晃動對槽盤式再分布器性能的影響

唐建峰 崔 健 邢慶艷 張偉明 金新明 馬鵬飛

1.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院 2.中國石油大學（華東）山東省油氣儲運安全省級重點實驗室3.恒大集團山東公司

隨著海洋資源勘探開發力度的不斷加大，世界各國陸續開始對海上天然氣資源進行探索和研究[1-3]。浮式液化天然氣生產儲卸裝置（Floating Liquef i ed Natural Gas，FLNG）可根據海上天然氣氣田的生產狀況進行靈活配置，節約運輸成本，不占用陸上空間，且安全環保[4-7]。作為最重要的塔內件之一，再分布器對氣液流場的調整和矯正發揮著重要作用，直接關系到處理后氣體的品質和經濟效益。而海上晃動工況對塔內件穩定性、高效性等提出了更高要求[8-9]。

槽盤式再分布器集液體收集、液體分布和氣體分布3種作用于一體，具有占位低、抗堵塞性好、液體夾帶少、高彈性、壓力降較低等優點[10-13]。從填料段底部流出的液體堆積到再分布器底板和塔壁構成的空間內，形成一定高度的液位。其中，擋液風帽可以防止落下的液體進入升氣管，同時起到均布氣體的作用；堆積在底板上的液體沒過升氣管上的出液孔時，在液體靜壓的作用下從出液孔流出，沿著導液管流到下一層填料上面，完成液體均布；從填料塔底部上來的氣體則流經升氣管到達上層填料塔[6,14]。

1 實驗裝置的設計

1.1 實驗主體流程

實驗裝置和主體流程如圖1所示。實驗時，利用離心泵將儲水槽中的水按預定流量打入初始流場給定裝置中，初始流場給定裝置可以通過調節出口處的閥門將液體以一定偏流形式輸入到再分布器中，從而達到模擬填料內液體偏流的效果。偏流后的液體經過再分布器分配到下一層的流量檢測裝置。通過流量檢測段對再分布器分布后的液體流量進行檢測，從而評價再分布器的分布效果。從再分布器流出的液體進入回收水槽后通過軟管匯入到儲水槽，完成液體的循環。

圖1 氣液再分布器的實驗流程圖

實驗的主體部分，即初始流場給定裝置、再分布器段、流量檢測裝置和回收水槽都放置在晃動平臺上，晃動平臺可以實現六自由度的單獨晃動以及多自由度耦合晃動，通過調節晃動幅度以及晃動頻率實現不同晃動工況[6-9]。

實驗所用槽盤式再分布器尺寸為（圖2）：底板直徑為1.2 m，共有6個升氣管，升氣管寬度為80 mm，氣體通道占塔截面的35%，升氣管高為200 mm，孔口開設在距離底板20 mm處，孔口直徑為10 mm。給定不同的進液條件，研究靜止、橫搖和縱搖工況下液體分布器的均布性能，得到晃動對槽盤式再分布器性能影響規律。

1.2 初始流場給定裝置的確定

根據填料塔內的偏流形式，對再分布器實驗的液相初始流場給定裝置進行設計[15]。由于液相初始流場給定裝置需要隨再分布器一起晃動，因此需要保證給定的流場在晃動中保持穩定。另外，進液裝置需要保證3個區域的進液量準確可控，便于計算進液的不均勻程度。設計后的初始流場給定裝置結構如圖3所示。

圖3 初始流場給定裝置示意圖

1.3 檢測裝置的設計

1.3.1 再分布器的主要指標

由于再分布器的主要功能是收集填料段底部流出的不均勻液體并實現再均勻分布[16]，因此選取不均勻度（Mf）作為評價指標[9,17]，其計算公式如下：

式中N表示所要計算出口的總個數；Qoi表示i號孔口出口的流出量口，流m量L，/s。mL/s；表示所要計算孔口的平均

1.3.2 檢測裝置的確定

實驗通過接取并測量每個液體的出口流量以檢測液相不均勻度，實驗中的流量檢測裝置如圖4所示。

圖4 流量檢測裝置示意圖

流量檢測裝置位于氣液再分布器下方，由量筒和推拉板組成，不接取液體時，推拉板向一側推開，各量筒與氣液再分布器出口相互錯開。接取液體時，推拉板向內推進，每個再分布器出口與一個量筒對應，接收一定時間內的液體后，將推拉板拉出，完成液體流量的同時接取，通過讀取量筒流量數據，完成液體流量的測量，進而完成對氣液再分布器各出口流量不均勻度的計算。

2 數值模型的建立

2.1 模型建立及網格劃分

建立槽盤式再分布器的幾何模型（圖2）。考慮到進液的方向和槽內液體流動的軌跡，選擇方向性更強的六面體進行網格劃分，從圓柱體的上表面到下表面方向上排列。圖5所示為槽盤式氣液再分布器網格劃分圖。

圖5 槽盤式氣液再分布器網格劃分示意圖

2.2 邊界條件設置

模型采用捕捉氣液界面效果較好的VOF模型，壓力速度耦合采用Simple算法，動量采用二階迎風格式，湍流動能和湍流耗散均采用一階迎風格式。認為水不可壓縮，進料口處截面定義為速度入口，所有出口定義為壓力出口。模型的晃動是通過導入UDF（User-Def i ned Function）定義模型晃動速度實現，橫搖及縱搖形式如圖6所示。

圖6 橫搖及縱搖晃動形式圖

2.3 模型準確性驗證

為驗證所建模型的準確性，擬定了3組典型工況，對實驗和模擬的結果進行對比分析。

取1/4周期內的0周期時刻、1/16周期時刻、2/16周期時刻、3/16周期時刻和4/16周期時刻的流量值記為Q0、Q1、Q2、Q3和Q4，計算Q0和Q1的平均值、Q1和Q2的平均值、Q2和Q3的平均值、Q3和Q4的平均值分別記為Q01、Q12、Q23、Q34，將Q01、Q12、Q23、Q34加和后乘以1/16周期的時間即近似為1/4周期內的累計流量值。利用以上方法，對比靜止、橫搖5°和縱搖5°工況下的實驗和模擬孔口流量，以其中一條槽上的孔口流量為例，對比結果如表1所示。

從表1數據可以看出，經過處理后的模擬結果

表1 模擬與實驗的孔口流量對比表

與實驗結果匹配較好。其中，靜止工況和縱搖工況的孔口累計流量值誤差絕大多數都在5%以內，模擬精度較高，絕大多數誤差在10%以內，滿足工程精度要求。因此認為數值模型建立和修正后較為準確，可用于模擬研究。

3 靜止工況下的性能分析

3.1 全區域進液工況

全區域進液是給槽盤式再分布器的整個截面上均勻進液，其中各槽上孔口流量分布如圖7所示。

從圖7可以看出，在靜止全區域均勻進液的條件下，各個槽上的孔口流量分布十分均勻。其中位于再分布器兩側的1、6號槽上的孔口流量基本保持在50 mL/s左右，而2～5號槽上的孔口流量略有微波動。此工況下槽盤式再分布器內部的液位分布情況如圖8所示。

從圖8明顯看出，在此工況下槽盤式再分布器內部液位十分穩定，進液帶來的液面波動很小。穩定的液位在各排孔口上形成的液體壓頭基本相同，根據孔口流速和加載到孔口上液體壓頭的關系，各孔口的出口流量基本保持一致。實驗中各出口液體出流情況如圖9所示。

各個槽孔口流量的平均值和不均勻度值如表2所示。

從表2數據可以看出，在此工況下，各槽孔口流量的平均值和不均勻度均相近，并且各槽上孔口流量的不均勻度和整體孔口流量的不均勻度都維持在0.03以下，由此可知，在靜止全區域均勻進液工況下，傳統的槽盤式再分布器的液體均布效果很好。

圖7 靜止全區域進液工況下的孔口流量分布柱狀圖

圖8 靜止全區域進液工況下的再分布器液位分布圖

圖9 靜止全區域進液工況下各孔口液體出流情況照片

表2 靜止全區域進液工況下各槽孔口的流量平均值和不均勻度值表

3.2 2/3區域進液工況

2/3區域進液是給再分布器進行局部均勻進液，其中各槽上孔口流量分布如圖10所示。

從圖10可以看出，雖然各槽上的孔口流量波動仍然較小，但是相比于全區域進液的工況，各孔口流量之間的高低差別有所增大。另外，雖然本次工況下整個再分布器截面上只有2/3區域進液，但是再分布器各槽間未出現較大的平均流量差異。分析可知是由于底板上的液體連通性較好，落入再分布器的液體迅速串流并鋪滿整個再分布器截面，從而使得加載到各個孔口上的壓頭基本一致，出口流量也基本相同。各個槽孔口流量的平均值和不均勻度如表3所示。

圖10 靜止2/3區域進液工況下的孔口流量分布柱狀圖

表3 靜止2/3區域進液工況下各槽孔口流量平均值和不均勻度值表

從表3數據可以看出，此工況與全區域進液相比，各槽的平均流量同樣保持基本一致，不均勻度較全區域進液工況均有所增大，整體孔口流量的Mf值也略微增大，但增大幅度均很小。可見在靜止工況下，2/3區域進液對再分布器的流量均布效果影響較小。

3.3 1/3區域進液工況

與2/3區域進液類似，1/3區域進液也是給再分布器進行局部均勻進液，各槽上的孔口流量分布如圖11所示。

從圖11可以看出，與全區域進液的工況相比，此工況下各孔口的流量波動情況也有所增加，與2/3區域進液的情況類似，總體上仍保持較高的分布質量。因此1/3區域進液工況給槽盤式再分布器各槽孔口流量帶來的影響仍較小。各個槽孔口流量的平均值和不均勻度如表4所示。

從表4數據可以看出，此工況下各槽孔口平均流量之間的差別很小，孔口流量的不均勻度較全區域進液工況有所增大，但同樣維持在0.03左右。從整體分布質量上比較，全區域進液情況優于2/3區域進液情況及1/3區域進液情況，但是3組工況間的差異很小。

綜上可知，在靜止工況下，即使進液出現較為極端的2/3區域進液或者1/3區域進液的情況，由于槽盤式再分布器的水平度較高，內部連通性較好，液體能迅速形成穩定且高度一致的液位，所以液體均布性保持較好，即靜止工況下槽盤式再分布器對偏流進液的再均布效果較好，且與偏流程度基本無關。同時，下文晃動工況下的進液條件僅選取全區域進液工況和2/3區域進液工況。

4 晃動工況下的性能分析

4.1 橫搖工況

4.1.1 全區域進液工況

橫搖5°全區域進液情況下各槽上孔口在1/4晃動周期內的平均流量分布如圖12所示。

在此工況下，由于再分布器向編號較小的孔口一側傾斜，內部液位隨之發生傾斜，圖13顯示的是再分布器傾斜到最大角度時的內部液位分布情況。傾斜的液位導致加載到各排孔口上的液體壓頭不同，各孔口的流量也產生較大差別。從圖12中可以看出，各槽上的孔口流量分布規律基本一致，以2號槽為例，處于晃動較低位置的1～4號孔口流量較大，處于晃動較高位置的5～8號孔口流量較小，并且高低位置處孔口的平均流量差異較大。

圖11 靜止1/3區域進液工況下的孔口流量分布柱狀圖

表4 靜止1/3區域進液工況下各槽孔口的流量平均值和不均勻度值表

圖12 橫搖5°全區域進液工況下的孔口流量分布柱狀圖

從圖13中可以看出，隨著晃動的進行，特別是在橫搖到最大角度時，再分布器內部液位發生明顯偏移，在晃動過程中處于較高位置處底板上的液位逐漸降低，這部分區域內的孔口流量逐漸減小直至無液體流出，因此大幅度降低了再分布器整體的均布質量。各個槽上孔口流量的平均值和不均勻度如表5所示。

從表5中數據可以看出，雖然每個槽上孔口的平均流量基本相同，但是由于每一排上各孔口之間的流量存在較大差異，使得每個槽上的孔口流量不均勻度和整體的孔口流量不均勻度數值較大，基本上都在0.5～0.6之間，與靜止工況下的不均勻度相比，數值增大了一個數量級，分布質量下降了一個等級。

4.1.2 2/3區域進液工況

橫搖5°2/3區域進液情況下各槽上孔口在1/4晃動周期內的平均流量分布如圖14所示。

圖13 橫搖5°全區域進液工況下再分布器液位分布圖

表5 橫搖5°全區域進液工況下各槽孔口流量平均值和不均勻度值表

圖14 橫搖5°2/3區域進液工況下的孔口流量分布柱狀圖

從圖14中可以看出，此工況下的各孔口流量分布與全區域進液下的流量分布規律是相似的，區別在于此工況下各槽上1號孔口的流量更大，8號孔口的流量更小，各個槽的左右側孔口流量差異更大。主要是由于橫搖帶來的液位傾斜造成的，區域偏流帶來的影響效果不明顯。各個槽孔口流量的平均值和不均勻度如表6所示。

從表6數據可以看出，與橫搖5°全區域進液的情況類似，此工況下各槽孔口的平均流量基本一致，都在50 mL/s左右。但是各槽孔口流量的不均勻度和整體不均勻度較大，基本都在0.6左右，比全區域進液情況更惡劣，但是下降的程度與橫搖本身帶來的影響程度相比明顯要小。可見橫搖工況下槽盤式氣液再分布器分布質量下降的原因主要是液面傾斜，偏流程度帶來的影響效果較小。

4.2 縱搖工況

4.2.1 全區域進液工況

縱搖5°全區域進液情況下各槽上孔口在1/4晃動周期內的平均流量分布如圖15所示。

如圖15所示，由于縱搖運動，氣液再分布器向槽編號較小的一側傾斜，造成1、2、3號槽附近的液位較高，孔口流量也相應變大；4、5、6號槽附近的液位較低，孔口流量也相應變小。槽內液位如圖16所示，液位高度的變化導致各排孔口流量產生差異。從圖16中可以明顯看出，1號和6號槽的平均流量差距最大，2號槽和5號槽次之，3號槽和4號槽最小，各排槽上孔口之間的流量波動情況較靜止工況下也有所增大。

各個槽孔口流量的平均值和不均勻度如表7所示。

從表7數據可以看出，與橫搖工況不同，縱搖工況帶來的影響主要表現在各排槽上孔口流量的平均值之間產生較大差異，但是每排槽上孔口流量的不均勻度較小，大多在0.04以下。由于各槽孔口平均流量之間存在較大差異，縱搖工況下整體的不均勻度達到0.373 6，與橫搖工況下整體的不均勻度0.599 1相比，雖然分布效果受影響的程度更小，但是與靜止工況相比仍然提高了一個數量級。

表6 橫搖5°2/3區域進液工況下各槽孔口流量平均值和不均勻度值表

圖15 縱搖5°全區域進液工況下的孔口流量分布柱狀圖

圖16 縱搖5°全區域進液工況下再分布器液位分布圖

表7 縱搖5°全區域進液工況下各槽孔口流量平均值和不均勻度值表

4.2.2 2/3區域進液工況

縱搖5°2/3區域進液情況下各槽上孔口在1/4晃動周期內的平均流量分布如圖17所示。

此工況下，各槽孔口流量的分布規律同縱搖全區域進液工況類似，主要表現為各槽孔口平均流量之間的差異較大，而2/3區域進液的邊界條件未帶來較為明顯的影響效果。各個槽孔口流量的平均值和不均勻度如表8所示。

表8中數據同樣顯示出，在此工況下，各槽孔口流量的不均勻度維持在同一個數量級，但是整體流量的不均勻度到達了0.375 2，與縱搖全區域進液工況下的整體流量不均勻度基本相同。可見，區域偏流在縱搖工況中的影響程度同樣很小。

圖17 縱搖5°2/3區域進液工況下的孔口流量分布柱狀圖

表8 縱搖5°2/3區域進液工況下各槽孔口流量平均值和不均勻度值表

5 結論

1）靜止工況下，由于傳統的槽盤式再分布器在結構設計上滿足噴淋點足夠多、噴淋點位置均布的要求，并且水平條件下的再分布器內部液位保持一致，因此各噴淋點的出液量基本保持相同，整體孔口流量的不均勻度數值在10－2數量級上，均布性很好。

2）靜止、橫搖和縱搖工況下，進液偏流程度的改變對槽盤式再分布器均布效果的影響程度很小，橫搖5°和縱搖5°時，全區域進液和極端的2/3區域進液情況下的整體孔口流量不均勻度差值在5%以內，基本可以忽略，再分布器均布效果下降的主要原因是液體偏移造成的液位高低差異。

3）橫搖5°工況下槽盤式再分布器的整體孔口流量不均勻度增大至0.5以上，縱搖5°工況下增大至0.3以上。晃動5°工況下，無論全區域均勻進液還是偏流進液，槽盤式再分布器出口均布效果均較差，受海上工況影響較大。

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