LNG中間介質(zhì)氣化器換熱面積設(shè)計方法研究-天然氣與石油

1、最新LNG中間介質(zhì)氣化器換熱面積設(shè)計方法研究-天然氣與石油大型LNG中間介質(zhì)氣化器換熱面積計算方法白宇恒基金工程：中國石油集團(tuán)公司重大科技專項編號：2022E-1901 作者簡介：白宇恒1984-，男，內(nèi)蒙古包頭人，助理工程師，碩士，主要從事LNG液化及氣化相關(guān)工程設(shè)計工作。1 廖勇1 陸永康1 劉家洪1 屈治國21中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 6100412西安交通大學(xué)，熱流科學(xué)與工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710049摘 要：隨著LNG產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)外的飛速開展，對LNG產(chǎn)業(yè)鏈中關(guān)鍵設(shè)備的研究越來越重要，LNG氣化器是LNG接受終端的關(guān)鍵設(shè)備之一。文中提出了一種

2、新型大型LNG中間介質(zhì)氣化器Intermediate Fluid Vaporizer, IFV換熱面積的計算方法，利用一維數(shù)值模擬，對以海水為熱源，丙烷為中間介質(zhì)的中間介質(zhì)氣化器的三個關(guān)鍵局部：蒸發(fā)器、凝結(jié)器和調(diào)溫器，分別建立了一維數(shù)值模擬模型，對中間介質(zhì)氣化器的換熱面積進(jìn)行了計算。利用該模型，可根據(jù)給定的運行工況分別求得IFV三個換熱器的換熱面積。同時可得到工質(zhì)在IFV內(nèi)的狀態(tài)參數(shù)及換熱器各局部的傳熱系數(shù)的分布。利用該計算方法得到的氣化器換熱面積，足以滿足工程設(shè)計的精度要求。關(guān)鍵詞：LNG，IFV氣化器，換熱面積，設(shè)計方法DOI：Calculation Method for heat tra

3、nsfer area of Large Intermediate Fluid Vaporizer for LNGYuheng Bai1, Liao Yong1, Lu Yongkang1, Liu Jiahong1, Qu Zhiguo 21China Petroleum Engineering Co.,Ltd. Southwest Company, Chendu, Sichuan, 610017, China2MOE Key Laboratory of Thermal and Fluid Science of MOE, Energy and Power Engineering School,

4、 Xian Jiaotong University, Xian 710049, ChinaAbstract With the rapid development of LNG industry around the world, the study on key equipments in LNG industry chain becomes particularly important. LNG vaporizer is one of key equipments in LNG receiving terminal. In this paper, an Intermediate Fluid

5、Vaporizer (IFV) used to evaporate LNG was investigated. The seawater is applied as heat source, and the propane is used as intermediate working fluid. One-dimensional heat transfer model is established for the evaporator, condenser and thermolator. Based on the model, the heat transfer area of every

6、 exchanger in the IFV could be calculated. In additionally, the state parameters distribution of fluids in IFV and the heat transfer coefficients of every part of exchangers are also obtained. The results, calculated using the method in this paper, are accurate enough to satisfy the engineering desi

7、gn requirements.Key words: LNG, Evaporator, Heat transfer area, Method for Designing 0前言隨著國內(nèi)外LNG產(chǎn)業(yè)的快速開展1，各國大興LNG接收站建設(shè)2。LNG中間介質(zhì)氣化器Intermediate Fluid Vaporizer, IFV是一種具有廣泛應(yīng)用潛力的氣化LNG設(shè)備，因其結(jié)構(gòu)特性，使得IFV比空氣式氣化器更高效，比浸沒燃燒式氣化器更節(jié)能，比開架式氣化器適應(yīng)性更強(qiáng)3-6。但是IFV的設(shè)計制造面臨許多技術(shù)難題：一是其制造材料必須能耐低溫、承高壓、耐腐蝕、耐磨損；二是換熱器的結(jié)構(gòu)既要保證平安高效的運行，又

8、要方便維護(hù)檢修7；三是要理論結(jié)合實踐正確選取對換熱器的換熱效率有極大影響的中間介質(zhì)；四是換熱器內(nèi)流動換熱根底理論的研究，換熱器內(nèi)流動換熱理論是換熱器設(shè)計的根本依據(jù)，是優(yōu)化換熱器設(shè)計的根底8。針對以上問題，國內(nèi)外學(xué)者對中間介質(zhì)氣化器的材料8、結(jié)構(gòu)9-10及中間介質(zhì)的選取上進(jìn)行了相關(guān)的研究。但是還沒有關(guān)于內(nèi)部流動換熱及換熱器設(shè)計的研究。本文建立了中間介質(zhì)換熱器的一維數(shù)值模擬方法，以海水為熱源，丙烷為中間介質(zhì)，在此根底上給定工況，以流動換熱理論為根底，對換熱器的換熱面積進(jìn)行了設(shè)計計算。1 物理模型圖1給出了IFV的結(jié)構(gòu)原理圖，結(jié)構(gòu)上IFV主要有蒸發(fā)器、凝結(jié)器和調(diào)溫器三個換熱器組成。熱源高溫海水首先進(jìn)

9、入調(diào)溫器，溫度為TWA1，在調(diào)溫器換熱管內(nèi)流動放熱，出口溫度為TWA2，然后再進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器的換熱管內(nèi)流動進(jìn)一步放出熱量，最后排出IFV，溫度降為TWA3；低溫LNG首先進(jìn)入凝結(jié)器，溫度為TLNG1，在凝結(jié)器換熱管內(nèi)流動吸熱并氣化，出口溫度升高至TLNG2，然后進(jìn)入調(diào)溫器沖刷海水管束吸熱，溫度進(jìn)一步升高至設(shè)計溫度TLNG3；丙烷在蒸發(fā)器中吸熱氣化，在凝結(jié)器中放熱液化，如此反復(fù)循環(huán)傳遞熱量，其飽和溫度恒為TPR。圖1 IFV結(jié)構(gòu)示意圖2 數(shù)學(xué)模型IFV中蒸發(fā)器、凝結(jié)器和調(diào)溫器均為管殼式換熱器，流過3個換熱器的工質(zhì)既有不同又有聯(lián)系，故進(jìn)出各換熱器的工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)相互影響。本文將3個換熱器別離

10、開來獨立建立一維模型，但是在對單個換熱器進(jìn)行計算模擬時，以整個IFV系統(tǒng)能量守恒關(guān)系作為先決條件，最終得到的計算結(jié)果不但滿足單個換熱器的能量守恒，也滿足整個系統(tǒng)的能量守恒。在每個換熱器中，分別建立如下的方程組，對每個換熱器進(jìn)行獨立求解： (1) (2) (3)在對每個換熱器進(jìn)行獨立計算時，計算結(jié)果還需要滿足以下總能量守恒式：(4)(5)(6)以上各式中：和分別表示用能量方程和傳熱方程求得的換熱量，kJ/h，對某一換熱器進(jìn)行求解時表示該換熱器中工質(zhì)間的換熱量；表示工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/h，當(dāng)對蒸發(fā)器求解時表示海水的質(zhì)量流量，對凝結(jié)器和調(diào)溫器求解時表示LNG的質(zhì)量流量；表示某溫度下工質(zhì)的焓值，kJ

11、/kg，對蒸發(fā)器求解時表示海水對應(yīng)溫度下的焓值，對凝結(jié)器和調(diào)溫器求解時表示LNG對應(yīng)溫度下的焓值；下標(biāo)i表示對各換熱器求解時離散的份數(shù)，蒸發(fā)器和調(diào)溫器i為211，凝結(jié)器為251；WA表示海水，PR表示丙烷。2.4 邊界條件根據(jù)工程的設(shè)計思路，LNG進(jìn)入IFV的溫度TLNG1、流量qmLNG是的，天然氣排出系統(tǒng)的溫度TLNG3要滿足用戶的要求；LNG在在IFV內(nèi)流動壓損相對較小，本文假設(shè)LNG在恒壓pLNG下流動換熱；海水的入口溫度TWA1由當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件決定，其排出溫度TWA3不能太低，要滿足環(huán)保指標(biāo)的要求，故也設(shè)為定值，另海水壓力pWA的變化對海水物性的影響很小，將其設(shè)為恒定值；丙烷的溫度T

12、PR不能太高，否那么會對其盛裝殼體的耐壓性提出較高的要求，增加IFV的一次性制造本錢。海水的流量較大，整個計算的收斂特性對Twa2的變化非常敏感，假設(shè)Twa2為未知量，在計算之初要為Twa2賦初始值，該假設(shè)值必須與真值相差很小才能使整個計算過程順利收斂，否那么很容易導(dǎo)致計算結(jié)果的發(fā)散，故將海水排出調(diào)溫器的溫度Twa2設(shè)為量。各參數(shù)及其設(shè)定值見表1。表1 參數(shù)值參數(shù)TWA1TWA2TWA3TLNG1TLNG3qmLNGTPRpLNGpWA/K/K/K/K/K/(kgs-1)/K/MPa/MPa設(shè)定值283.15282.15278.15111.15275.1590272.1512.00.4另外換熱

13、管徑的選取要符合相關(guān)規(guī)定，以方便采購，換熱管亦不宜太長，否那么增大IFV的占地面積，可通過調(diào)整換熱管的數(shù)量滿足所需換熱面積；調(diào)溫器中天然氣橫掠管束的流道較為復(fù)雜，本文將其簡化為等面積的流道。換熱器的根本幾何參數(shù)值見表2。表2 換熱器根本幾何參數(shù)值幾何參數(shù)設(shè)定值幾何參數(shù)設(shè)定值蒸發(fā)器中換熱管長度/m8換熱管外徑/m0.02凝結(jié)器中換熱管長度/m16換熱管內(nèi)徑/m0.016調(diào)溫器中換熱管長度/m5.8低溫天然氣橫掠管束面積/m20.42.5 物性和換熱關(guān)聯(lián)式IFV內(nèi)的3種工質(zhì)：海水、LNG或天然氣、丙烷。其中海水和LNG或天然氣假設(shè)為定壓狀態(tài)，但是二者的溫度隨著計算的進(jìn)行及分布位置的不同而不同，丙烷

14、的飽和壓力和飽和溫度在計算過程中不斷變化以尋求平衡狀態(tài)，3種工質(zhì)的物性都會隨著各自溫度的變化而變化，尤其是LNG，其物性隨溫度變化很大。提取REFPROP中計算甲烷和丙烷的物性子程序，經(jīng)二次開發(fā)，嵌套到自主開發(fā)的主程序中用于計算LNG或天然氣和丙烷的物性，而海水那么采用PROPATH中計算水的物性的子程序。換熱關(guān)聯(lián)式是換熱器計算的重要參數(shù)，經(jīng)過對現(xiàn)有文獻(xiàn)的調(diào)研，分別采用表3中所列的流動換熱關(guān)聯(lián)式，用于計算換熱器中各局部的外表傳熱系數(shù)，不考慮污垢熱阻的影響。表3 流動換熱關(guān)聯(lián)式換熱器換熱區(qū)域換熱關(guān)聯(lián)式參考文獻(xiàn)蒸發(fā)器管內(nèi)12管外12凝結(jié)器管內(nèi)13管外14調(diào)溫器管內(nèi)12管外123 計算步驟a) 海水

15、的溫度TWA1、TWA2、TWA3，LNG的溫度TLNG1、TLNG3和流量qmLNG，根據(jù)IFV整個系統(tǒng)的能量守恒關(guān)系可求得海水的流量qmWA，再根據(jù)調(diào)溫器中海水和LNG能量守恒的關(guān)系求得LNG的溫度TLNG2；b) 為調(diào)溫器的換熱面積賦初始值A(chǔ)THERM，假設(shè)海水在調(diào)溫器中的溫度均勻為(TWA2+TWA3)/2，根據(jù)LNG溫度將LNG在調(diào)溫器中的流程均分為10段，對于整個換熱段，各點的溫度值均；c) 利用傳熱方程和能量方程的平衡關(guān)系求解前9段的換熱面積，用初始總面積減去前9段的換熱面積，獲得第10段的換熱面積；d) 利用傳熱方程和熱平衡方程對第10段熱平衡關(guān)系進(jìn)行判斷，假設(shè)不滿足，那么更新

16、調(diào)溫器的換熱面積并返回3c)重新計算；e) 為蒸發(fā)器的換熱面積賦初始值A(chǔ)EVAP，丙烷的飽和溫度為TPR，根據(jù)海水溫度將蒸發(fā)器的換熱管均分為10段，對于整個換熱段各點的溫度均；f) 同調(diào)溫器換熱面積的計算，利用傳熱方程和能量方程的平衡關(guān)系循環(huán)迭代求解蒸發(fā)器的換熱面積；g) 為凝結(jié)器的換熱面積賦初始值，丙烷的飽和溫度為TPR，根據(jù)LNG溫度將凝結(jié)器的換熱管均分為50段，對于整個換熱段各點的溫度均；h) 同調(diào)溫器換熱面積的計算，利用傳熱方程和能量方程的平衡關(guān)系循環(huán)迭代求解蒸發(fā)器的換熱面積。4 計算結(jié)果4.1 工質(zhì)溫度分布圖2給出了海水、丙烷和LNG的溫度TWA、TPR和TLNG在蒸發(fā)器和凝結(jié)器中的

17、沿程變化曲線。圖中橫坐標(biāo)為無量綱的位置，對于海水的溫度，對應(yīng)圖1中從左到右蒸發(fā)器換熱管的沿程位置；對于LNG為從凝結(jié)器入口到出口換熱管的沿程位置；丙烷在殼體中的溫度均勻恒定，故為一條直線。由圖2可見，海水在蒸發(fā)器中從右到左溫度逐漸降低，由于設(shè)計要求，海水的整體溫降很小，導(dǎo)致海水的流量很大，同樣海水溫度在蒸發(fā)器中降幅也很??；丙烷的飽和溫度為設(shè)定值，根本接近海水在蒸發(fā)器中的溫度，丙烷飽和溫度設(shè)置較高，有利于IFV運行的平安并可減少一次性制造本錢；LNG的溫度從左到右逐漸升高，在入口段溫升斜率較大，這是由于在入口段換熱管內(nèi)外溫差較大，熱流也相應(yīng)較高，之后隨著換熱溫差逐漸減小，LNG的溫升斜率逐漸減小

18、。圖2 蒸發(fā)器和凝結(jié)器中工質(zhì)溫度的分布圖3給出了海水和低溫天然氣在調(diào)溫器中的溫度分布。橫坐標(biāo)為無量綱位置，對于海水的溫度，對應(yīng)圖1中從左到右調(diào)溫器換熱管的沿程位置；對于天然氣的溫度為從入口到出口流道的沿程位置。同圖2，從右到左海水的溫降很小，所以在調(diào)溫器換熱面積的計算過程中將海水進(jìn)出調(diào)溫器的溫度的幾何平均值作為定性溫度，對計算結(jié)果影響很??；低溫天然氣的溫度從左到右逐漸升高，由于入口段換熱管內(nèi)外溫差較大，相應(yīng)熱流也較大，隨著天然氣溫度的升高，其溫升斜率逐漸減小。圖3 調(diào)溫器中工質(zhì)溫度分布4.2 傳熱系數(shù)分布圖4給出了蒸發(fā)器、凝結(jié)器和調(diào)溫器的傳熱系數(shù)的分布。橫坐標(biāo)為無量綱位置，對蒸發(fā)器和凝結(jié)器為從

19、左到右沿?fù)Q熱管的沿程位置；對于調(diào)溫器為沿天然氣流道的位置。圖4為蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)、凝結(jié)器的傳熱系數(shù)和調(diào)溫器的傳熱系數(shù)的沿程分布。由圖4可見，蒸發(fā)器的換熱效率最高，調(diào)溫器和凝結(jié)器較低，對二者適當(dāng)采取強(qiáng)化換熱措施，將使IFV的換熱效率整體提升。蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)從左到右逐漸增大，主要是因為從右到左，海水的溫度逐漸降低，導(dǎo)致管內(nèi)外傳熱系數(shù)也相應(yīng)降低，與蒸發(fā)器中換熱管內(nèi)外的流動傳熱關(guān)聯(lián)式隨溫度的變化規(guī)律相符，蒸發(fā)器的傳熱曲線漸近線性，增幅約為1000 ；凝結(jié)器的傳熱系數(shù)從左到右逐漸增大，原因是LNG的溫度逐漸升高，導(dǎo)致?lián)Q熱管外表的溫度增大，由凝結(jié)器換熱管內(nèi)外的流動傳熱關(guān)聯(lián)式可知，管內(nèi)外傳熱系數(shù)均增大，那

20、么凝結(jié)器的傳熱系數(shù)也必然增大；調(diào)溫器的傳熱系數(shù)從右到左逐漸降低，在入口段降低斜率較大，之后趨于平緩，主要原因是隨著天然氣溫度的升高，超過臨界溫度后，天然氣的等壓熱容隨溫度的升高而降低，故調(diào)溫器傳熱系數(shù)主要受天然氣等壓熱容隨溫度變化的影響，呈現(xiàn)如圖4的變化規(guī)律。圖4 傳熱系數(shù)的分布4.3 換熱面積表4給出了在本文設(shè)計條件下蒸發(fā)器、凝結(jié)器和調(diào)溫器的換熱面積和各換熱器內(nèi)換熱管的數(shù)量。其中蒸發(fā)器所需的換熱面積最大，其次為凝結(jié)器，調(diào)溫器的換熱面積最小。但是由于各換熱器中換熱管的長度不同，蒸發(fā)器所需的換熱管數(shù)量最多，而調(diào)溫器中的換熱管數(shù)量約為凝結(jié)器中的2倍，但是凝結(jié)器中換熱管的長度是調(diào)溫器中的4倍，所以凝

21、結(jié)器的換熱面積應(yīng)約為調(diào)溫器的2倍，與表4中數(shù)據(jù)相符。表4 換熱面積和換熱管數(shù)量換熱器換熱面積/m2換熱管數(shù)量/根蒸發(fā)器13793431凝結(jié)器674839調(diào)溫器35417665 結(jié)論本文提出了一種設(shè)計IFV換熱面積的一維計算方法，對特定設(shè)計條件下IFV的換熱面積進(jìn)行了模擬計算。利用該計算方法可根據(jù)實際工況條件，分別計算出IFV內(nèi)蒸發(fā)器、凝結(jié)器和調(diào)溫器的換熱面積或換熱管數(shù)量；同時還可給出海水、LNG沿流程的溫度分布，是設(shè)計過程中熱應(yīng)力分析的重要輸入?yún)?shù)；利用該計算方法還可求得各換熱器的局部傳熱系數(shù)，可根據(jù)計算結(jié)果對換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行改良，以增強(qiáng)換熱器的整體換熱效率。參考文獻(xiàn)：錢伯章，朱建芳世界液

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