液化天然氣冷箱并聯(lián)配管的介質(zhì)分配機理及流量均勻分配策略研究.pdf

1、天然氣液化流程中大型冷箱內(nèi)的多個換熱單元間為并聯(lián)裝配，并聯(lián)換熱單元間介質(zhì)流量的分配不均可導(dǎo)致嚴(yán)重后果:輕度不均導(dǎo)致?lián)Q熱效率和經(jīng)濟(jì)性降低;嚴(yán)重不均導(dǎo)致?lián)Q熱器局部流體通道堵塞或蒸干過程中局部溫度迅速變化，結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力并損壞內(nèi)部構(gòu)件。本文研究了液化天然氣冷箱內(nèi)由于配管系統(tǒng)造成的介質(zhì)流動不均現(xiàn)象的物理機制、影響因素和優(yōu)化方案，從配管系統(tǒng)內(nèi)單相流體介質(zhì)分流和匯流管路的流量分配不均，兩相介質(zhì)均相流動時分流管路的流量分配不均，兩相介質(zhì)在T型管內(nèi)流

2、動時的成分分布不均和兩相介質(zhì)在T型管與分流管路中環(huán)狀及層狀流動時的分配不均等方面進(jìn)行了研究，獲得了流量分配基本規(guī)律和均配優(yōu)化方案。
　　根據(jù)板翅式天然氣冷箱的結(jié)構(gòu)特征和液化工藝過程不同階段流體的相態(tài)和流型，將液化冷箱中天然氣的流動過程分解為單相流體的并聯(lián)分流及匯流、霧狀兩相流的并聯(lián)分流、霧狀兩相流在T型管內(nèi)的組分分離和分配、環(huán)狀兩相流在T型管內(nèi)的組分分離和分配、環(huán)狀兩相流的并聯(lián)分流等五個典型過程，分別對這五個典型過程中導(dǎo)致流量分配

3、不均的物理機制和分配特性進(jìn)行了研究，獲得了天然氣液化冷箱中并聯(lián)換熱單元間介質(zhì)流量分配的主要影響因素和優(yōu)化策略。
　　模擬研究了單相和霧狀兩相流在并聯(lián)分流支管間的流量分配特性，研究發(fā)現(xiàn)單相和霧狀流狀態(tài)下直角T型聯(lián)結(jié)的并聯(lián)分流管路系統(tǒng)中，沿母管流動方向上，靜壓逐漸增大，動壓逐漸降低，全壓稍許降低;同時母管流動方向上游的分支管直角T型聯(lián)結(jié)入口附近產(chǎn)生了較大的回流漩渦，下游支管中的漩渦區(qū)域和強度較小，所在支管形成的流動阻力降低。由于管段流

4、量由管段兩端的壓差和管段內(nèi)的流動阻力決定，故下游分支管出口流量比逐漸增大。因此各分支管的壓降和通道內(nèi)部阻力系數(shù)不一致是導(dǎo)致直角T型連結(jié)并聯(lián)分流管路系統(tǒng)支管流量分配不均勻的直接原因，是導(dǎo)致冷箱中并聯(lián)單元間流量分配不均的流體力學(xué)機理。
　　模擬研究了液化天然氣流經(jīng)直角T型聯(lián)結(jié)和彎管過渡并聯(lián)匯流管路內(nèi)的流動特性和分配均勻性。隨著母管內(nèi)的質(zhì)量流量逐漸增大，匯流系統(tǒng)母管軸線上的動壓值沿流動方向增大，靜壓值逐漸降低。支管內(nèi)的壓降較低，各支管的

5、流動阻力特性系數(shù)基本一致，各支管間流量不均勻性主要由壓降變化導(dǎo)致，漩渦導(dǎo)致的阻力損失主要發(fā)生在母管內(nèi)。
　　優(yōu)化了分流和匯流管路的母支管聯(lián)結(jié)型式，將母管和支管聯(lián)結(jié)設(shè)計成彎管過渡結(jié)構(gòu)后，各分流支管進(jìn)出口的壓降與阻力特性系數(shù)降低到基本一致的程度，提高了支管流量均勻性，降低了整個管路系統(tǒng)的壓力損失。匯管系統(tǒng)彎管內(nèi)的流動速度矢量變化較大，致使支管內(nèi)的阻力損失大于直角T型聯(lián)結(jié)的支管結(jié)構(gòu)，同時母管內(nèi)的阻力損失降低，并降低了整個配管系統(tǒng)的阻力損

6、失，有利于流量均配。
　　研究了兩相霧狀流在T型管分流過程中形成的相成分分離和液相流量分布不均現(xiàn)象，直角T型聯(lián)結(jié)分支管入口回流區(qū)造成低濃度環(huán)狀區(qū)域，造成分支管下部區(qū)域液相含量近似平行分層分布，濃度不均勻與流量不均勻的標(biāo)準(zhǔn)方差約在0.1至0.4之間。母管和直支管交接段左側(cè)區(qū)域氣相流動速度矢量改變過大，造成明顯的氣液兩相速度差，致使液相緩沖到下支管右側(cè)后靠右分布明顯，從而導(dǎo)致氣液兩相組分分離。分離規(guī)律總體表現(xiàn)為液相濃度與流量均勻性均隨

7、速度與液相粒徑的增大而降低。使用全彎與半彎過渡聯(lián)結(jié)替代母管與支管間的直角T型結(jié)構(gòu)，可消除下支管左側(cè)回流區(qū)，增大母管和支管間的流動面積，降低了氣液兩相流動速度，有利于流動和組分均勻分配。
　　研究了液相含量占比變化時，兩相霧狀流在多個出口支管的配管系統(tǒng)時流量分配和兩相間質(zhì)量分配規(guī)律。發(fā)現(xiàn)兩相介質(zhì)的流量分配規(guī)律和單相流體介質(zhì)相同，流速和兩相流密度增大后動能增加，造成直角T型聯(lián)結(jié)的上游出口流量降低、下游出口流量增大，最終導(dǎo)致均勻性降低，

8、彎管過渡相比直角T型聯(lián)結(jié)的總流量不均勻性指數(shù)明顯降低。
　　研究發(fā)現(xiàn)配管各支管出口的兩相流液相含量基本保持不變，表明各支管間的總流量分配和單個支管內(nèi)部相間質(zhì)量成分分布之間的關(guān)聯(lián)性不強，可將配管內(nèi)兩相流動問題分解為多出口配管流量問題和單出口內(nèi)部的相成分問題分別進(jìn)行研究。
　　實驗研究了環(huán)狀兩相流介質(zhì)在T型管和多支路分流配管內(nèi)的主要流動特征和分配規(guī)律，分析了天然氣液化過程中兩相混合物的流動特征。實驗結(jié)果表明，單個T型管內(nèi)氣相等流

9、量比分配時，母管和支管的采出流量隨著進(jìn)口液相流量而基本成線性變化，氣相流量一定時支管液相采出分率隨著氣相采出分率的增加而增大。入口氣相流量增大導(dǎo)致T型管內(nèi)母管出口液相分配流量逐漸增大，支管液相流量先增大后降低。
　　在母管和支管之間采用彎管或半彎管過渡時，在降低流動阻力、實現(xiàn)兩相和單相流體介質(zhì)在多個支管內(nèi)的分流及匯流均配、對單個支管內(nèi)部的兩相組分和流量均布均有明顯的改善效果，可作為解決天然氣液化冷箱內(nèi)并聯(lián)換熱單元間的流量分配不均的