（化工过程机械专业论文）lng沉浸式燃烧型气化器数值模拟.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 近些年来液化天然气( l i q u e f i e dn a t u r a lg a s ，文中简称l n g ) 的价值和作用受到了 社会各界的普遍关注，而与l n g 有关的专用贮存设备和气化设备的研究也己成为学术 界的热点。l n g 浸没式燃烧型气化器( 下文简称s c v 型气化器) 是一种高效换热器，主 要用于调峰系统中。尽管对管壳式等换热器的研究已较为深入，而对s c v 型气化器的 结构及数值模拟方面的研究鲜见报道。与普通换热器相比，s c v 型气化器有很多特殊性， 例如射流气体与水之间的混合与换热、射流气体对水的扰动、换热管的结构与布置、管 内l n g 既要气化又要流动，以及出口处气体含量过低等。为实现其合理设计，需要掌 握气化器内流体流动与传热规律，以及探讨更为合理的结构和操作参数，从而为实现工 程实际应用提供参考依据。 本文对s c v 型气化器的燃烧室，壳程流场，管程的流动与换热分别进行数值模拟， 探讨了提高气化器壳程水浴湍动和管程l n g 气化率等的结构参数和操作参数，在获得 优化结构和操作构参数之后，再对气化器做综合数值模拟。主要的工作与结论如下： 建立了l n g 气化器燃烧室，壳程流场，以及管程流体流动与传热过程的物理和数 值模型，用标准k 一占湍流模型描述流体的湍流流动，用通用有限比率模型处理燃烧室 内的组分燃烧，用离散相模型描述射流气体与水浴的相间耦合，用混合物模型处理多相 流动，用u d f 函数添加源项的方法来摧述l n g 气化的过程。 通过数值模拟方法，得到了s c v 型气化器燃烧室的温度场与流场，并对出口温度， 流速以及燃气组分作了分析，为下级工况的运行提供了操作和设计依据。 通过对气化器壳程流场模拟的结果表明：喷射气体的雷诺数对壳程水浴的流动影响 较大，壳程水浴的平均速度和平均湍动能随着喷射气体雷诺数的增大而增大；同位排列 更有利于管束周围水浴的湍动；管束和壁面等因素对壳程流场有明显影响。 通过对气化器管程数值模拟，得到管内流体的温度场、速度场、压力场以及气相的 分布，描述了管程流体气、液相分布和流动情况，并获得了影响气化率的因素。 气化器综合数值模拟结果表明：壳程和管程的优化参数对气化器换热系数和气化率 的提高有显著的影响。 关键词：燃烧室：壳程；管程；数值模拟 l n g 浸没式燃烧型气化器数值模拟 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f l n gs u b m e r g e d c o m b u s t i o nv a p o r i z e r a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ev a l u eo fl i q u e f i e dn a t u r a lg a sh a sb e e nw i d e s p r e a dc o n c e m e db yt h e s o c i e t y s p e c i a ls t o r a g ea n dg a s i f i c a t i o ne q u i p m e n t s ，w h i c h 锄l n g - r e l a t e de q u i p m e n t s ， h a v ea l s ob e c o m eah o ta c a d e m i c l n gs u b m e r g e d - c o m b u s t i o nv a p o r i z e r ，m a i n l yb e i n gu s e d f o rp e a kl o a ds y s t e m ，i sa 虹1 1 do fh e a te x c h a n g e rw i t l ll l i g ht h e r m a le f f i c i e n c y a l t h o u g ht h e s h e l la n dt u b eh e a te x c h a n g e rh a sb e e nf u r t h e rd i s c u s s e d , t h es t u r c t u r ea n ds i m u l a t i o no fl n g s u b m e r g e d c o m b u s t i o nv a p o r i z e r i sr a r e l yr e p o r t e d l n gs u b m e r g e d - c o m b u s t i o nv a p o r i z e r d i f f e r sf r o mo r d i n a r yh e a tt r a n s f e ri nm a n ya s p e c t s f o re x a m p l e ，t h ep r o c e s so fh e a tt r a n s f e r a n dm i x i n gb e t w e e nt h eg a s - j e ta n dw a t e r , t h ed i s t u r b a n c eo fg a s - j e tt ow a t e r , t h es t r u c t u r e a n da r r a n g e m e n to fh e a te x c h a n g et u b e s ，t h ef l o wa n dg a s i f i c a t i o no fl n gi np i p e s ，a n dt h e l o wr a t eo fg a sa te x i t ，e t e i no r d e rt op r o v i d ear e f e r e n c et oa c h i e v ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ni n e n g i n e e r i n ga n dd e s i g nb e r e r ，t h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rp r o c e s sm u s tb ek n o w na n dm o r e r e a s o n a b l es t r u c t u r e sa n dp a r a m e t e r sm u s tb ed i s c u s s e d i nt h i sp a p e r ，l n g v a p o r i z e r sc o m b u s t i o nc h a m b e r ，s h e l l - s i d e f l o wf i e l d ，a n df l u i df l o w a n dh e a tt r a n s f e rp r o c e s so ft u b ew e r es i m u l a t e d ，n l ep a r a m e t e r so fs t r u c t u r ea n do p e r a t i n g w e r ed i s c u s s e dt oi m p r o v ew a t e rt u r b u l e n c ee f f e c t sa n dt h er a t eo fg a si nt u b e t h e na n i n t e g r a t e ds i m u l a t i o nw a sd o n eu s i n gt h eo p t i m i z i n gp a r a m e t e r s t h ep r i m et a s ka n dt h e c o n c l u s i o na r ea sf o l l o w i n g ： n l e p h y s i c a la n dn u m e r i c a lm o d e l so fal n gv a p o r i z e r sc o m b u s t i o nc h a m b e r ， s h e l l - s i d ef l o wf i e l d ，a sw e l la st h ef l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e rp r o c e s so ft u b e - s i d ew e r e e s t a b l i s h e d t u r b u l e n tf l o ww a sd e s c r i b e dw i t hs t a n d a r dk m o d e l ，t h ec o m b u s t i o no f c o m b u s t i o nc h a m b e rc o m p o n e n t sw a ss i m u l a t e d 丽t l lf i n i t e r a t em o d e l ，t h ec o u p l ec a l c u l a t i o n b e t w e e nt h eg a sp h a s ea n dt h ew a t e rp h a s ew a sc a l c u l a t e d 、i t l ld i s c r e t ep h a s em o d e l ， m u l t i p h a s ef l o ww a sh a n d l e d 晰t l lm i x t u r em o d e l ，a n dt h eu d f f u n c t i o nw a sa d d e dt os o u r c e t e r mt oe x p r e s st h ep r o c e s so fv a p o r i z a t i o n t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o m b u s t i o nc h a m b e r ，f l o wf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，a n d t h ea n a l y s i so ft h eg a sc o m p o n e n t ，w h i c hc o u l dp r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h eo p e r a t i o na n d d e s i g no fn e x tp r o c e s s ，w e r eg o t n l er e s u l t so fn u m e f i c a ls i m u l a t i o no fs h e l l s i d es h o w e dt h a tt h er e y n o l d sn u m b e ro f g a s - j e th a dag r e a ti m p a c to nt h ef l o wo fs h e l l - s i d ew a t e r ；a n dt h es h e l l - s i d ew a t e r sa v e r a g e v e l o c i t ya n dt u r b u l e n c ek i n e t i ce n e r g yi n c r e a s e da l o n g w i t l lt h er e y n o l d sn u m b e r i n c r e a s i n g ； 大连理工大学硕士学位论文 t u b e sa n dn o z z l e sw i t ht h es a m el o c a t i o nw a sm o r ec o n d u c i v et ot h ew a t e r st u r b u l e n c e a r o u n dt u b e s ；t u b e sa n dw a l li n f l u e n c e dt h es h e l l - s i d ef l o wf i e l ds i g n i f i c a n t l y b yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft u b e - s i d e ，t h ed i s t r i b u t i o no f f l o wf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d a n dp r e s s u r ef i e l di nt h et u b ew e r eg o t , a n dt h e yc o u l de x p l a i nt h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e r p r o c e s si nt h et u b e a n dt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c t e dt h er a t eo fg a sw e r eg o t t h r o u g ht h ei n t e g r a t e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fv a p o r i z e r ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e o p t i m i z a t i o no fs h e l la n dt u b e sp a r a m e t e r sh a dag r e a ti m p a c to n t h et h e r m a le f f i c i e n c ya n d t h er a t eo f g a s k e y w o r d s ：c o m b u s t i o nc h a m b e r ；s h e l l s i d e ；t u b e s i d e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：丛生迅堕盏型丝型笙蕉塑丝蕉坚 作者签名：迤! 查!日期：鲨：z 年上月二二日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：垦型鱼主坠壅鳌鳖鳖里墨鱼篓堑堕壅型 作者签名：壹垂i 查 导师签名： 日期：垄望年三月l 日 醐：等年月# 日 大连理工大学硕士学位论文 引言 天然气与煤炭、石油被称为目前世界一次能源的三大支柱。天然气蕴藏量和开采量 都很大，其成分主要是甲烷。由于天然气热值高，燃尽性好并对环境污染少，因此被认 为是洁净能源。近些年，随着世界经济的快速发展，石油危机的冲击以及煤炭石油给环 境带来日益严重的污染问题，作为清洁能源的天然气，越来越多的被人们开发和利用。 最近二十多年，天然气工业发展迅速，在一次能源结构中的比重越来越大。如今， 液化天然气已经成为一门迅猛发展的新兴工业。l n g 技术除了用来解决天然气储存、 运输问题外，还很广泛的应用于天然气的调峰装置上。自2 0 0 5 年深圳市大鹏湾秤头角 地区投产建造我国第一个l n g 接收终端以来，在珠江三角洲、东南沿海等地区陆续兴 建l n g 接收终端，我国的l n g 工业得到迅速发展。在我国一些高等院校，也对l n g 的应用展开了基础研究。上海交通大学在l n g 方面进行了研究工作，例如l n g 工艺流 程研究、新型l n g 流程的热力学研究、l n g 蒸发机理及失稳性研究、l n g 贮存非稳性 研究、l n g 汽车的研究和开发等。 l n g 是1 6 2 的低温流体，因此在实际应用之中，不管是民用还是工业应用，都需 要将l n g 气化并恢复到常温以后才能使用。l n g 气化器是一种专门用于液化天然气气 化的换热器。目前国内自行生产的l n g 专用气化器大都是空温式气化器和电加热水浴 式气化器，而对于l n g 沉浸式燃烧型气化器这种高效率的调峰气化设备的研究很少。 s c v 型气化器的主要特点是利用燃烧器将燃烧后的烟气直接排入水浴中，再通过换热管 交换热量使管内的l n g 气化，燃气的放热量基本相当于l n g 气化所需的热量，由于燃 气与水直接接触，燃气激烈地搅动水，使气化器传热效率非常高。 s c v 型气化器的结构类似于管壳式换热器，但较之又有不同之处：传统管壳式换热 器采用水平换热管并且在壳程设有折流板；而s c v 气化器是采用蛇形盘管而壳程没有 折流板，l n g 从管子下端流入，由壳程的水浴进行加热，流体在管内发生相变，被加 热气化后的气体由上端流出，l n g 整体流动程纵流式。关于传统的折流板管壳式换热 器，国内外学者提出了体积多孔度、表面渗透度、分布阻力和分布热源等概念，在这些 概念基础上不断对计算模型进行改进，并作了很多数值模拟方面的研究工作，这些模型 已经能够较为准确的模拟计算换热器流动和传热过程，且模拟结果能够与实验较好吻 合。通过模拟能较完备的分析影响换热器流动与传热的结构参数和性能参数，并提出了 一些新型换热器结构，例如，近年来一些学者对纵流式换热器这种新型结构的性能进行 了较深入的研究。而目前对s c v 型气化器这种低温液体专用气化器结构的实验与数值 模拟方面的研究还很匮乏。 l n g 浸没式燃烧型气化器数值模拟 本文在前人工作的基础上，运用计算流体力学方法，采用f l u e n t 6 2 软件，对s c v 型气化器的流动换热过程进行了数值模拟。文中第一章为文献综述，简单阐述l n g 接 收端发展状况、介绍几种常用气化器，国内外换热器数值模拟的研究发展状况，以及本 文的主要研究内容。第二章叙述与本文模拟计算有关的数学模型，自定义模型，以及涉 及的模型的理论算法。第三章对用于s c v 气化器水浴加热的燃烧室进行数值模拟，并 得到下级运算的边界条件。第四章对s c v 型气化器壳程流场进行数值模拟，来研究影 响壳程流场变化的因素，从而达到改善管程气化效果及换热效率的目的。第五章对s c v 型气化器管程流动与换热进行数值模拟，对管内流场，温度场以及气相组分等进行分析， 并得到影响l n g 气化率的因素。第六章将运用之前三章得到的优化参数，对s c v 气化 器进行综合数值模拟。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 1文献综述 1 1l n g 接收终端 接收海运l n g 的终端设施称为l n g 接收终端。l n g 是实现天然气远洋贸易的重 要手段，在l n g 输出国要建造液化厂及相应的输出码头，在相应的输入国要建造l n g 接受终端，接收用船从基本负荷型天然气液化工厂运来的l n g ，再将其储存和再气化 后分配给用户【。 1 1 1 l n 6 接受终端工艺流程简介 l n g 接受终端工艺流程如图1 1 所示【2 ，3 1 ，其再气化能力很大，储槽容量也很大。 它主要由专用码头、卸货装置( l n g 卸料臂) 、l n g 输送管道、l n g 储槽、再气化装置 及送气设备、气体计量和压力控制站、蒸发气体回收装置、控制及安全保护系统、维修 保养系统等组成。 图1 1l n g 接收终端工艺流程图 f i g 1 1 f l o wc h a r to fl n gt e r m i n a l s 蒸发气 再冷凝器 l n g 浸没式燃烧型气化器数值模拟 ( 1 ) 卸船装置 l n g 卸船装置是由卸料臂、卸船管线、蒸发气回流臂、l n g 取样器、蒸发气回流 管线及l n g 循环保冷管线组成。当装有l n g 船在停靠码头后，卸料臂将船上与岸上的 卸船管线连接起来，由船上储罐内的潜液泵将l n g 输送到接收终端的储罐内。随着l n g 不断输出，船上储罐内气相压力逐渐下降，为维持其值稳定，需要将岸上储罐内一部分 蒸发气加压后经回流管线及回流臂送至船上储罐内。卸船管线上配有取样器，用于卸船 前取样分析l n g 的组成、密度及热值等。 ( 2 ) 储罐 l n g 低温储罐采用绝热保冷设计。储罐内的l n g 在储存过程中，由于诸如储罐绝 热层、附属管件等的漏热，会使一部分l n g 气化，从而使罐内的压力随之上升。在正 常运行时储罐的日蒸发率为o 0 6 加0 8 。另外卸船时，由于船上储罐内输送泵的运行 散热、卸料臂漏热、船上储罐与终端储罐的压差以及l n g 液体与蒸发气的置换等，蒸 发气量可数倍增加。因此为了最大程度减少卸船时的蒸发气量，应尽量提高此时储罐内 的压力。一般情况下，接受终端至少应有2 个等容积的储罐。 ( 3 ) l n g 再气化外输系统 l n g 再气化外输系统包括l n g 储罐内输送泵( 潜液泵) 、再冷凝器、储罐外高低压 外输泵、开架式水淋蒸发器、浸没燃烧式蒸发器及计量设施等。 储罐内l n g 经罐内输送泵加压后进入再冷凝器，使来自储罐项部的蒸发气液化。 从再冷凝器中流出的l n g 可根据用户不同要求，分别加压至不同压力。例如，本方案 一部分l n g 经高压外输泵加压至7 0m p a 后，进入高压水淋蒸发器蒸发，以供远距离 用户使用，一般在基本负荷下运行时，只需运行水淋蒸发器，但在水淋蒸发器维修时或 在需要增加气量调峰时，作为备用设备的浸没燃烧式蒸发器可并联运行；而另一部分 l n g 经低压外输泵加压至4 0m p a 后，进入低压水淋蒸发器中蒸发，低压水淋蒸发器也 配有浸没燃烧式蒸发器以作备用。 经过再气化后的高、低压天然气( 外输气) 经计量设施的计量后输给不同的用户。为 保证储罐内输送泵、罐外低压和高压外输泵的正常运行，在泵出口处均设有回流管线。 当l n g 输送量发生变化时，可利用回流管线调节流量来保证输送量的要求。在l n g 停 止输出时，也可以利用回流管线的循环，来保证泵处于低温状态。 ( 4 ) 安全保护系统 4 大连理工大学硕士学位论文 当l n g 储罐内超压，蒸发气压缩机不能控制而且压力超过泄放阀设定值时，罐内 多余蒸发气将通过泄放阀释放到火炬中烧掉。当发生诸如翻滚现象等事故时，大量气体 不能及时烧掉，为了及时把蒸发气排放掉，则必须采取放空措施。 为防止l n g 储罐在运行中产生真空，在流程中配有防真空补气系统。有些储罐也 采取安全阀直接连通大气的做法，当储罐产生真空时，大气可直接由阀门进入罐内补气。 1 1 2 世界l n g 接收终端的现状 近三十年来，l n g 由于其在远洋运输、存储及供气调峰方面的优越性，得到迅速 发展。与此同时，l n g 接收端也得到稳步发展。自1 9 5 9 年美国制造世界上第一座l n g 储罐至今，全球已经建成( 包括在建) l n g 接收站有4 0 多个，l n g 储罐达到3 1 0 座，其 中超过1 2 万i n 3 的l n g 储罐超过4 4 ，l n g 接收站的技术相当成熟。 至1 1 2 0 0 0 年截至，全球在运行的有1 1 个国家和地区的共4 0 个接收终端。其中日本有2 5 个。表1 1 列出了各国和地区的接收终端的数量及其l n g 的储存能力和气化能力。| 3 - 6 1 表1 1l n g 接收终端 t a b 1 1l n gt e r m i n a l s 一5 一 l n g 浸没式燃烧型气化器数值模拟 1 1 3 我国l f i g 接收终端的现状 2 0 0 5 年，深圳市大鹏湾秤头角地区投产建造我国第一个l n g 接收终端，工程总体 项目包括l n g 接收站、输气干线项目、配套新建电厂建设、城市网管建设【| 丌。其一期 工程进口l n g 量为3 7 0 x1 0 4t a ，输气量4 0 1 0 8t a ；二期工程进口l n g 量达到5 0 0 x1 0 4t a ，年输气量为8 2 1 0 8t a 。 由中国海洋石油公司与其合作伙伴在福建湄洲湾的l n g 接收终端项目，一期工程 预2 0 0 7 年底完工，到2 0 0 8 年初具备接气条件，2 0 0 9 年就可投入正式运营。该项目总接 收能力为5 0 0 x1 0 4t a ，分两期进行，其中一期规模为2 6 0 x1 0 4t a ，包括接收终端及输 气干线、3 个燃气电厂和福州、莆田、泉州、厦门、漳州5 个城市燃气项目。 浙江省成为我国第3 个引进l n g 项目的地区，浙江l n g 项目由l n g 接收终端、 输气干线、配套l n g 电厂三部分组成，一期工程设计能力为3 0 0 x1 0 4 t a 。 大连l n g 项目由码头、接收站和输气管道三部分组成，接收站一期工程建设规模 为3 0 0 x1 0 4t a ，计划2 0 11 年年初建成投产。二期工程建设规模为5 0 0 x1 0 4t a 。建成 后，接收站最大接收能力可达8 2 1 0 4t a 。此外，汕头，温州，青岛等l n g 项目都在 建设中。 1 2l n g 气化器 液化天然气是1 6 2 的低温流体，因此在实际应用之中，不管是民用还是工业应用， 总是将液化天然气气化并恢复到常温以后才能使用。l n g 气化器是一种专门用于液化 天然气气化的换热器【8 。1 0 1 。而低温的液态天然气在气化过程中，需要提供给相应的热量 使l n g 气化。通常热量来源可以从水和空气中获得，也可以通过燃烧燃料或者蒸气来 加热l n g 。 1 2 1l n g 气化器分类 气化器作为天然气供应流程中的重要设备，由于加热方式不同，气化器的结构形式 也不一样。 ( 1 ) 按气化器使用率分类 基本负荷型系统使用的气化器。对于基本负荷型系统使用的气化器，使用效率 高( 通常在8 0 以上) ，气化量大。首先考虑的应该是设备的运行成本，最好是利用廉 价的低品位热源，如从环境空气或水中获取热量，以降低运行费用。以空气或水做热源 的气化器，结构最简单，几乎没有运转部件，运行和维护的费用很低，比较适合于基本 负荷型的系统。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 调峰型系统使用的气化器。对于调峰型系统使用的气化器，是为了补充用气高 峰时供气不足的装置，其工作特点是使用率低，工作时间是随机性的。优点：应用于调 峰系统的气化器，要求启动速度快，气化速率高，维护简单，可靠性高，具有紧急启动 的功能。由于使用率相对较低，因此要求设备初始投资尽可能低，而对运行费用则不大 苛求。 ( 2 ) 按热源类型的分类 环境气化器。以自然环境的热源作为气化的热量( 如大气，海水，地热水) 。如果 实际气化器与自然热源是分开的并使用了可控制的传热介质，那么这种气化器是远程加 热型的，应符合加热气化器的规定。 工艺气化器。气化的热量来源于其他的热动力过程或化学过程，或有效利用液 化天然气的制冷过程。在各种l n g 冷能利用的综合流程实际应用中( 如发电、化工、空 分等流程中) ，可以将需要放热的过程与l n g 的吸热气化过程结合起来，这样既节省用 于l n g 气化的能量，同时又使各工艺过程的能量利用效率得到提高。 加热型气化器。气化装置的热量来源于燃料燃烧、电力、锅炉或内燃机废热。 加热气化器有远程加热和整体加热两种类型的气化器。远程加热气化器中的主要热源与 实际气化交换器分开，并采用某种流体作为中间传热介质，由中间介质与l n g 换热， 使l n g 气化。而整体加热气化器采用热源整体加热法使低温液体气化，最典型的是浸 没式燃烧气化器。 1 2 2 常见气化器的介绍 l n g 气化器的常见形式有空温式气化器，水加热型气化器，带有中间传热介质气 化器和燃烧加热型气化器。下面对这几种类型气化器的特点以及工作原理进行简单的介 绍1 1 1 6 1 。 ( 1 ) 空温式气化器 空温式气化器是利用液化石油气( l p g ) 、液化天然气( l n g ) 等燃气减压气化的特性， 实现气体气化的新型高效环保节能气化装置。空温式气化器是依靠自身显热和吸收外界 大气环境热量来实现气化功能的，其结构简单，运行费用低。由于空气加热的能量比较 小，因此仅适用于气化量较小的系统。其缺点是在l n g 工业中应用受到受环境条件影 响较大，如温度和湿度影响。空温式气化器的核心部分是换热装置，它能使气化器在尽 可能小的空间内从大气中获取最大的热能。目前国内厂家生产的空温式气化器的换热装 置多采用防锈铝合金翅片管。空温式气化器导热管是将散热片和管材挤压成型的，导热 管的横截面为星形翅片，其结构形式如图1 2 所示。 一7 一 喘板管 n g 舟 l n 6 蒸发部加热部 图12 星形翅片空温式气化器 f i g 12a o n o s p h e r e h e a t v a p o r i z a l i o n ( 2 ) 带有中间传热介质气化器 带有中间传热介质气化器的结构示意图如图1 3 所示。其采用中间传热流体的方法 可以改善结冰带来的影响，通常采用丙烷、异丁烷、氟利昂、氨等介质作为传热流体。 这种气化器在实际使用中传热过程可分为两级。第一级由l n g 和中间传热流体进行换热， 第二级由中间传热流体和热源流体进行换热。这种类型的气化器占地面积小，能够得到 稳定的气化量，此外，海水和l n g 也没有结冰的危险，其最大的优点是适用于能量的 综合利用，即热电联产。这种气化器已经广泛应用在基本负荷型的l n g 气化系统，最大 天然气流量达1 5 0 t h 。 图1 3 带有中间传热介质气化器 f i g 1 3 t f i - e x v a p o r i z a t i o n 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 水加热型气化器 开架式气化器( o p e nr a c kv a p o r i z e r ，简称o r v ) 开架式气化器是以海水为热源，具有设计简单，操作和维护都很方便的特点。适合 于基本负荷型的l n g 终端站的运行，最大天然气流量为1 8 0t h ，可在o 1 0 0 的负荷 范围内安全运行，而且可以根据需求的变化遥控调整气化量。 开架式气化器结构图如图1 4 所示。这种类型气化器一般采用铝合金支架固定安装。 气化器的基本单元是传热管，有若干传热管组成板状排列，两端与集气管或集液管焊接 形成一个管板，再由若干个管板组成气化器。l n g 从下部总管进入，在管束板内由下 向上垂直流动，海水将热量传递给液化天然气，使其加热并气化；气化器顶部有海水喷淋 装置，海水从管束板外自上而下喷淋，从上部进入后经分布器分配，成薄膜状均匀沿管 束下降，使管内l n g 受热气化。 查垫 海水出口 图1 4 开架式气化器 f i g 1 4 o r vv a p o r i z a t i o n 超级开架式气化器( 简称s u p e r o r v ) s u p e r o r v 是由o s a k ag a s 和k o b e ls t e e l 联合开发研制的新一代超级开架式气化器。 传统的o r v 运行时在板型管束的下部尤其是集液管外表面都会结冰( 如图2 所示) ，尽管 水膜下降时具有较高的换热系数，但是由于冰层的导热系数大约是铝合金管材导热系数 的1 4 0 ，因此也会使气化器的传热性能下降。为了改善管外结冰的问题，s u p e r o r v 采 用双层结构的传热管，l n g 从底部的分配器先进入内管，然后进入内外管之间的环状间 隙，s u p e r o r v 的传热管结构形式如图1 5 所示。间隙内的l n g 直接被海水加热并立 即气化，然而在内管内流动的l n g 是通过夹套中已经气化的l n g 蒸气来加热，气化是 一9 一 l n g 浸没式燃烧型气化器数值模拟 逐渐进行。间隙虽然不大，但能提高传热管的外表面温度，因而能抑制传热管的外表结 冰，保持所有的传热面积都是有效的，因此提高了海水和l n g 之间的传热效率。尽管 传统o r v 水膜在沿管板下落的过程中具有很高的传热系数，可达到5 8 0 ( y j r ( m 2 硒，但 在传热管内侧，l n g 蒸发时的传热系数相对较低。而s u p e r o r v 对传热管进行了强化设 计，其传热管分成气化区和加热区，采用管内肋片来增加换热面积和改变流道的形状， 增加流体在流动过程的扰动，达到增强换热的目的。s u p e r o r v 与传统的o r v ( k o b e l s t e e l 制造) 相比，其单根换热管的蒸发能力提高3 倍左右，海水量减少1 5 ，建造成本 减少1 0 ，安装所需空间减少4 0 。 图1 5 s u p e r o r v 的传热管结构 f i g 1 5 t h es t r u c t u r eo fh e a tp i p eo fs u p e r o r v ( 4 ) 燃烧加热型气化器 在燃烧加热型气化器中，s c v 气化器是使用最多的一种。这种形式的气化器具有热 量输送量大、占地面积适中等特点，气化器容量通常在1 0 0 g j h 以上，开停车迅速方便， 但因消耗天然气而使运行成本较高，一般不作为基本负荷型气化器，主要用于调峰型装 置和紧急使用的情况。这种气化器的热效率可达9 5 以上，且安全可靠。 其工作原理如图1 6 所示。s c v 气化器包括换热管、水浴、s c v 燃烧器、燃烧室和鼓 风机等。天然气管束置于水浴液位以下，一个或几个燃烧器将燃烧后的烟气直接排入水 浴中，引起水浴的剧烈扰动，燃气的放热量基本相当于l n g 气化所需的热量，水浴的温 碡一信监 大连理工大学硕士学位论文 度保持不变。由于燃气与水直接接触，燃气激烈地搅动水，使传热效率非常高。运用气 体提升的原理，可以在传热管外部获得激烈的循环水流，管外的传热系数可以达到 5 8 0 0 8 0 0 0 w ( m 2 k ) 。如果采用这种气化器作为基本负荷型气化器，建议采用一个大的 燃烧器代替多个小的燃烧器，这样可使运行更经济，同时减少废气中n o x ，c o 的排放 量。 空 1 3 气化器设计计算 图1 6s c v 型气化器 f i g 1 6 s c vv a p o r i z a t i o n 1 3 1 气化器传热面积的计算 气化器的传热面积【1 7 1 8 1 按下式计算： 彳：旦 ( 1 1 ) k a t 式中，a 为气化器的换热面积( ) ：w 为气化器的气化能力( k g s ) ；q 为气化单位质 量液化天然气所需的热量( m k g ) ，q = h 2 - h l ；h i 为进入气化器时液化天然气的比焓 ( i d l k g ) ；h 2 为离开气化器时气态天然气的比焓( ；k 为气化器的传热系数 【k w ( m 2 k ) 】；a t 为加热介质与液化天然气的平均温差。 l n g 浸没式燃烧型气化器数值模拟 1 3 2 气化器表面传热系数的计算 对于不同形式的气化器，由于加热介质及介质的流动方式有所区别，需要按各自相 应的对流传热方式计算各种气化器的总表面传热系数1 1 9 五2 1 。 ( 1 ) l n g 在管内被加热的过程 l n g 在管内被加热的过程有三个阶段：过冷液体阶段、相变阶段、过热气体阶段。 整个过程可视为定压加热。 过冷阶段。过冷的l n g 液体被加热至饱和液体，只有温度发生改变，没有相变过 程。此过程中l n g 的物性参数可以取一定温度下的值，管内流体的表面传热系数按无相 变圆形直管强制对流传热计算。 相变阶段。l n g 由饱和液体逐渐蒸发成饱和气体，温度恒定不变，只发生相变。 管内流体的表面传热系数按液体在管内沸腾传热计算。 过热阶段。已经饱和的天然气被继续加热至所需温度( 一般在0 以上) ，在这 过程中温度发生变化。管内流体的表面传热系数按无相变圆形直管强制对流传热计算。 ( 2 ) 气化器传热系数的计算方式 无相变圆直管内湍流流动表面传热系数 当流体满足r e 1 0 4 ，0 6 只 5 0 ，流体粘度 r 2 1 0 一p a s 时，呈湍流流动，其表面传热系数为 删尬氧材8 蝌 亿2 ， 流体被加热时：n = o 4 ，流体被冷却时：n = o 3 。 两相流管内表面传热系数 液化天然气饱和液体在管内沸腾，形成气相和液相的两相流动。液化天然气在管内 沸腾时，两相在管内不同的区域会产生不同样式的流动，从传热的特点进行分类，分为 四重典型样式：气泡流；块状流；环状流；喷雾流。 用两个参数来判别两相流的流动样式。一个参数是管内气液两相的质量流率： g 。：毕 ( 1 3 ) ” 4 ， 另一个参数是由气液相的物性所组成的一个无因次数以，m a r t i n e l l i 数： 大连理工大学硕士学位论文 以= 时9 例一例一 m4 ， 根据参数g 。和l ，可由流动样式判别图判别流动样式，如图1 7 所示。 2 0 5 ： b 备 醒 蠲 餐 0；i 1 i i ； 。之丈蟓 1 、 、瀚 n u f 一卅一 一外状拉争 t 一l i v n 、f 、w= u ：0 i j 丰 j 咴髯瓦卜卜 一十净 72 i 卜 l ? l ir 譬j v k 、 、i ：o ix y 0 瓣嚣 l 、j 、 刍f ： j i ； k 献一 一j l 中 j 汽泡。钮 口= i o r 一一l i ，70 1 、 t 图1 7 气一液两相流流动样式判别图 f i g 1 7 f l o wm o d ee s t i m a t i o no fg a s - l i q u i df l o w 两相流动沸腾放热的机理是泡态沸腾和两相受迫流动放热的组合，将两相流动的放 热用下式表示： 口= a + 善嘶 ( 1 5 ) 式中：口管内两相流动传热系数【w ( m 2 k ) 】； 泡态沸腾传热系数【wl ( m 2 k ) 】，由大空间中的泡态沸腾公式计算； 口泡态沸腾修正系数，对气泡流a = l ；对块状流o a 1 0 9 时，c 取 o 1 3 ，刀取1 3 ，特征尺寸为管长，。 通过气化器换热计算，确定出满足所需气化能力的气化器基本结构尺寸。包括换热 管径( 对于肋片管还应确定肋片的尺寸) 、管长、管根数、管间距、加热介质流量、流 速等。 大连理工大学硕士学位论文 1 4 管壳式换热器数值模拟的发展现状 1 4 1管壳式换热器试验与数值模拟方法简介 试验的方法是换热器研究的传统方法。它是在相似理论的基础上，通过制作实验体 来进行换热器流动与传热特性研究：通过测量试验数据，并对数据进行处理，然后回归 出换热器的传热与流动阻力的关联公式 2 3 j ，应用于换热器的工程设计中。试验的方法具 有直接、真实、可靠的特点。但是实验研究的可重复性较差，试验平台为了达到能和实 际使用情况相接近的效果，并且能够使整个系统稳定运行，需要消耗大量的人力物力， 整体试验费用比较高，并且试验周期较长。如今换热器应用工况日益多样化而且自身结 构不断复杂化，传统的试验手段和理论方法已很难满足该领域研究和开发的需要。 随着计算流体力学和数值传热学的蓬勃发展，数值模拟方法已成为换热器研究的重 要手段。数值模拟方法与实验方法相比，不仅直观、灵活、费用低、周期短，并具有可 重复性。在较复杂的情况方面，采用数值模拟方法可以对不同换热器的流场、温度场及 压力场等进行研究，能够详尽的预测各种因素对流动传热过程的影响，有利于换热综合 性能的提高和新型换热结构的开发。 1 4 2 国内外管壳式换热器的数值模拟研究进展 ( 1 ) 国外管壳式换热器壳程数值模拟情况 1 9 7 4 年，英国的svp a t a n k a r 和dbs p a l d i n g ，首先提出采用多孔介质模型( p o r o u s m e d i am e t h o d ) 换热器进行简化【2 4 】，其数值模拟的研究思想是：将壳程各种固体构件如 管束、折流板等当作多孔介质处理，以体积多孔度1 3 表示整个区域内固体结构所占比例。 在处理管束、折流板等固体结构对壳程流动与传热的影响时，按照分布阻力概念来处理， 并假设由于固体障碍所造成的阻力远远大于流体内部粘性阻力，从而在动量方程的求解 中忽略了粘性阻力的影响，使求解简化。他们对管壳式换热器按照假设简化，将所研究 的空间划分网格后采用有限差分将上述方程组和相关边界条件等离散化为数学方程，经 求解得到流场和温度场。图1 8 为换热器壳程中心纵截面的流场，图1 9 为位于壳程进 口、中心及出口位置横截面上的速度分布。由图可见，虽然该方法不能准确地分辨出各 个局部细节，但壳程流体流动的总趋势已十分清楚。他们的研究工作具有开创性的意义， 对计算流体动力学和计算传热学基本方法的研究以及工业化应用方面做了大量的工作， 为c f d n h t 技术在工程实际应用中的发展奠定了基础，后经其他学者的不断完善和发 展，己被广泛应用于工业传热传质设备的模拟研究工作。 l n g 浸没式燃烧型气化器数值模拟 ，。 i ， 豸i ；至至兰主 图1 8 换热器壳程中心纵截面的流场 f i g 1 8v e l o c i t yd i s t r i b u t i n go fc e n t e