为海上能源低碳发展提供了可行的思路，对实现国家“碳达峰、碳中和”目标具有重要的意义。

天然气与氢气储运技术是实现海上能源高效利用的关键，相较于气态天然气和氢气储运，液化天然气和液氢储运具有单位体积密度高、纯度高和输送效率高等优势，便于大规模天然气与氢气的运输和利用［7-8］。海洋工程界提出了液化天然气浮式生产储卸装置（LNG-FPSO）［9］、浮式LNG 储存和再气化装置（LNGFSRU）［10］以及参考LNG-FPSO和FSRU的浮式氢气液化装置。浮式液化装置简化了深海天然气与风电的储能过程，具有成本低、建造周期短、资金回收快等优点［11］。但在海上生产作业需要考虑到一些复杂的因素，比如台风、波浪、船舶空间等，使得海上液化工艺流程的设计具有其独特性，其主低温换热器等存在气液共存区域的设备会存在液体偏流导致换热不充分，进而影响液化工艺的性能指标［12-14］。天然气的液化温度为-162 ℃左右，其液化工艺中混合制冷剂组成为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和氮气；氢气的液化温度为-253 ℃左右，混合制冷剂组成较为复杂，包括：甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、氢气、氮气、氦气和乙烯等工质［15-17］。相较于天然气液化工艺，氢气液化工艺的关键设备有相似之处，但氢气液化工艺中混合制冷剂组成更为复杂，复杂的混合制冷剂导致了较长的气液共存区域，易受到海上晃荡工况的影响。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、气化等方面的内容。研究海上液氢关键技术是对液化天然气利用技术专业课程学习知识的拓展和补充。将海上液化天然气及相关产业链的相关实验融入课程开放实验中，帮助学生结合液化和气化过程理解换热设备的工作机制和存在的问题，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 海上液化天然气及相关产业链的换热与可视化实验系统

为了加深学生对海上晃荡条件下LNG 产业链中关键设备内部换热过程和流动机理的理解，设计了应用于海上液化天然气及相关产业链的混合制冷剂换热实验与可视化实验装置。

1.1 海上液化天然气及相关产业链的换热实验系统

搭建了一套研究海上液化天然气及相关产业链的复杂混合制冷剂相变换热实验装置，可以进行晃荡条件下单一组分、简单组分（FLNG）和复杂多组分的制冷剂相变换热实验研究，流程图如图1 所示。

整个实验装置由高速摄像与数据采集、低温制冷、流体控制、晃荡平台和气体加注系统5 部分组成，能够模拟天然气和氢气液化工艺中混合制冷剂的冷凝和沸腾换热过程。实验过程中，通过气体加注系统向流体控制系统的缓冲罐中加注需要研究的多种气体，混合后形成组分复杂的混合制冷剂。制冷剂经质量流量计计量后进入压缩机增压，水冷器冷却至常温后进入低温制冷系统。低温制冷系统包括氟利昂制冷系统和液氮低温制冷系统，混合制冷剂在液氮低温制冷系统的冷凝测试段中冷凝换热同时进行流动图像采集。高压制冷剂经过低温节流阀组降温降压后，进入沸腾测试段内部沸腾换热同时进行流动图像采集，沸腾测试段的热量由电加热棒提供。换热后的制冷剂经过气化器气化升温后再次进入压缩机入口缓冲罐，实现制冷剂的循环。在冷凝和沸腾测试段中分别对制冷剂的组分、压力、温度和差压参数进行测试，测试仪表连接中控系统实时记录实验过程中的数据动态变化。压缩机配有变频系统，通过频率变换来调节循环制冷剂的流量参数。冷凝和沸腾测试段安装在晃荡平台上，通过控制系统控制平台运动，模拟海上晃荡工况。

实验系统配有高性能气相色谱仪，色谱仪可用于检测海上液化天然气及相关产业链中混合制冷剂的成分，对烷烃类组分和氮气等组分进行定性和定量分析，色谱仪使用氢火焰离子化检测器（Flame Ionization Detector，FID）和热导池检测器（Thermal Conductivity Detector，TCD）串联方式检测灵敏度较高。混合制冷剂组分测试流程如图2 所示，实验过程中首先打开气瓶中的阀门，根据实验需要填充不同类型的气体，在缓冲罐中混合不同组分的气体，通过在缓冲罐旁边取样口取样，将气相混合制冷剂充入取样袋，最后进行气相色谱仪组分分析。

图1 海上液化天然气及相关产业链的换热与压降测试系统

图2 基于高性能气相色谱仪的混合制冷剂组分测试流程示意图

1.2 海上液化天然气及相关产业链的可视化实验系统

海上晃荡工况会对FLNG 主低温换热器及FSRU中间介质气化器等关键设备的运行性能造成影响。通过开展可视化实验可以实现对晃荡工况下主低温换热器及中间介质气化器内流体流动状态的直接观察，得到晃荡对设备运行性能的影响程度。海上液化天然气及相关产业链的可视化实验系统如图3 所示。

实验过程中，液化实验装置样机与气化实验装置样机安装在晃荡平台上，通过计算机中的晃荡平台操作系统调节晃荡幅度、晃荡周期和晃荡类型，模拟浮式液化工艺与浮式气化工艺中的流动过程，并基于高速显微摄像机与数码摄像机对晃荡过程中流体的微观和宏观流动进行动态捕捉。

1.2.1 浮式液化工艺中主低温换热器可视化实验装置

浮式液化工艺中主低温换热器可视化实验装置由制冷剂循环系统、晃荡平台与高速摄像图像采集系统3 部分组成，如图4（a）所示。由于戊烷与烷烃类制冷剂黏度等性质较为相似，且保冷要求较低，因此实验液相工质采用戊烷。制冷剂循环系统中，戊烷与氮气分别通过泵与压缩机增压，经流量计计量后进入液化实验装置样机，分别由液相均布器与气相均布器均布后在液化实验装置样机中流动，并通过高速显微摄像系统对流动过程进行微观流动图像采集，流出测试段后进入分离器，分离出的戊烷与氮气继续通过泵与压缩机增压实现循环。液化实验装置样机固定在晃荡平台上，随晃荡平台一起运动，通过计算机调节控制器参数，改变平台晃荡的形式、幅值与周期，以实现不同的海上工况。液化实验装置样机外壳采用亚克力塑料以实现对流动过程的可视化。戊烷进入样机经液相均布器分配后滴落至稳液管，流过稳液管后滴落至换热管上，换热管可采用圆管或异形管。换热管的管径、管间距等参数均可调节，进而研究海上工况不同结构参数下的流体流动特征。微观流动可视化实验结果如图4（b）～（e）所示。

图3 海上液化天然气及相关产业链的可视化实验系统示意图

图4 浮式液化工艺主低温换热器流动可视化实验系统

降膜流动流型与流体的雷诺数Re有关，随着雷诺数的增大，降膜流动流型依次呈现滴状流流型、滴柱状流流型、柱状流流型、扇柱状流以及扇状流流型。实验过程中对不同雷诺数Re的降膜流动流型进行区分，并判断流型转变的临界雷诺数。相邻流型之间的临界雷诺数与无量纲参数伽利略数Ga有关，

式中：a和b为常数，通过实验数据拟合得到；雷诺数Re和伽利略数Ga的计算关系式为

式中：Γ 为单位管长的液体质量流量，kg/（m·s）；μ为液体的动力黏度，Pa·s；σ 为液体的表面张力，N/m；ρ为液体的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。

1.2.2 浮式气化工艺中主低温换热器可视化实验装置

中间介质气化器的蒸发器与冷凝器壳侧存在自由界面，其内部流体分布状态受海上晃荡工况的影响较为剧烈，影响其工作性能。实验通过自主设计的气化实验样机模拟海况下蒸发器与冷凝器壳侧流体的分布状态。中间介质气化器实验样机的模型图与实物图如图5 所示。

图5 中间介质气化器实验样机

气化实验样机采用亚克力制作，便于数码摄像机记录晃荡工况下其内部流体的变化情况，同时亚克力塑料具有便于加工、强度与刚度大的优点，可能保证在液体晃动冲击下能正常工作。实验样机由壳体、固定法兰、换热管（由法兰上凹槽固定）、横向隔板（由壳体内壁上的固定吸盘固定）、纵向隔板（由法兰上凹槽固定）、进液口与出液球阀构成，其结构参数如表1 所示。此外，壳体与法兰上设置刻度标尺以实现对液位的观察与记录。

表1 中间介质气化器实验样机结构尺寸参数

2 教学实验设计

2.1 实验装置用于实验教学的可行性

该实验装置包含了海上FLNG装置中混合制冷剂传热特性研究、海上浮式氢气液化装置中复杂混合制冷剂传热特性研究、混合制冷剂组分测定研究、FLNG

装置中主低温换热器流动特性可视化研究、FSRU 装置中气化器流动特性可视化研究、FSRU 中间介质气化器海上适应性强化研究多个功能模块。该实验系统完整、功能性较强，能够实现海上LNG 及相关产业链多场景的实验，装置本身又具有快速启动、实验结果直观可视等优势，具有非常好的教学实验实用性。

2.2 拟开设教学实验项目设计

实验装置涵盖了海上LNG 及相关产业链中的低温工质性质、液化、气化等方面的研究内容，通过实验可以全面理解海上LNG 及相关产业链关键设备装置的流动与换热特性，符合我校油气储运工程专业学生培养方案和液化天然气利用技术专业课程教学大纲的相关要求，并对其进行了拓展和深化，可利用本装置设计如下主要教学实验项目：

（1）海上FLNG 装置中混合制冷剂传热特性实验。混合制冷剂在相变换热过程中会出现气液两相区，海上晃荡条件会影响气液两相制冷剂的分布，一方面导致局部制冷剂不足管壁“干烧”，另一方面导致局部制冷剂过剩，冷量浪费，进而恶化FLNG主低温换热器的传热性能。基于此，将制冷剂传热实验装置与晃荡平台相结合，用于研究温度和压力等参数随着海上晃荡条件变化情况。通过实验，可以使学生掌握晃荡平台的使用方法，对比陆上静态与海上晃荡条件下FLNG中混合制冷剂的传热传质特性，充分了解晃荡对FLNG中混合制冷剂传热特性的影响。

（2）海上浮式氢气液化装置中复杂混合制冷剂传热特性实验。相较于混合制冷剂天然气液化工艺，氢气液化工艺中混合制冷剂组成更为复杂，复杂的非共沸制冷剂具有明显不同的组分迁移特性，相变换热过程中制冷剂的流型、液膜厚度、气泡与液滴尺寸等参数变化对液化工艺性能的影响不能忽略。研究氢气液化工艺中复杂制冷剂的换热是对液化天然气课程的深入拓展。通过实验，可以使学生充分了解晃荡对浮式氢气液化装置中复杂多组分制冷剂传热特性的影响。

（3）混合制冷剂组分测定研究实验。结合多功能气相色谱仪装置，对简单组分和复杂组分混合制冷剂进行组分测定，可以使学生掌握多功能气相色谱仪的使用方法，同时使学生充分理解海上液化天然气及相关产业链中制冷剂组成和配比。

（4）FLNG装置中主低温换热器流动特性可视化研究实验。海上晃荡条件先影响制冷剂的流动过程进而影响整体换热器的换热过程，通过搭建可视化实验装置可以对比陆上静态与海上晃荡条件下FLNG中主低温换热器的微观与宏观流动特性。学生通过组装FLNG装置中主低温换热器，可以掌握主低温换热器装置内部结构。

（5）FSRU装置中气化器流动特性可视化研究实验。实验装置可以模拟海上晃荡条件下FSRU气化模块中液位的变化过程，有助于学生深入理解晃荡过程与特点，学生通过组装FSRU 装置中的中间介质气化器，将课堂所学的知识得到应用，加深学生对晃荡影响更为直观的理解，善于总结现象和提出问题，了解气化器的内部构造。

（6）FSRU 中间介质气化器海上适应性强化实验。通过在中间介质气化器中增加挡板等措施提高其海上适应性，有助于学生拓展思维，增加学生的创新意识和创新能力，能灵活运用基础理论和基本知识，提高学生解决问题的能力，力求通过科学分析解决实际工业生产中的现实问题。

3 实验方法与结果

3.1 实验步骤

实验过程中需要完成实验样机结构参数的改变、晃荡平台运动参数的设置、高速显微摄像机与数码摄像机对实验样机内流动过程的记录。实验前要熟悉实验设备使用方法与操作步骤。具体实验步骤如下：

（1）选定实验结构参数与所需对应的实验材料，按照设计结构形式安装实验样机，完成密封后固定在晃荡平台上。

（2）将高速摄像机或数码摄像机固定在平台的另一侧，保持与实验样机在同一高度并进行对焦。

（3）对晃荡平台的水平度进行校正，连接好控制器，打开计算机上控制器软件，设置实验工况参数，启动晃荡平台。

（4）启动泵与压缩机，实现制冷剂循环流动，同时使用高速显微摄像机或数码摄像机进行拍摄，温度与压力等传感器对实验样机中的关键参数进行测量。

（5）实验完成后，关闭泵与压缩机，停止晃荡平台运动并恢复至初始状态，依次关闭控制机与计算机，最后导出所采集的图像等数据。

（6）进行多组不同晃荡与结构参数条件下的关键设备海上适应性实验研究，整理实验数据，得出实验结论。

3.2 实验结果

海上晃荡工况对中间介质气化器的影响如图6 所示。由图可见，晃荡条件下，1 个周期（T）内流体流动状态发生明显波动，且波动幅度随着晃荡幅度的增大而增大，导致中间介质气化器的换热性能逐渐恶化。当晃荡幅度为6°时，液位波动导致换热管裸露，发生“干烧”，导致中间介质气化换热性能发生明显恶化；当晃荡幅度增加到9°时，换热管“干烧”区域增大，且“干烧”时间变长，导致性能进一步恶化。

图6 晃荡角度对中间介质气化器的影响

为提高中间介质气化器的海上抗晃荡性，在其内部增加横向挡板。通过对增加不同数量横向挡板的气化实验样机的液位变化进行实验，研究其抗晃荡效果。不同隔板数量下晃荡（幅度3°、6°、9°）对中间介质气化器的影响如图7 所示。从图7（a）可见，不设置挡板条件下中间介质气化器液位的变化情况与上述描述一致；当设置1 个横向挡板时，中间介质气化器的液位波动明显降低，最大降低了22.47%，改善了中间介质气化器液位的稳定性，提高了其海上抗晃荡性。然而当晃荡幅度为9°时液面波动幅值的变化了9.38%，液位的稳定性仍较差，第1 排换热管仍有部分裸露，发生“干烧”，其抗晃荡性仍不能满足中间介质气化器的高效运行。当设置2 个横向挡板时，中间介质气化器的液面波动如图7（b）所示。可见液面稳定性进一步改善，液面波动进一步平缓，液面波动幅度又降低6.88%。晃荡幅值为9°时，最低液位也能覆盖换热管，且有一定的安全余量，不会发生“干烧”。1 个晃荡周期内液化变化幅值低于1.39%。由此可见，设置两个横向挡板可以抑制晃荡工况下对中间介质气化器换热性能的恶化，实现其高效运行。

图7 晃荡角度对中间介质气化器的影响

海上晃荡周期对中间介质气化器的影响如图8 所示。晃荡幅值为6°，晃荡周期分别为6、10、20 s，初始液位为100 mm。由图8 可见，随着晃荡周期的增加，中间介质气化器内部液位波动幅度逐渐减小，当设置1 个横向挡板时，液位波动幅度减小，且不同晃荡周期对液位波动幅度的影响减小；当横向挡板数量增加至2 个时，在不同晃荡周期下，中间介质气化器内部液位波动幅度基本重合，晃荡周期对液位波动幅度无影响。设置横向挡板不仅能减小液面波动幅度，还能弱化晃荡周期的影响。

图8 晃荡周期对中间介质气化器的影响

4 结 论

基于海上液化天然气及相关产业链的换热与可视化实验系统，设计了浮式液化天然气和液化氢气产业链中流体流动与换热特征实验，并探讨了其用于实验教学的可行性，主要得出以下结论：

（1）实验系统完整，能够实现海上LNG产业链多场景的实验，同时拓展了海上液化氢气产业链的实验研究；实验装置可进行陆上静止与海上晃荡工况、兼顾换热与可视化流动特性实验研究、兼顾微观与宏观流动特性实验研究，功能性较强；实验装置拆装方便，具有快速启动、费用低等特点，具有较好的教学实验实用性。

（2）实验系统包含了海上FLNG装置中混合制冷剂传热特性研究、海上浮式氢气液化装置中复杂混合制冷剂传热特性研究、混合制冷剂组分测定研究、FLNG 装置中主低温换热器流动特性可视化研究、FSRU装置中气化器流动特性可视化研究、FSRU 中间介质气化器海上适应性强化研究多个功能模块等内容，可帮助学生全面理解海上LNG及相关产业链关键设备装置的流动与换热特性；实验内容符合我校油气储运工程专业学生培养方案和液化天然气利用技术专业课程教学大纲的相关要求，并对其进行了拓展和深化。

（3）通过将科研探索与课程实验教学相结合，引导学生发现研究创新点，培养学生的创新能力与独立思考，解决实际问题的能力，从流动与传热机理入手提高海上LNG产业链中关键设备的海上适应性，激发学生对科研探索的兴趣并了解科研探索的方法。