大型LNG冷箱流体均配技术研究

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。一ＪｌｆＩ对自山截面，即有效自ＩＩＩ流动面积与流体迎面面积之比，Ｊ＝芒土其中ｎ，为某种瀛
ｂｈ
ｎ
体的通道致．ｎ为总的通道教： ｋ一为收缩系数，与。和耻有关，可查表求出［１Ｉ】。 由压荠计算公式．结台流动计算结果，得到封头进口处及管道内的压降值，进行封又及 管道内动态平衡过程的４１算。 流体均配分析主要针对冷箱管线及换热器封头．如图２所示。图２（ａ）为冷箱外管线 进入到８个冷箱中的布管，其总管管径为１５００ｒａｍ，总长为４（】０００ｍｒｔｌ，支路管径为５５０ｒａｍ， 总长为７３８３ｍｍ。圈２（ｂ）为板翅式换热器封头至芯体的结构建模国．其结构尺寸如表２ 所示。分别对上述模型进行网格划分和边界条件设定，其中阿格采用三雏六面体的非结构同
格，对局部进行加密处理，并对同格独立性进行科算．甜算采用标准的Ｋ－ｅ湍流模型，匝力 与速度耦音采用ＳＩＭＰＬＥ算法。在近蛀处选用标准的肇丽边界处理方法，边界条件采用质最
流量进口和上Ｅ力出口。在求解过程中．当连续性方程、动量方程和体积方程中的变量残差均 选到ｌ旷时认为计算收敛。 ３．计算结果与分析 酊拎箱中管线的流动丹配
为了方便的表述各翅片层出口处的流量波动情况，文中定义了流量偏差园子．每一个翅
片层出ｕ处的流量偏差园子为该翅片层出ｕ处的渡量值减去封头刊各个翘片层的平均流量 值陈以总流量得到的百分数．可以甩公式表示为：
流量偏差因子：塑苎星些旦竺兽荽姜兽二！望！重量堡。１００％。 思孤基１且
图９为翅片层的流量波动情况。在计算时分两种情况．一是来考虑进ｕ处阻力值，此时为流 动剐开始的ｊｊｉｃ量分配．随着流体的流八．进入各个趣片层的流量不均匀．导致丁各个翅片层 的压肆不再一致，因而需要考虑流动的叭力．即另一方面．考虑阻力的情况，报据封头进ｕ 处的阻力计算公式（７），得到各翅片瑶在考虑阻山Ｆ的匪差值，流量在新的压差值ｒ进行重 新升配，直至达到动态平衡。把考虑目ｌ力的计算结果看作流动达到动态平衡时的分配情况，
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图ｌＯ封＊§ｆｌｊｕ＊ｄ相漉《置渡自囝
图ｌＯ所示为各封头出口处两摺流漉量偏差崮予。】“图中可知，两相流的速度分布情况
与单相流的分布趋势一致，流量主要集中在封头进口管处ｔ在封头进口管两侧处相对较少。 圈中最大流量偏差因子为４．３，耜较于在单相瀛的情况下较大，因咐多相流情况下流量分配
邶：拿Ｏ＿０－２）＋靠宰
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（７）
冷箱系统内管线的流动阻力，一般与昔内的流量成正比．其流动阻力可咀表示为管路两 端的静压差△Ｐ。
ＡＰ＝ｋＧ２ｖ
式中：
（８）
Ｇ—硫体的质量流速，ｋ∥ｉｌｌ２ｔ： ｝一阻力系数，管道中一般取Ｉ。
ＡＰ一管道的阻力，Ｐａ
△Ｐｒ－芯体进口处的阻力．Ｐａ；
ｖ—流体在入口处的螭．ｍ沁：
较不均匀。图中偏差因子在封头管进口处右侧较丈．主要由于在此封头的实际放置位置上重
力的方向¨１左至右，睦ｊ而导致了右侧流量较左侧稍大。
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（ａ） ‘ｂ）
目１Ｉ流量ａ多相中与单目巾的被动№较凹（ａ）气相（ｂ）渍ｍ
圉１１为气、液相流量偏差因子在不同气渡比条件下的分布比较情况。由图可知，气相
此时反应出封头至各翅片层的流量分配。由同９可知，在考虑流动阻力时．此结构封头流量 偏差崮子最大值只有Ｏ ２１，流动分配较为均匀， ３．２ ２多相流
以实际工况为两相漉的封史结构为倒来说明两相流的流动分配情况。其边界条件如表３ 所示。山数值讣算结果可得封头各翅片层出口处的总流量值以及各辋在翅片层出ｕ处的流量 值，丹剐对其进行分析．得到各自的流量偏差因子，并对不同气ｉｌ｜（比的两棚漉进行比较。
通过冷箱系统内复杂管线以及挽热器封头在实际工况和真实物性参数Ｆ进行的淹动模
拟和分配特性分析，得到如下二｝三要结论： （１）冷箱内各管道的流量分配为动志平衡过程。流动初始阶段．各个管道的压力致。
但流量并不均匀；在流动进行到一定程度后，流量的不均匀使得各管道的流动阻力改变，瘴 最在新的流动阻力Ｆ进行重新分配，直至达到动态平衡。 （２）气相条件下冷箱内各管道的动态平衡能力较强，满足流量均匀分配的要求：渡栩 条件Ｆ冷箱内各管道的动态平衡能力较弱，应选用在流动韧始时能基本达到均匀分配要求的
冷箱的偏离值相对于气相来说较小，同时出于液ｔ｝丑的粘度较大，离进口远的第ｌ号冷箱流量 反而比平均流量要小如罔５所示．另外．在流动进行到一定程度后，流量大的冷箱压降运新
增大，使得其ＨＩ力增大，从叫导致了流量的重新分配，直至流量分配基本达到平衡。此过程 可以看作为一个自我调整的动态平衡过程。罔４（ｂ）为冷箱组达到动态平衡时气相漉最的 分配情况，其中气相的调节作用较大，满足流量均匀分配的要隶。但对于液相，由于其密度， 社度较大，由公式（８）可知其流量的偏差导致的压降值报小，自我调整能力较弱，考虑淀
布管方案。 （”冷箱中各封头内流量的总体分配较均匀，多相流的波动相对干单相流转丈。 （４）对于多相流，气相在封头和管道中的分配相对渍相较均匀，液相受到气相的扰动
作用，流动惯性降低，流量分布趋向于气相。适当增加气相比例可均化藏相升布． 以上的研究方法可对冷箱中各管线以及封又内的流动分配进行可视化预测与控科．对 于冷箱中各种臂线及封头各种结构尺寸舶比较优化．是下一步的研究重点．
大型冷箱需要更多台换热器串、并联厦更加复杂的管路系统设训¨Ｊ。
实际中，ｍ于冷箱的大型他及管路的复杂性．不均匀；｝配何题显得尤为突出．物流的不 均匀分配使得板翅式换热器严重偏离ｉ殳计工况””ｌ。本文重点研究了多台扳翅式换热器半、 并联同时存在下．复杂管系厦换热器封头内流体的均配特性与预测方法。 ２计算丧壅厦术解 本文针对杭州杭氧脞恬有限公司设计的某套ＬＮＧ冷箱系统进行流体均配分析。冷箱臂
以图２ ｆａ）中的管路为例对冷箱布管方案进行流动分析，其边界条件如表Ｉ所示．
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８，９ｘ１０４ ８．７２×１０－２ ８．９×１０４ ８ ７２×１０—５
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国３片箱中管蛙建度分布矢量巨（ａ）气相伯）液栩
婚。，婚 婚：，婚
的分配较渡相相对均匀，同时气藏比例的不同对气相的分配影响较ｄ、。液相在多相流中．流 最不再主要集中在封头中同处．而是在封头的两徊相对较多．并且随着气相比例的增多渡相 的分布更均匀。这是由于多糯流中气相的流动扰动了液掷的流动惯性，使得液相的分布情况 趋于气相。因此，对于多相流，气楣分布较均匀，而液相分布受多相流的性质影响较大。在 封头处进行多相流的分配时，渣相的分配馈况是关键，同时为了均化镀相分布，可队考虑适 当增加气相的比例。 ４．结论
动阻力时其流量分配情况与流动刚开始基本一致。
同６为多相流情况Ｆ冷箱管线中气相、液相流量分布，其中离进口远的冷箱漉量精丈，
｛日分配到８个冷箱中的气液两相流较均匀，并且气渡辋流量分配一致。在多相流中巾于气鞠
的扰动作用导致了液相的流动惯性大幅度降低，使得渣相的流动分配也达到均匀的要求。总
之在两相流混合的情况Ｆ，气渡相的分柑基本ｔ达到均匀的要求。 ｂ１冷箱内封头的流动分配 ３．２１单相流
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大型ＬＮＧ冷箱流体均配技术研究
唐萍１扬健１郑津洋”张淑丈２郭进兴１
‘浙江走擘化工机械研究所，浙江（３１００２７）
杭州杭氧股份有限公司石化装备工程部，浙江（３１０００４
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赫墨：车立针对★型ＬＮＧ狰箱－Ｉ一矗件均Ｅ进行Ｔ系统研Ｒ＃结构优化设讣．通过数值衷解对结果进行分折
（４）
奠中”是相数，Ｆ是体积力，＃０是混合粘性，定义为
Ｆ，２艺。＾“
吒。是第二相ｋ的漂移速度ｔ定义为 站Ｊ＝吒一吒
（５）
（６）
扳趣式换热罂的流动阻力是指Ａ．Ｄ管的静压与出口管静压的差．通常出＾口管道的摩捧 阻力比芯体部分的阻力小．吲此在计算时可以忽略。 由于在芯体入口处。流体要发生收缩，入口（急剧收缩部）的压力降为：
以扳翅式按热器其中一个封头为倒进行单相流模拟分析。边界条件如衰２。
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目７封头判ｇ体进口
ｔ速瞳分布矢量幽
田９封头各超片层出ｎ娃瀛量被动比较圈‘柬考虑瀛动ｍ力与考虑ｍ动ｍ力）
圉７显示了封又内部整体的速度分布．由图可舢，流体在封央管进口处速度值培大，并 在封头管两侧形成涟锅，进面导致了从封头管阿侧翅片层漉出的流量较少。图８为中心截面 处的速度分布矢赶图。图中更明显的表示出漉量主要集中在封头的中间部位叩进口管的位 置，在进口管两侧处流量较少，虽然进ｕ臀两侧的速度较大．但是由ｆ流体在进口臂两侧形 成的端涡，导致了此妊翅片出口娃流体流动的方向主要向左＃，两蜊，因此进入位于进口管两 侧翅片层的流量减少。
验证，重点研究了多古扳翘媸热矗串、井联时时存女Ｆ．蔓杂臂系厦封头＾城体曲均配特性．研究成果
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对Ｚ烯、煤化工等生产过程中大型降箱新产日的开发“有重要的借浆作用． ＬＮＧ；抟箱；扳翅式巍热§：流体均配
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Ｉ．引言 近年来．随着资源和能源的深度开发，授国的天然气产业已进入快速发展捌．其需求量 增长迅猛，预计２０１０年我围天然气需求将达１ １ ｘ１０“ｍ３．而拄目前国内生产能力估讣．现 所能提供的仅为９ｘ１０”ｍ。．２０１５年我国天然气进口将超过２ｘ１０”ｔ．２０２０年后还会成倍增长 ［Ｉ－２］ｏ为了满足ＬＮＧ储运系统的远距离，大储量要求．ＬＮＧ生产规模的大型化成为发展的 必然趋井。但是．大型化生产在国内仍需要经历个引进、消化和自主发展的过程．与国外 相比还有较大技术差距，丰要在于被化技术和大型低温储罐、冷箱以及相关设备的制造能力 等方面”Ｊ。囚此，增强全流程的工艺控制和大型设备自主研艟与制造能力．是我国ＬＮＧ技