开架式气化器温度特性实验研究

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(合肥通用机械研究院， 安徽 合肥 230088)

试验研究

开架式气化器温度特性实验研究

周兵，倪利刚，崔云龙，姚志燕

(合肥通用机械研究院， 安徽 合肥 230088)

基于开架式气化器(ORV)的特殊换热管结构，以液氮替代液化天然气介质，建立了一套ORV传热实验系统，针对两种换热管型式进行了不同处理量气化实验，分别从全温度测点均匀性评价、管内外热平衡、热源水温降等指标验证了系统的可靠性，考察了流量对气化出口温度的影响，获得了液氮气化沿程的主流温度分布。计算结果表明，在不结冰工况下，传统ORV较超级ORV的气化性能更优。

开架式气化器； 气化性能； 温度分布； 实验； 研究

开架式气化器(open rack vaporizer，ORV)是大型液化天然气(liquefied natural gas，LNG)气化站应用最广泛的气化器类型之一，具有结构安全开放、易于维护、运行成本低及无污染排放等优点，其缺点是对基建和海水品质的要求较高。此类设备长期依赖进口，其技术输出方主要为日本的几家供应商[1-4]。近年来，国内关于ORV的研究日益成为热门，这些研究主要分为两大类：一类是用户单位针对ORV设备运行和维护相关技术的研究[5-9]。另一类是高等院校与科研机构基于一定模型假设的传热数值计算和基于CFD技术的传热流动模拟研究[10-16]。此外，还有一些零星的实验研究，但研究者通常仅关注于气化出口温度这类粗放型指标，对于沿程气化温度分布等关键问题缺乏一定的研究，这对深入理解ORV的传热机理和产品优化设计尤显不足。

文中基于ORV结构，开发出工业原比例换热样管，建立了一套ORV实验系统，根据工业产品工艺需求完成了设定工况的实验，重点关注气化介质沿程主流温度分布，研究其一般性规律，对ORV产品设计提出针对性建议。

1 ORV工作原理

ORV基本换热单元是特殊结构的换热管。若干换热管并排焊在一对分布管之间构成一组汽化面板，通过将若干组汽化面板的上、下分布管进行连接即构成一组气化模块，一组ORV气化面板的结构原理示意图见图1。

1.上分布管 2.溢流水槽 3.海水分布管 4.汽化面板 5.下分布管 6.降流水膜N1.液化天然气入口接管 N2.海水入口接管N3.天然气出口接管图1 一组ORV气化面板结构原理示图

超临界的LNG被均匀输送进每一块气化面板，并通过气化面板的下分布管均匀分配至每一根换热管，在上升过程中被换热管外部的降流水膜加热气化后，经上分布管汇合输出。鉴于ORV的模块化结构组成，可进行线性放样设计，这给设计开发带来了便利，针对单管气化性能研究即可合理放大至整套装置。

ORV换热管设计要综合考虑以下因素：①介质在超临界工况完成气化，换热管应满足超临界压力的强度需求。②通过换热管壁的热传导是主要传热过程，换热管材应具有较高导热系数。③换热管内外特殊发展表面设计，一方面应起强化传热的作用，另一方面还应促成换热表面流体的有效覆盖。④管材表面的喷涂材质应具有传热和防腐双重功能。

在ORV运行过程中，换热管底部不可避免出现海水结冰现象，造成传热恶化。为此，一种超级ORV(super-ORV)管型是很好的解决方案，传统观点认为super-ORV具有整体更优的气化表现，super-ORV的结构示意图见图2。

1.ORV外管 2.螺旋扰流件 3.间隙流道 4.内管图2 super-ORV结构示图

在ORV外管下半段嵌入一截内管，在内、外管之间形成间隙流道，使气化段传热形成级梯传热过程，同时在内管上部设置一段螺旋扰流件进一步增强传热，以达到提高气化出口温度的目的。

2 super-ORV实验系统设计

2.1实验目的

以液氮代替LNG，基于工业用换热管模型尺寸制作原比例传热试件，建立一套针对传统ORV和super-ORV的传热性能实验平台，验证实验系统的可靠性。分别开展两种方案的传热性能实验，获取沿程主流温度分布，对ORV和super-ORV在实验工况下进行气化性能的对比分析。

2.2实验参数

基于某LNG接收站气源数据，按照相同单管热负荷确定本实验的参数范围。该LNG接收站的LNG成分见表1。

表1 某接收站LNG组分(体积分数) %

该接收站LNG设计进口温度为-133.9 ℃，气化出口温度为1.0 ℃。利用HTRI软件内嵌的VMGthermo数据库对该组分LNG物性进行模拟，对气液两相均采用Advanced Peng-Robinson方法计算进、出口焓差。该项目设计处理量为183.3 t/h，共包括1 204根换热管。经换算，对应实验的液氮单管质量流量为244 kg/h，用水量为5.2 t/h。结合现场多次安装调试经验，本次实验的水流量和液氮处理量略小于该换算值。

2.3试件加工

ORV换热管的不规则发展表面形状尺寸以及材质性能极大影响气化质量。开发出优质ORV模具，并完成了小批量试制。ORV换热管管长6 m，材质为铝合金6063，退火状态为T5，不进行表面处理。经检验，产品样管尺寸准确，材料表面光洁平整，满足实验要求。本文在试件低端的内部嵌入一半高度光管模拟super-ORV换热管，上段未设置螺旋扰流件。

沿管长方向等距加工6组截面测点，分别测量截面外壁面、近内壁面、管内主流和间隙流道温度。

2.4实验系统设计

ORV模化实验系统流程见图3。

图3 ORV实验系统流程图

液氮经液氮储罐组汇并输出后均匀进入2根待测试件底部，加热水由待测试件顶部的加热水槽通过一个液体均布结构喷淋在试件表面，从而加热气化液氮。热源水采用实验室公共用水，使用后的热源水进入公共排水渠道。由于氮气出口温度接近常温，且流量相对不大。因此，选择将气化后的氮气直接排空的设计。

使用一台标定合格的旋进流量计测量出口氮气流量。

2.5实验过程

(1)检查装置的密封和安全。运行数据采集模块，开始记录实验过程所有动作数据，评价全区域温度测点温度均匀性，当所有测点温度与环境温度接近一致时，方可进行后续实验。

(2)开启加热水输送流路，调节加热水至额定流量，使传统ORV试件外表面充分浸润。

(3)按照设定流量目标控制液氮，操作过程中应密切关注液氮储罐内压力值，使其维持基本稳定，从而使液氮流量保持稳定。根据旋进流量计适用范围严格控制液氮流量，当氮气出口温度低于-20 ℃时退出实验。

(4)完成一组数据采集后暂停本次实验，应先关闭液氮储罐，再停止加热水输送。重复步骤(1)～(3)可完成下一组加热水流量工况实验，按照3 t/h、5 t/h和7 t/h设定加热水的质量流量。

(5)当传统ORV实验结束后，重复上述步骤完成super-ORV的系列工况实验。

3 实验测试数据分析

3.1全区域温度测点均匀性检测

某时刻ORV试件全区域的温度分布见图4。

图4 实验前ORV试件全区域温度均匀性检测

从图4中可以看出，在实验未开车条件下，包括壁面及通道内空气在内的全测点温度分布非常一致，接近环境温度，且均处于(33.1±0.5)℃内。由此表明，各测点安装正确，测量相对稳定，温度精度在合适范围，可以进行实验。

3.2热量匹配度衡算

利用进、出口焓差法计算介质换热量。焓差物性可以通过各种商业软件的物性数据包计算，选用HTRI内嵌的物性程序，计算得出实验条件下液氮侧焓值随温度的变化曲线，见图5。

图5 实验条件下液氮焓值随温度变化曲线

从图5中可以看出，在0.3 MPa实验压力条件下，液氮的蒸发温度为-185.28 ℃，根据实验测量出来的进、出口介质温度即可求出换热量。

水质量流量为5 t/h时，基于进、出口测点温度，传统ORV试件对应不同液氮处理量下的冷、热侧换热量见图6。

分析认为，本实验中热源水侧曝露于周围环境当中，在流动过程中不可避免会发生滴溅，自身在降膜流动过程中也会与周围环境发生热量交换。因此，水侧温度的影响因素较为复杂。由于实验时间为夏季，实验环境温度高于水温，气化过程中热源水不断吸收环境热量，造成水侧热量小于液氮侧值，这与测试数据表现一致。

图6 水质量流量5 t/h时传统ORV热量衡算

不同水质量流量下，传统ORV和super-ORV加热水的散点温降数据图见图7。

图7 不同水质量流量下两种ORV试件加热水温降

从图7可以看出，随着液氮处理量的增加，加热水侧温降呈增大趋势，且接近线性变化。而随着加热水质量流量的增加，相同液氮处理量下加热水温降则呈降低趋势，这一点在super-ORV试件实验中表现更为突出。

3.3水质量流量对氮气出口温度的影响

进一步考察液氮出口温度随管内、外介质流量的变化情况。传统型ORV试件和super-ORV试件在不同加热水质量流量下的出口散点温度数据统计结果见图8。

图8 两种试件在不同加热水质量流量下的出口散点温度

从图8可以看出，随着液氮处理量的增加，氮气出口温度呈整体减小趋势，且接近线性变化规律。同时随着加热水质量流量的增加，相应液氮处理量对应的出口温度呈现明显的增加。

从以上实验结果可知，本实验系统运行可靠，实验方法合理。

3.4沿程主流温度变化

沿程主流温度是进行气化器性能评价和传热过程分析的重要依据之一。由于气源存放和充装条件不同，每次重新实验入口状态也有微小变化，因此不同时段的测试数据不宜作直接量化对比。

分析各工况气化温度曲线，可发现气化过程大致依循两个阶段，即入口处的相变传热区和之后的对流传热区。在相变传热区，主流温度近乎不变，而在对流传热区，主流温度呈类对数增长趋势，其温升趋势逐渐降低主要是因为传热动力(温差)的降低，同时由于气相占优的流动对流传热强度较弱。

在实际装置中，普遍采取在换热管内部上端嵌入扰流元件的方式来增强传热效果。

不同液氮处理量时传统ORV试件和super-ORV试件的气化主流温度变化图见图9、图10，其中横坐标为相应测点距离试件底部的高度，纵坐标为试件内部主流流体温度。

图9 不同液氮处理量下传统ORV试件液氮主流温度

图10 不同液氮处理量下super-ORV试件液氮主流温度

从图9和图10中可以看出：

(1)当水的质量流量相对液氮处理量较大时，主流温度曲线呈现出类对数增长趋势，如9b中5 t/h水流量下处理量为100 kg/h的液氮主流温度曲线，装置呈现出充分的气化能力。加热水的质量流量相对液氮处理量越大，气化过程越充分，主流温度曲线越呈现类对数化特征。而当加热水质量流量较小或液氮处理量较大时，主流温度曲线的类对数化增长表现虽然没有消失，但温度曲线出现了右移，这表明相变传热段长度增长，并显示气化动力不足。

(2)在气化出口温度约束条件下，传统ORV试件能达到的最大处理量775 kg/h，而super-ORV处理量不足375 kg/h。这是由于super-ORV试件内部流动截面积减少和入口局部阻力增大的原因，在一定输出压力下液氮处理量必然降低。

(3)相对传统ORV试件，super-ORV试件的相变传热段更长，而且整体气化温度曲线更低，表明其气化性能反而更差。对此可作如下解释，即相对传统ORV试件结构，当换热管底端外壁无结冰生成时，super-ORV试件的传热热阻由于嵌入式内管的设置而大大提高，因此削弱了整体传热。当有结冰生成时，由冰层造成的传热热阻的增加程度大于super-ORV试件嵌入式内管的传热热阻增加，super-ORV试件表现出更好的传热性能。由于实验条件的限制，对揭示super-ORV的优越性方面显得不足。

(4)传统观点一致认为，基于嵌入内管和螺旋扰流件结构的super-ORV管型具有更好的气化传热性能，通过实验却观察到super-ORV方案在既定实验条件下处理量下降和气化性能下降的现象，这一点值得后续研究和设计人员的关注。

4 结语

实验获得了ORV沿程主流温度分布曲线，依据曲线对气化过程进行相变传热和对流传热区的划分，观察分析认为在不结冰实验操作工况下，super-ORV的气化性能不及传统ORV方案。

文中搭建的实验平台相对简单，对研究实际工况的LNG气化传热需求尚有一定的距离，如超临界介质传热、介质与热源水均匀分布设计等方面有待进一步研究。

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(许编)

ExperimentalStudyonTemperatureCharacteristicsofOpenRackVaporizer

ZHOUBing,NILi-gang,CUIYun-long,YAOZhi-yan

(Hefei General Machinery Research Institute, Hefei 230088, China)

Based on the unique structure of the heat exchange tube of open rack vaporizer(ORV), a set of heat transfer test system is set up using liquified N2instead of liquefied natural gas(LNG). Tests are done within tubes of two different types under different vaporization capacity and it shows the experimental platform has good reliability based on the homogenization evaluation of all measure points, heat balance between the outside and inside of the test tube and the temperature drop of the heating water. It is obtained the outlet vaporization temperature curve upon the flow rate and the temperature field of the in-tube main flow. The result shows that better performance is gained on traditional tubes rather than super-ORV tubes corresponding to no icing operation.

open rack vaporizer; vaporization capacity; temperature profile; experimental; study

TQ050.2； TE969

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.001

1000-7466(2017)04-0001-06①

2017-02-24

合肥通用机械研究院青年科技基金项目(2012011081)

周 兵(1986-)，男，安徽舒城人，助理工程师，硕士，主要从事换热设备传热工艺研究。