中間介質氣化器中超臨界LNG換熱過程分析

王博杰，匡以武，齊超，王文，許佳偉，黃宇

（1上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海200240；2中海石油氣電集團有限責任公司，北京100027）

引 言

隨著能源危機與環境污染日益加劇，天然氣憑借其儲量大污染小的優勢，逐漸成為能源市場的中堅力量。為方便運輸，天然氣往往先低溫液化成LNG，在使用前再進行氣化處理。國際上對LNG進行氣化的氣化器主要有4種：空氣冷卻式 （AAV）、開架式 （ORV）、浸沒燃燒式 （SCV）和中間介質式（IFV）。前三者已經發展得很成熟，并有廣泛應用，而IFV技術尚處于完善階段，應用也較少。但IFV引入中間介質換熱，使海水不與LNG直接換熱，有效避免了海水結冰帶來的不利影響，也因為這個優勢，中間介質氣化器越來越得到青睞。

國內外對于中間介質氣化器的研究僅局限于結構、材料等，對其中的傳熱機理的研究還很少。白宇恒等［1－2］采用數值計算方法對中間介質氣化器做了熱動態特性研究，通過改變海水的進口溫度、流量與LNG的進口溫度、流量來討論這些因素對IFV換熱性能的影響。之后他們又采用一維數值計算模型對中間介質氣化器的換熱面積進行了計算，并得到了符合工程設計的結果。

天然氣的主要成分是甲烷。一般情況下，LNG的氣化流程是在超臨界壓力下進行的。在IFV氣化器中，天然氣的超臨界換熱是核心換熱過程，對整個氣化過程起到關鍵性的作用，所以對甲烷超臨界換熱的研究，對于IFV技術的完善具有很重大的意義。

超臨界流體的主要特征是其物性會隨溫度產生劇烈的變化，尤其在其臨界點附近。因此對超臨界流體的研究較常規流體要復雜得多。目前對于超臨界流體換熱研究主要集中在超臨界CO2上，Yoon等［3］、Dang等［4］、Son等［5］均對超臨界 CO2的換熱特性進行了實驗研究，并各自提出了換熱關聯式。對于超臨界甲烷的換熱，杜忠選等［6］做了冷卻過程的數值模擬，討論了質量流量和熱通量對傳熱系數的影響。王亞洲等［7］對超臨界甲烷應用于航天燃料進行了湍流傳熱分析，發現在臨界點附近，傳熱特性會發生惡化現象，現有的常用對流換熱關聯式已經不能適用于超臨界壓力下的甲烷換熱。李仲珍等［8］采用數值模擬方法研究了開架式氣化器中的超臨界甲烷換熱，認為傳統的Dittus－Boelter公式在計算開架式氣化器超臨界甲烷換熱時能達到工程要求的準確度。由于中間介質氣化器實際工況的特殊性，有必要對其凝結器內的超臨界甲烷傳熱進行深入的研究。

本文采用一維數值計算與CFD數值模擬的方法對中間介質氣化器內低溫甲烷在超臨界壓力下的傳熱特性進行研究，并進行了比較。

1 甲烷物性計算

采用式 （1）對甲烷的密度進行計算

黏度的計算采用Hanley提出的甲烷黏度模型。該模型建立在大量實驗數據的基礎上，適用范圍廣，可用于計算溫度95～400K，壓力由常壓直至50MPa范圍內的天然氣氣、液相黏度，誤差為2%，具體表達式如下

熱導率采用Ely－Hanley模型來計算。模型把純質熱導率按平移和內能的影響之和來計算。

焓與比熱容采用BWRS方程來計算。實際氣體的焓可由在該溫度下理想氣體的焓加上一個修正項求得。

比熱容由式 （5）求得

圖1是甲烷在6.3MPa壓力下，通過計算得到的各物性隨溫度的變化及與NIST數據的比較。

2 一維數值計算

通過尋找合適的換熱關聯式對中間介質氣化器尤其是凝結器內的超臨界換熱進行一維數值計算，計算的邏輯是保證各個換熱器以及總的系統能量守恒。本文對于凝結器內超臨界甲烷的換熱過程采用文獻 ［9］中提到的修正的Jackson ＆Hall公式

計算采用實際運行狀況下LNG、海水入口條件，如表1所示。中間介質氣化器凝結器的管外為中間介質 （本文采用丙烷）的膜狀凝結換熱，丙烷池維持飽和狀態，飽和溫度通過氣化器能量平衡迭代得到，不同的工況下計算的丙烷溫度也不一樣。下面研究不同壓力以及不同LNG流量下中間介質氣化器內超臨界甲烷換熱情況。換熱器尺寸采用中海浙江寧波液化天然氣有限公司提供的標準大型中間介質氣化器尺寸參數。

圖1 6.3MPa壓力下甲烷物性隨溫度的變化Fig.1 Properties of methane with temperature in pressure 6.3MPa

表1 入口參數Table 1 Entrance parameters

圖2為計算得到的不同超臨界壓力下 （甲烷臨界壓力為4.59MPa）管內LNG溫度與壁溫的沿程變化 （LNG流量選擇180t·h－1）。從圖中可以發現，不同壓力下，管內LNG溫度與壁溫都是持續升高的，而且兩者溫差也從剛入口的約100K降至出口幾乎為零。區別是在低壓時 （但依舊高于臨界壓力），壁溫在前段換熱時有波動的現象，隨著壓力升高，這種波動現象逐漸消失。同樣，對于管內LNG溫度，在壓力較低時，在溫升過程中會出現一段溫升曲線幾乎水平的區域，而隨壓力升高，這種現象也逐漸觀察不到。究其原因，是由于管內LNG在換熱過程中經過了假擬臨界溫度點 （比定壓熱容最高的溫度點），物性發生了劇烈的變化。而通過物性計算可以發現超臨界壓力越靠近臨界壓力，比定壓熱容的峰值也越高，即物性變化越劇烈。物性變化劇烈必將引起管內流場的波動，流場的波動進一步又引起了壁溫的波動。

圖3為不同壓力下管內傳熱系數的沿程變化，在不同超臨界壓力下，傳熱系數呈現出相同的變化趨勢，即先升高，達到一個峰值，接著降低，最后趨于穩定。另外在入口處，傳熱系數都有略微降低的現象，其原因是由于甲烷的比定壓熱容在110～130K之間略微變小。盡管趨勢相同，不同壓力下的傳熱系數也有不同的特征。從圖中可以發現，管內壓力越高，超臨界甲烷的傳熱系數的峰值就越低。可以想象當超臨界壓力大到一定值時，傳熱系數變化趨于平緩，這也說明了超臨界換熱有一定的壓力范圍。至于為何壓力較低時傳熱系數峰值大，其原因也是由于工作壓力越接近甲烷的臨界壓力，物性變化就越劇烈。和壁溫一樣，在5MPa壓力下前段傳熱系數也發生了波動的現象，而原因同樣可以認為是劇烈物性變化引起的流場變化。

圖2 不同工作壓力下管內LNG溫度與壁溫的沿程變化Fig.2 Temperature of LNG and wall with different pressures

圖3 不同工作壓力下管內傳熱系數的沿程變化Fig.3 Heat transfer coefficient with different pressures

計算得到的不同LNG流量下 （工作壓力選擇6MPa）管內傳熱系數的沿程變化如圖4所示。可以發現不同LNG流量下的傳熱系數變化趨勢保持一致。LNG流量越大，整體的傳熱系數也越大，尤其在達到峰值時更加明顯。除此之外，不同LNG流量下，在前半段換熱中，傳熱系數都有波動，由此可見，改變流量對超臨界換熱中由于物性引起的傳熱系數的波動影響不大。

圖4 不同LNG流量下管內傳熱系數沿程變化Fig.4 Heat transfer coefficient with different mass flow rate

3 數值模擬分析

第2節利用一維數值計算的方法對中間介質氣化器內甲烷超臨界換熱情況進行了研究，分析了壓力與流量對甲烷超臨界換熱的影響，下面通過數值模擬的方法進一步深入地研究管內甲烷超臨界換熱。

3.1 物理模型

物理模型如圖3所示，圓管直徑12.7mm，實際為U形管，模擬分為3段直管處理，長度分別為9、0.8和9m，3段分別加相應的第三類邊界條件 （由管外數值計算得到），選擇質量流量入口與壓力出口，忽略重力與浮升力的影響，采用二維軸對稱模型。湍流模型的選擇上采用在超臨界二氧化碳換熱數值模擬中預測較好的Lam－Bremhorst低Reynolds數模型［10］。

圖5 物理模型Fig.5 Physical model

3.2 網格劃分

對 于 網 格 的 劃 分，Lam－Bremhorst 低Reynolds數模型要求y＋值小于1。在此基礎上，對壁面網格進行加密，劃分3組17×18000、34×18000、17×36000分別進行計算，結果差異不大，認為網格劃分17×18000可以滿足計算要求。

3.3 數值方法

為保證及快速收斂，采用一階迎風格式對連續性方程、湍流脈動動能方程以及湍流耗散率方程進行離散；而動量方程與能量方程采用QUICK格式離散。采用SIMPLEC算法求解壓力速度耦合方程。當各方程殘差下降到一定數值且出口參數保持基本不變時認為計算收斂。

3.4 數值模擬結果及分析

圖6顯示了數值模擬結果Nusselt數隨甲烷溫度的變化情況，并與修正的Jackson ＆Hall公式以及應用最廣泛的Dittus－Boelter公式計算結果進行比較。兩個公式的結果都是先升高到一個峰值，接著平緩下降，只是Dittus－Boelter公式計算結果較修正的Jackson ＆Hall公式要高。而數值模擬的結果在假擬臨界區附近表現出不一樣的特征，數值模擬的Nusselt數在遠離臨界區的區域保持和公式計算結果一樣的特征，但是在假擬臨界點附近，Nusselt數有明顯的下降過程，可以認為在臨界區附近發生了傳熱惡化的現象。顯然Dittus－Boelter公式沒能很好地預測臨界區附近甲烷換熱情況，而修正的Jackson ＆Hall公式雖然刻意地降低了臨界區的Nusselt數，但同樣沒有出現Nusselt數突然減小的情況。為了更深入地了解傳熱惡化的情況，本文采用不同的流量入口對甲烷超臨界傳熱進行了數值模擬。

圖6 Nusselt數隨溫度的變化Fig.6 Nusselt number variations with temperature

圖7 不同進口流量下Nusselt數數值模擬結果Fig.7 Nusselt number with different mass flow rates

如圖7所示，本文采用7種不同的進口流量對超臨界甲烷換熱進行了數值模擬計算，其中0.058 kg·s－1為實際工況的流量。從圖中可以發現，在低流量工況如質量流量在0.04和0.058kg·s－1時，Nusselt數會在接近臨界區時發生突然降低的現象，可以認為在這一位置發生了傳熱惡化。隨著流量的增大，這一現象逐漸消失，在流量達到0.15 kg·s－1時，傳熱惡化已經基本觀察不到。所以在甲烷超臨界換熱中，并不是都會出現傳熱惡化的現象，只有在低流量工況下才會出現明顯的傳熱惡化現象，這對實際中間介質氣化器的運行有一定的指導作用。

4 結 論

通過一維數值計算和CFD數值模擬的方法研究了中間介質氣化器凝結器內的超臨界甲烷換熱情況，比較了數值計算與模擬仿真的結果，得到以下結論：

（1）中間介質氣化器凝結器內的換熱屬于超臨界LNG換熱，在超臨界LNG換熱中，傳熱系數會逐漸升高，在假擬臨界點附近達到一個峰值，然后下降趨于穩定。

（2）當管內工作壓力接近臨界壓力時，由于物性劇烈變化，會引起傳熱系數與壁溫的波動。

（3）在甲烷超臨界換熱中，會出現傳熱惡化的現象，不過傳熱惡化的發生還受到流量的制約，在低流量工況下傳熱惡化現象比較明顯。所以提高甲烷的流量能有效地避免傳熱惡化現象的發生。

（4）現有的常用經驗關聯式不能很好反映超臨界甲烷的傳熱惡化現象，修正的Jackson ＆ Hall公式在數值上較Dittus－Boelter公式更準確一些。

符 號 說 明

cp——比定壓熱容，kJ·kg－1·K－1

D——管徑，m

h——比焓，kJ·kg－1

Nu——Nusselt數

Pr——Prandtl數

p——壓力，Pa

Re——Reynolds數

T——溫度，K

u——速度，m·s－1

V——比體積，m3·kg－1

Z——壓縮因子

λ——熱導率，W·m－1·K－1

ρ——密度，kg·m－3

下角標

b——平均值

pc——假擬臨界點

r——對比態

w——壁面

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