中间介质气化器中超临界LNG换热过程分析

王博杰，匡以武，齐超，王文，许佳伟，黄宇

（1上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200240；2中海石油气电集团有限责任公司，北京100027）

引 言

随着能源危机与环境污染日益加剧，天然气凭借其储量大污染小的优势，逐渐成为能源市场的中坚力量。为方便运输，天然气往往先低温液化成LNG，在使用前再进行气化处理。国际上对LNG进行气化的气化器主要有4种：空气冷却式 （AAV）、开架式 （ORV）、浸没燃烧式 （SCV）和中间介质式（IFV）。前三者已经发展得很成熟，并有广泛应用，而IFV技术尚处于完善阶段，应用也较少。但IFV引入中间介质换热，使海水不与LNG直接换热，有效避免了海水结冰带来的不利影响，也因为这个优势，中间介质气化器越来越得到青睐。

国内外对于中间介质气化器的研究仅局限于结构、材料等，对其中的传热机理的研究还很少。白宇恒等［1－2］采用数值计算方法对中间介质气化器做了热动态特性研究，通过改变海水的进口温度、流量与LNG的进口温度、流量来讨论这些因素对IFV换热性能的影响。之后他们又采用一维数值计算模型对中间介质气化器的换热面积进行了计算，并得到了符合工程设计的结果。

天然气的主要成分是甲烷。一般情况下，LNG的气化流程是在超临界压力下进行的。在IFV气化器中，天然气的超临界换热是核心换热过程，对整个气化过程起到关键性的作用，所以对甲烷超临界换热的研究，对于IFV技术的完善具有很重大的意义。

超临界流体的主要特征是其物性会随温度产生剧烈的变化，尤其在其临界点附近。因此对超临界流体的研究较常规流体要复杂得多。目前对于超临界流体换热研究主要集中在超临界CO2上，Yoon等［3］、Dang等［4］、Son等［5］均对超临界 CO2的换热特性进行了实验研究，并各自提出了换热关联式。对于超临界甲烷的换热，杜忠选等［6］做了冷却过程的数值模拟，讨论了质量流量和热通量对传热系数的影响。王亚洲等［7］对超临界甲烷应用于航天燃料进行了湍流传热分析，发现在临界点附近，传热特性会发生恶化现象，现有的常用对流换热关联式已经不能适用于超临界压力下的甲烷换热。李仲珍等［8］采用数值模拟方法研究了开架式气化器中的超临界甲烷换热，认为传统的Dittus－Boelter公式在计算开架式气化器超临界甲烷换热时能达到工程要求的准确度。由于中间介质气化器实际工况的特殊性，有必要对其凝结器内的超临界甲烷传热进行深入的研究。

本文采用一维数值计算与CFD数值模拟的方法对中间介质气化器内低温甲烷在超临界压力下的传热特性进行研究，并进行了比较。

1 甲烷物性计算

采用式 （1）对甲烷的密度进行计算

黏度的计算采用Hanley提出的甲烷黏度模型。该模型建立在大量实验数据的基础上，适用范围广，可用于计算温度95～400K，压力由常压直至50MPa范围内的天然气气、液相黏度，误差为2%，具体表达式如下

热导率采用Ely－Hanley模型来计算。模型把纯质热导率按平移和内能的影响之和来计算。

焓与比热容采用BWRS方程来计算。实际气体的焓可由在该温度下理想气体的焓加上一个修正项求得。

比热容由式 （5）求得

图1是甲烷在6.3MPa压力下，通过计算得到的各物性随温度的变化及与NIST数据的比较。

2 一维数值计算

通过寻找合适的换热关联式对中间介质气化器尤其是凝结器内的超临界换热进行一维数值计算，计算的逻辑是保证各个换热器以及总的系统能量守恒。本文对于凝结器内超临界甲烷的换热过程采用文献 ［9］中提到的修正的Jackson ＆Hall公式

计算采用实际运行状况下LNG、海水入口条件，如表1所示。中间介质气化器凝结器的管外为中间介质 （本文采用丙烷）的膜状凝结换热，丙烷池维持饱和状态，饱和温度通过气化器能量平衡迭代得到，不同的工况下计算的丙烷温度也不一样。下面研究不同压力以及不同LNG流量下中间介质气化器内超临界甲烷换热情况。换热器尺寸采用中海浙江宁波液化天然气有限公司提供的标准大型中间介质气化器尺寸参数。

图1 6.3MPa压力下甲烷物性随温度的变化Fig.1 Properties of methane with temperature in pressure 6.3MPa

表1 入口参数Table 1 Entrance parameters

图2为计算得到的不同超临界压力下 （甲烷临界压力为4.59MPa）管内LNG温度与壁温的沿程变化 （LNG流量选择180t·h－1）。从图中可以发现，不同压力下，管内LNG温度与壁温都是持续升高的，而且两者温差也从刚入口的约100K降至出口几乎为零。区别是在低压时 （但依旧高于临界压力），壁温在前段换热时有波动的现象，随着压力升高，这种波动现象逐渐消失。同样，对于管内LNG温度，在压力较低时，在温升过程中会出现一段温升曲线几乎水平的区域，而随压力升高，这种现象也逐渐观察不到。究其原因，是由于管内LNG在换热过程中经过了假拟临界温度点 （比定压热容最高的温度点），物性发生了剧烈的变化。而通过物性计算可以发现超临界压力越靠近临界压力，比定压热容的峰值也越高，即物性变化越剧烈。物性变化剧烈必将引起管内流场的波动，流场的波动进一步又引起了壁温的波动。

图3为不同压力下管内传热系数的沿程变化，在不同超临界压力下，传热系数呈现出相同的变化趋势，即先升高，达到一个峰值，接着降低，最后趋于稳定。另外在入口处，传热系数都有略微降低的现象，其原因是由于甲烷的比定压热容在110～130K之间略微变小。尽管趋势相同，不同压力下的传热系数也有不同的特征。从图中可以发现，管内压力越高，超临界甲烷的传热系数的峰值就越低。可以想象当超临界压力大到一定值时，传热系数变化趋于平缓，这也说明了超临界换热有一定的压力范围。至于为何压力较低时传热系数峰值大，其原因也是由于工作压力越接近甲烷的临界压力，物性变化就越剧烈。和壁温一样，在5MPa压力下前段传热系数也发生了波动的现象，而原因同样可以认为是剧烈物性变化引起的流场变化。

图2 不同工作压力下管内LNG温度与壁温的沿程变化Fig.2 Temperature of LNG and wall with different pressures

图3 不同工作压力下管内传热系数的沿程变化Fig.3 Heat transfer coefficient with different pressures

计算得到的不同LNG流量下 （工作压力选择6MPa）管内传热系数的沿程变化如图4所示。可以发现不同LNG流量下的传热系数变化趋势保持一致。LNG流量越大，整体的传热系数也越大，尤其在达到峰值时更加明显。除此之外，不同LNG流量下，在前半段换热中，传热系数都有波动，由此可见，改变流量对超临界换热中由于物性引起的传热系数的波动影响不大。

图4 不同LNG流量下管内传热系数沿程变化Fig.4 Heat transfer coefficient with different mass flow rate

3 数值模拟分析

第2节利用一维数值计算的方法对中间介质气化器内甲烷超临界换热情况进行了研究，分析了压力与流量对甲烷超临界换热的影响，下面通过数值模拟的方法进一步深入地研究管内甲烷超临界换热。

3.1 物理模型

物理模型如图3所示，圆管直径12.7mm，实际为U形管，模拟分为3段直管处理，长度分别为9、0.8和9m，3段分别加相应的第三类边界条件 （由管外数值计算得到），选择质量流量入口与压力出口，忽略重力与浮升力的影响，采用二维轴对称模型。湍流模型的选择上采用在超临界二氧化碳换热数值模拟中预测较好的Lam－Bremhorst低Reynolds数模型［10］。

图5 物理模型Fig.5 Physical model

3.2 网格划分

对 于 网 格 的 划 分，Lam－Bremhorst 低Reynolds数模型要求y＋值小于1。在此基础上，对壁面网格进行加密，划分3组17×18000、34×18000、17×36000分别进行计算，结果差异不大，认为网格划分17×18000可以满足计算要求。

3.3 数值方法

为保证及快速收敛，采用一阶迎风格式对连续性方程、湍流脉动动能方程以及湍流耗散率方程进行离散；而动量方程与能量方程采用QUICK格式离散。采用SIMPLEC算法求解压力速度耦合方程。当各方程残差下降到一定数值且出口参数保持基本不变时认为计算收敛。

3.4 数值模拟结果及分析

图6显示了数值模拟结果Nusselt数随甲烷温度的变化情况，并与修正的Jackson ＆Hall公式以及应用最广泛的Dittus－Boelter公式计算结果进行比较。两个公式的结果都是先升高到一个峰值，接着平缓下降，只是Dittus－Boelter公式计算结果较修正的Jackson ＆Hall公式要高。而数值模拟的结果在假拟临界区附近表现出不一样的特征，数值模拟的Nusselt数在远离临界区的区域保持和公式计算结果一样的特征，但是在假拟临界点附近，Nusselt数有明显的下降过程，可以认为在临界区附近发生了传热恶化的现象。显然Dittus－Boelter公式没能很好地预测临界区附近甲烷换热情况，而修正的Jackson ＆Hall公式虽然刻意地降低了临界区的Nusselt数，但同样没有出现Nusselt数突然减小的情况。为了更深入地了解传热恶化的情况，本文采用不同的流量入口对甲烷超临界传热进行了数值模拟。

图6 Nusselt数随温度的变化Fig.6 Nusselt number variations with temperature

图7 不同进口流量下Nusselt数数值模拟结果Fig.7 Nusselt number with different mass flow rates

如图7所示，本文采用7种不同的进口流量对超临界甲烷换热进行了数值模拟计算，其中0.058 kg·s－1为实际工况的流量。从图中可以发现，在低流量工况如质量流量在0.04和0.058kg·s－1时，Nusselt数会在接近临界区时发生突然降低的现象，可以认为在这一位置发生了传热恶化。随着流量的增大，这一现象逐渐消失，在流量达到0.15 kg·s－1时，传热恶化已经基本观察不到。所以在甲烷超临界换热中，并不是都会出现传热恶化的现象，只有在低流量工况下才会出现明显的传热恶化现象，这对实际中间介质气化器的运行有一定的指导作用。

4 结 论

通过一维数值计算和CFD数值模拟的方法研究了中间介质气化器凝结器内的超临界甲烷换热情况，比较了数值计算与模拟仿真的结果，得到以下结论：

（1）中间介质气化器凝结器内的换热属于超临界LNG换热，在超临界LNG换热中，传热系数会逐渐升高，在假拟临界点附近达到一个峰值，然后下降趋于稳定。

（2）当管内工作压力接近临界压力时，由于物性剧烈变化，会引起传热系数与壁温的波动。

（3）在甲烷超临界换热中，会出现传热恶化的现象，不过传热恶化的发生还受到流量的制约，在低流量工况下传热恶化现象比较明显。所以提高甲烷的流量能有效地避免传热恶化现象的发生。

（4）现有的常用经验关联式不能很好反映超临界甲烷的传热恶化现象，修正的Jackson ＆ Hall公式在数值上较Dittus－Boelter公式更准确一些。

符 号 说 明

cp——比定压热容，kJ·kg－1·K－1

D——管径，m

h——比焓，kJ·kg－1

Nu——Nusselt数

Pr——Prandtl数

p——压力，Pa

Re——Reynolds数

T——温度，K

u——速度，m·s－1

V——比体积，m3·kg－1

Z——压缩因子

λ——热导率，W·m－1·K－1

ρ——密度，kg·m－3

下角标

b——平均值

pc——假拟临界点

r——对比态

w——壁面

［1］ Bai Yuheng （白宇恒），Xu Huijin （徐会金），Qu Zhiguo（屈治国），Tao Wenquan （陶文铨）.The dynamic characteristics study of LNG in intermediate fluid vaporizer／／Chinese Society of Engineering Thermophysics Conference Proceedings ［C］.2011.

［2］ Bai Yuheng （白宇恒），Liao Yong （廖勇），Lu Yongkang（陆永康）.The method to calculate heat transfer area in LNG intermediate fluid vaporizer ［J］.OilandGasTreatingand Processing（油气加工），2013，31 （3）：31－35.

［3］ Yoon S H，Kim J H，Hwang Y W，Kim M S，Min K，Kim Y.Heat transfer and pressure drop characteristics during the in－tube cooling process of carbon dioxide in the supercritical region ［J］.Int.J.Refrigeration，2003，26（1）：857－864.

［4］ Dang C B，Hihara E.In－tube cooling heat transfer of supercritical carbon dioxide （Ⅰ ）：Experimental measurement［J］.Int.J.Refrigeration，2004，27 （1）：736－747.

［5］ Son C H，Park S J.An experiment study on heat transfer and pressure drop characteristics of carbon dioxide during gas cooling process in a horizontal tube ［J］.Int.J.Refrigeration，2006，29 （1）：539－546.

［6］ Du Zhongxuan （杜忠选），Lin Wensheng （林文胜），Gu Anzhong（顾安忠），Gu Min （辜敏）.Numerical simulation of cooling heat transfer to supercritical methane in vertical circular tube ［J］.CIECSJournal（化工学报），2009，60（S1）：63－67.

［7］ Wang Yazhou （王 亚 洲），Hua Yixin （华益新），Meng Hua （孟 华 ）.Numerical investigation of turbulent heat transfer of cryogenic－propellant methane under supercritical pressures ［J］.JournalofPropulsionTechnology（推进技术），2010，31 （5）：606－611.

［8］ Li Zhongzhen （李仲珍），Guo Shaolong （郭少龙），Tao Wenquan （陶文铨）.Studies of supercritical convective heat transfer of LNG in tube ［J］.JournalofEngineering Thermophysics（工程热物理学报），2013，（12）：2314－2317.

［9］ Wang Yazhou （王亚洲）.Numerical investigation of turbulent heat transfer of cryogenic－propellant methane in horizontal tube ［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2010.

［10］ Du Zhongxuan，Lin Wensheng，Gu Anzhong，etal.Numerical investigation of cooling heat transfer to supercritical CO2in a horizontal circular tube ［J］.TheJournalof SupercriticalFluids，2010，55 （1）：116－121.