板翅式換熱器在FLNG領域的研究進展

吳梓杰，翁梅

(上海海事大學 商船學院,上海 201306)

近年來，由于全球能源需求增加和化石燃料消耗的減少，近海天然氣油田的高效利用引起了廣泛關注。然而，天然氣的液化、儲存和運輸成為了近海天然氣利用的重要阻礙因素。浮式液化天然氣(LNG floating production storage and offloading unit，簡稱FLNG)平臺作為浮動生產儲存卸載的平臺之一，已應用于海上天然氣的生產、儲存和卸載。天然氣液化是FLNG中的最重要的一個環節，天然氣經液化后儲存在FLNG中。換熱器是天然氣液化過程中的核心設備，板翅換熱器(PFHE)由于其高效率、結構緊湊、成本低等優良特性被用作天然氣換熱過程的主換熱器，在FLNG的天然氣液化工藝中得到了廣泛應用。

1 浮式液化天然氣平臺

天然氣作為一種高熱值，低污染的清潔能源，在近幾十年得到迅速的發展。液化天然氣作為天然氣的一種，提供了一種經濟上可行的長距離運輸天然氣的方式。除了常規的遠洋運輸，近年來近海天然氣油田的開發也引起了廣泛關注。浮式天然氣平臺(FLNG)作為一種開采近海天然氣的浮動生產儲存卸載平臺，其主要生產流程見圖1[1-2]。在FLNG中，天然氣從海底開采后，依次經過預處理、液化、儲存三個流程后經LNG船外輸。

圖1 FLNG主要生產流程Fig.1 The main production process of FLNG

2 FLNG板翅式換熱器研究現狀

在FLNG中，開采后的天然氣要經過液化，這就需要大型低溫換熱器[3]。天然氣液化工藝是FLNG的核心工藝[4]，在FLNG上運行的換熱器除了要克服低溫條件外，還需要考慮因臺風、晃動、腐蝕、空間限制等因素所帶來的一系列問題。板翅式換熱器作為目前FLNG液化工藝中使用的兩種主換熱器之一，具有高效率、結構緊湊、成本低等優點[5]，在天然氣液化工藝中得到了廣泛使用。板翅式換熱器由入口管、封頭、導流片、隔板、翅片、封條等部分組成，在相鄰兩隔板間放置翅片、導流片以及封條等形成通道，多個通道根據流體具體流動方式的需要堆疊釬焊成板束，實現多股流體間的高效換熱[6]。目前針對板翅式換熱器的研究目前集中在以下四個方面：翅片的優化設計、流道內傳熱和流動研究、封頭設計的優化和換熱器工藝技術的改良[7]。鑒于PFHE在FLNG領域上廣泛的應用，為了在近海天然氣油田勘探領域更有效地利用PFHE，優化換熱器設計，設計更高效的PFHE十分必要。同時對PFHE在低溫、海洋工作條件下的應力和換熱性能研究也顯得尤為關鍵[8]。

2.1 晃動對PFHE換熱性能的影響

與陸地上工作條件不同，在海洋作業條件下，波浪所帶來的晃動會對FLNG上板翅式換熱器的換熱性能產生影響，不少學者針對這個問題進行了實驗和仿真研究。

Li等[9]對海洋工作條件下PFHE偏置條形翅片通道內的流體流動傳熱特性進行了實驗研究。結果表明，隨著蒸汽質量的增加，換熱系數的相對波動幅度和晃動時間平均因子先增大后減小，在蒸汽質量為0.6時出現最大值。隨著質量流量的增加，換熱器的相對波動幅度減小，同時晃動時間平均因子增大。隨著晃動周期的縮短和晃動幅度的增大，相對波動幅度和晃動時間平均因子均減小。李秋英等[10]采用FLUENT軟件對海洋工作條件下PFHE的換熱性能進行了模擬。結果表明，優化后的PFHE具有比優化之前更好的晃動阻力和更佳的換熱性能。王皓顯等[11]為了探明海洋工作條件對PFHE換熱性能的影響機理，在FLUENT軟件中進行了模擬，分析了不同干度條件下晃動幅度和晃動頻率對傳熱性能的影響。研究結果顯示，換熱器傳熱性能受晃動幅度和頻率的影響較大，其中傳熱系數隨晃動幅度的增大而增大，而傳熱系數隨晃動幅度的增加而減小。并且隨著干度的增大，晃動對換熱器性能的影響呈現一個先惡化后加強的變化趨勢。Cheng等[12]對海洋條件下狹窄航道中流體的傳熱特性進行了實驗研究。結果表明，換熱器內部質量流量隨橫搖運動產生波動，質量流量的波動強度隨橫搖振幅和橫搖頻率的增大而增大。此外，建立了一種新的關聯式來預測搖擺運動條件下流動的瞬時換熱特性。

2.2 PFHE封頭流量分配特性的影響

海洋作業條件會對板翅式換熱器封頭內的流量分配特性產生影響，這可通過改進封頭結構進行消除。

Zhu等[13]搭建了實驗系統，模擬了PFHE在海洋作業條件下PFHE封頭內的流量分配特性，同時研究了氣液比、傾角和晃動對氣液分布的影響。結果表明，氣液比和傾角越大，氣液分布越不均勻。相對于傾斜工況，水流分布特性對換熱器的晃動具有更高的敏感性。Tu等[14]對PFHE封頭內的兩相流分布進行了實驗研究。使用 PIV/PTV/LIF 等光學方法測量液體和氣體流速，并提出通過加裝多孔擋板或改變入口噴嘴結構來解決流體的均勻分配問題。結果表明，帶擴散器的葉片式旋流器增強了液相和氣相流體的流量分配。Li等[15]為解決FLNG存在的海洋晃動所導致的氣體和液體的分配不均，提出了一種新的PFHE入口結構，并使用FLUENT軟件對穩定狀態和晃動運動兩種條件進行數值模擬。結果表明，提出的新的入口結構的有效性得到了確認，新設計可顯著改善入口氣液分布的均勻性并且增加換熱器的晃動阻力。吳靜瑋等[16]利用了FLUENT軟件分析了橫搖和橫蕩情況下PFHE封頭流體分配特性。結果表明，橫搖和橫蕩工況對液相甲烷的分配不均勻度的影響程度較氣相高，同時晃動工況的幅度、角度和周期等參數持續增加超過一定范圍時，可提高原有的流體分配不均勻度，在給定工況下，流體分配不均勻度從0.668 1提高到1.165 7。 Zheng等[17]建立了一個實驗性的氣體液體分配系統，以空氣和水為介質，研究在晃動條件下PFHE封頭內的流體分布特征。結果表明，在晃動條件下，兩相混合物的不均勻性隨晃動幅度的增大而增大，隨晃動周期的增加而減小。而兩相混合物的不均勻性隨晃動幅度的增大而增大，并在穩態的基礎上增加1.25%～18.03%。在穩定條件下，混合晃動條件下兩相均勻性的變化范圍為14.8%～27.9%。Zheng等[18]搭建了氣液兩相分布實驗臺，以空氣和水為介質，在晃動條件下，研究了注液密封封頭在PFHE中的流體分布特性。結果表明，隨著蒸汽質量的提高，封頭內的氣體分配性能比液體分配性能發生了更大的變化，同時低蒸汽質量情況下的液體分配性能強烈地依賴于晃動條件。除此之外，隨著質量流量的增加，注液密封封頭中的氣液兩相分布性能增強，其晃動阻力也隨之增大。Yuan等[19]提出了一種新型PFHE入口封頭結構，其主要特點是在封頭之前，氣體和液體分別進入封頭，并在軟件中使用空氣-水混合物進行了模擬。結果表明，與傳統的封頭結構相比，所提出的入口結構可以顯著改善PFHE的流量分布。

2.3 換熱器熱應力的研究

板翅式結構作為PFHE的關鍵部件，在低溫工作環境下，若設計不合理，會引起嚴重的應力集中和熱沖擊。為保證板翅式結構的結構安全，也有不少學者針對FLNG板翅式換熱器的熱應力問題作出了研究。

Ma等[20-21]建立了LNG換熱器降溫過程中板翅式結構的應力特性模擬模型。模擬結果表明，等效應力在釬焊接頭處迅速變化并達到峰值，在冷卻過程中在該區域產生裂紋。板翅式結構等效應力受峰值溫度受變化速率的影響較小。Cho等[22]針對應用在低溫領域的PFHE，提出了一種遺傳算法(GA)以在設計條件下獲得高效的熱層堆積模型，同時降低了異常條件下的熱應力。結果表明，與常規方法相比，考慮異常工況的遺傳算法最終改善了23%。這一結果降低了非正常狀態下的熱應力風險，并在正常狀態下提供了更好的傳熱性能。Ma等[23]提出了一種模擬LNG換熱器實際運行過程中板翅式結構應力的模型。研究了不同操作參數對板翅式結構應力的影響。結果表明，在靠近翅片一側的釬焊接頭處能夠得到最大的應力，在該區域內將首先產生裂紋。等效應力峰值隨天然氣(NG)和混合制冷劑(MR)換熱溫差的增大而逐漸增大，而受天然氣在換熱器內進出口溫差的影響較小。Ma等[24]基于有限元方法和熱彈性理論，研究了結構參數對板翅式結構應力的影響。結果表明，對應用在LNG領域PFHE的實際運行過程中，釬焊接頭處的應力比較復雜，在靠近翅片的釬焊接頭處等效應力會達到峰值。同時，板翅片結構的等效應力峰值受翅片高度和板厚的影響較小，而受釬縫厚度、翅片厚度和翅片間距的影響較大。

2.4 翅片設計的優化研究

翅片結構對PFHE的傳熱性能有著顯著的影響，廣泛的研究集中在翅片的優化研究上。

Wen等[25]基于流體結構相互作用(FSI)分析，對PFHE內對鋸齒形翅片對流體流動和傳熱的影響進行了數值研究。對翅片高度、翅片間距、翅片厚度和翅片間斷長對傳熱、流動阻力的影響以及二階相互作用進行了定量和徹底的評估。結果表明，傳熱對翅片間斷長度最敏感，而流動阻力和最大應力受翅片厚度的影響最大。Hu等[26]為了對低溫系統中的PFHE進行優化，對PFHE中高效耐壓偏置條形翅片的兩相流沸騰傳熱特性進行了實驗研究。研究結果表明，隨著蒸汽含量的提高，傳熱系數最初增加后下降，最大蒸汽含量為0.75～0.85。氣泡-環狀轉變和環狀-霧狀轉變的臨界條件分別對應于0.92和0.985的空泡率。并根據研究和文獻中的實驗數據，建立了偏置條形翅片通道內流動沸騰兩相換熱系數的新關聯式。Li等[27]搭建了低溫實驗臺，以獲得實驗中PFHE在兩相壓降下的實驗數據。研究結果表明，流道內的氣流摩擦因子隨著翅片厚度的增加而增加，當翅片厚度從0.1 mm增加到0.4 mm，氣流摩擦因子增加幅度為306%～451%。兩相壓降的兩相倍增系數在3～35之間變化，并隨著翅片厚度和水力直徑的降低而增加。Li等[28]通過多目標遺傳算法(MOGA)對低溫條件下 PFHE的鋸齒翅片進行了綜合優化。研究結果表明，優化后的翅片比原始結構具有更好的換熱性能和更低的熱應力。

3 結論

根據前述研究，針對PFHE在近海和兩相條件下的流量分配和傳熱特性研究也逐漸增多。此外，由于PFHE涉及的設計變量眾多，經典的優化算法在這種情況下并不適用，未來很可能會越來越多地采用進化算法進行優化設計。我國南海海域蘊藏著豐富的油氣資源，隨著國內LNG需求量的不斷增加，近海天然氣油田的開采勢在必行。根據近海天然氣油田的生產狀況靈活配置FLNG將大大促進對近海天然氣油田的開發，與此同時國內在PFHE相關技術上的研究瓶頸和更優設計也亟待突破。