低温混合工质大质流密度流动传热试验系统

陈 林，马 爽，张晓慧，陈嘉祥，密晓光，冯永昌，徐振军，陈 杰

（1.中国科学院 工程热物理研究所，北京 100190； 2.中国科学院大学，北京 100049；3.中海石油气电集团技术研发中心，北京 100028；4.青岛农业大学 建筑工程学院，山东青岛 266109）

0 引言

低温制冷系统在人们的生产生活中应用广泛，低温大质流密度流动传热技术是其中一个重要的分支。LNG/FLNG 绕管式换热器是天然气工程领域的核心装备之一，特别是在我国南海等深远海海洋液化天然气供应方面具有重要的战略意义［1-2］。在天然气液化过程中绕管式换热器是最常用的主低温换热器［3］。相应的液化过程中需要超低温度环境和大的工质质流密度［4-5］。LNG绕管式换热器具有结构紧凑、压降小、换热面积大、换热效率高、耐高压、设备安全和能够规模化生产的特点［6］，它的性能对天然气的液化量存在重要影响［7］。绕管式换热器内部流动与传热机理的研究是国产化的前提与基础［8-11］。为了获取绕管式换热器在不同流形、不同工况下的换热系数和预冷、液化、深冷工况下的换热和压降特征，国内外的专家学者开展了大量的数值模拟和试验研究［12-19］。然而数值模拟需要以试验得到的不同工况和不同流形下的真实换热系数为基础，实现对数值模拟准确性的验证。

近年来国内外相关课题组已设计搭建了研究绕管式换热器壳侧流动换热特性的小型试验系统［20-26］，但目前大质流密度流动传热试验系统研究并不多见。例如，挪威的NEERAAS 等［21］设计了用于LNG 绕管式换热器壳侧工质流动传热试验系统，涵盖了质流密度范围30～120 kg/（m2·s），研究了甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等工质组分，获得了壳侧传热系数随雷诺数增大而增大的结论，同时基于Bays 和McAdams 关联式［27］将Nu 和无量纲管径参数、Re、Pr 相关联，开发了壳侧液相流强制对流传热关联式。朱建鲁等［22］设计了双混合制冷剂液化工艺试验装置，其预冷模块采用板翅式换热器，深冷段采用绕管式换热器，在设计流量为7.336 kg/h 条件下，实现了-50～-160 ℃试验。李丰志等［23］采用泵作为驱动装置，通过改变泵的频率进行流量调节，实现了对管内的混合工质在质流密度为200～600 kg/（m2·s）时混合工质测量试验。王刚等［24］设计了能够满足换热量为50 000 m3/d 的小型天然气液化系统，进行试验得出每排管的平均换热效率为43.28%。丁超等［26］选取丙烷和乙烷/丙烷混合物（摩尔配比范围为10：90～60：40）作为试验工质。选取层间距直径比为1.08～1.33，管间距直径比为1.17～1.50 的测试件，实现了质流密度为40～80 kg/（m2·s）、热流密度为4～10 kW/m2、干度为0.2～0.9、运行压力为0.25 MPa的针对LNG 绕管式换热器换热特性试验系统。

已有试验系统规模相对较小，其中低温制冷工质质量流量密度覆盖了小型换热器的区间且实际试验数据还相对较少。因此，本研究搭建了质流密度范围20～140 kg/（m2·s）、干度范围0～1、热流密度范围0～12 kW/m2的流动传热试验系统，以实现模拟实际规模条件下绕管式换热器壳侧流动换热特性研究。

1 试验系统设计

1.1 整体系统和试验段测试目标

LNG/FLNG 绕管式换热器结构复杂，主要由壳体、中心筒、管板和绕管组成，如图1（a）所示［28］。LNG/FLNG 绕管式换热器基本流动传热单元可简化为如图1（b）所示的测试件。测试样件的设计需要能够反映壳侧流体通道结构和流动特征，实现流型观测及对传热系数、压降值的测量。本试验平台测试样件中缠绕直径为1.0 m，绕管外径为12 mm，内径为6 mm，层间距为1 mm，管间距为4 mm，螺旋升角为4°。

为实现传热系数精准测量，在测试样件内部中间位置选择4 排绕管作为传热测试区，在绕管内部布置电加热棒作为热源并反馈获取热流密度，绕管管壁内部沿轴向打孔至中心位置布置热电偶测量壁面温度，传热测试区进出口布置热电偶测量工质温度，进而实现对局部传热系数的测量。

为了实现换热器壳程流体传热与压降特性的测试，获取流型图像、传热数据与压降数据，系统需满足试验工况控制需求、安全防爆需求等。设计压力选定为6.0 MPa，最低温度为-196 ℃。

1.2 整体系统设计和实现

本试验系统包括主循环回路、冷却回路、控制系统等，如图2 所示。试验系统工况范围见表1。

经过压缩后的高压工质依次进入气化回热器、冷水机组换热器、冷冻机组换热器和液氮换热器，降温冷凝为过冷液态状态，经节流阀节流至所需要的蒸发压力后，进入干度调节换热器加热至所需要的干度后进入测试样件进行流动传热相关测试，然后进入气化回热器加热至过热状态，再进入缓冲罐，最后返回压缩机完成测试循环。

压缩机和冷水机组换热器之间设置有气化回热器，可完成工质循环过程冷能和热能的回收利用，降低工质降温液化和加热气化的能耗。压缩机入口设置有缓冲罐。气化回热器与缓冲罐之间设置有电加热器以维持缓冲罐入口工质过热状态。冷水机组和冷冻机组入口均设置旁通回路，当回热器出口工质温度过低时，根据具体温度情况选择不经过冷水机组或冷冻机组换热器。

压缩机和节流阀均设置有旁通管路，实现测试样件入口工质流量的调节。干度调节换热器采用辐射式电加热器，工质管路通过与周围电加热丝之间的辐射换热实现加热过程，可避免积液问题。测试样件观测窗采用双层玻璃视窗结构。内层与外层玻璃之间设置夹层，夹层抽真空实现保温隔热，避免影响观测效果。采用观测视窗（直径为0.15 m），可观测8 排管束流型。

为实现大质流密度设计和宽工况范围调节，采取多种措施：（1）压缩机设置外部回流管路，通过气动回流阀实现宽工况流量自动精准调节；（2）冷水机组设置冷水水箱作为缓冲模块，通过冷水流量自动调节实现冷却负荷控制；（3）冷冻机组通过内部制冷剂流量调节实现0～100%负荷自动调节；（4）液氮出口管路设置气动调节阀自动调节液氮流量。

2 试验系统基本设备构成

按照SHSG-053-2011《石油化工装置详细工程设计内容规定》、HG/T 20688-2000《化工工厂初步设计文件内容深度规定》，开展测试样件制作、试验装置搭建和控制系统开发。本试验系统主要设备基础参数见表2。

表2 主要设备参数Tab.2 Main equipment parameters

系统中设置了强制通风机排风系统，可抽取有可能会泄漏的气体并通过风道排放至室外空间。本试验系统低温管道及设备均采用二烯烃与丁晴橡胶保温材料相结合的方式实现良好保温。

试验系统主要包括压缩机、冷却塔、回热器、冷水机组、冷冻机组、冷水机组换热器、冷冻机组换热器、液氮换热器、干度调节电加热器、过热电加热器等设备（如图2 所示）。第一级由冷水机组、冷水水箱和板翅换热器组成，第二级由冷冻机组与板翅式换热器组成，第三级由液氮与微通道换热器组成。

3 试验装置运行

在系统安装完毕后和正式进行试验之前，需要对系统进行调试，保证系统满足开展试验工作的各项条件，如图3 所示，主要调试内容包括：调试前的检查，系统吹扫，系统气密性检查，隔膜压缩机调试和控制系统调试等。

图3 试验装置调试流程Fig. 3 Experimental device debugging process

3.1 系统吹扫和气密性检查

调试前检查合格后进行系统清扫。系统安装过程中，由于各管道和设备内部残留的灰尘等颗粒，以及在管道切割、焊接过程中产生的铁屑、焊渣等杂质颗粒，会导致阀门卡死、管线和设备堵塞，甚至可能进入压缩机等关键设备，进而引起系统故障和损坏。因此在系统正式运行之前，需要通过带有一定压力和流速的气体进行吹扫，将这些杂质吹到外界，以保持系统内部的洁净。

3.2 系统及控制调试

完成系统气密性检查后首先进行了保压测试。经测试，24 h 平均漏率小于6‰，符合设计要求。保压后开展系统调试。首先进行压缩机调试，主要步骤为：拆卸安装→系统连接→油路、水路、气路系统调试→电力系统调试。

3.3 系统运行操作步骤

确保平台供电设施和各部分设备处于正常状态，在供气压力满足要求的条件下进行系统运行开车。按压缩机、冷水机组、冷冻机组、各电加热器的单体设备操作规程进行单项设备启动前检查。在压缩机启动条件具备的情况下，先开启压缩机再供应液氮和启动电加热器，避免在无工质情况下出现液氮换热器温度过低和电加热器温度过高的问题。启动过程中逐渐增加工质流量、液氮流量以及各加热/冷却器负荷，避免管路和各设备温度剧烈变化。停车过程中，先停止液氮供应、关闭电加热器，后关闭压缩机，避免液氮冷却器温度过低和电加热器温度过高。

4 试验系统误差分析

4.1 数据采集系统设计

本试验系统的数据采集模块集成在DCS 控制系统内，如图4 所示。

图4 控制系统原理Fig.4 Control system schematic

DSC 控制系统主要包括NI 数据采集模块和PLC 信号处理单元。控制系统可调用外部程序函数进行物性计算，实现与物性程序交互，实现传热系数与摩擦压降等试验数据的推导计算等功能。DCS 控制系统还可实现所有设备启停、运行模式选择与参数调整等远程控制功能。设备运行状态的调节通过上位机软件远程控制实现。

4.2 直接测量获得的主要参数及其误差

系统直接测量获得的主要参数见表3。

4.3 通过数据导出计算获得的参数

计算相应传热系数、摩擦压降和质流密度获得测试件流通面积及质量流量，结果见表4。

表4 测试件结构尺寸参数及流通面积与流量计算结果Tab. 4 The structural dimension parameters of the test piece and the calculation results of the flow area and flow rate

本试验中对于直接测量得到的参数，选取的热电偶精度为±0.1 ℃。质量流量通过科氏流量计测量获得，精度为±0.1%，在试验工况内最大绝对误差小于1.2 kg/h。系统传热系数测量误差小于5.18%；压力测量误差小于1.5 kPa（最高运行压力为3 MPa 时）；试验中，压降测试段的压力变化在1 000 ～ 20 000 Pa 之间，本试验装置的压降测量绝对误差小于2.5 Pa（5 kPa 量程时）及小于25 Pa（50 kPa 量程时），其相对误差均小于0.25%；干度误差小于0.014。

5 系统试运行结果分析

为了验证试验系统的可行性与稳定性，进行了预冷段换热试验。在干度为0.4，质流密度为120 kg/h 的测试工况下获得了系统关键点位温度和压力随时间变化曲线如图5 所示。

图5 系统关键点位温度和压力随时间变化曲线Fig.5 Temperature and pressure curves of key points in the system over time

图5 中主要对试验系统中的关键点位的温度和压力开展分析。图5（a）中所有部件的入口和出口温度经调试达到稳定条件。图5（b）中所有部件的入口和出口压力随时间略有升高，其中液氮冷凝换热器出口的压力随时间变化曲线波动范围为0.406～0.415 MPa，所有部件整体处于平稳状态。据此，该系统可以满足对LNG/FLNG 绕管式换热器壳程流体传热与压降特性的测试。

6 结论

（1）为满足试验测试需求和试验安全要求，选定设计压力为6.0 MPa，设计温度为-196 ℃；试验系统经连接搭建、吹扫调试、部件运行调试、裸冷调试、运行调试，表明系统运行正常，达到了预期目标。

（2）通过测算估计，系统温度误差不大于1 ℃，压力绝对误差小于10 kPa，压降误差小于2 kPa，测试段干度的误差小于2%，循环质量流量误差小于5 kg/h。

（3）通过对试验系统中的主要部件温度和压力运行监测，实现了试验系统稳定运行，可以满足对绕管式换热器壳程大质流密度条件下特性试验要求。