【HETA】FLNG 换热器的设计方法与应用

“亚洲FPSO&FLNG大会2016“(亚洲FPSO&FLNG Asia 2016”于2016年10月20-21在上海豫园万丽酒店举行。联盟理事长丁国良教授应邀做了全体大会报告。报告的题目为“中国FLNG 换热器的先进设计方法与创新应用”。

丁国良教授向来自世界各国的参会者,介绍了上海交通大学与中海油气电集团合作,在国家自然科学基金、863计划、工信部、上海市科委等支持下,在液化天然气换热器领域取得的研究与应用进展。主要内容包括:

绕管式换热器的仿真与优化设计软件开发

绕管式换热器传动与传热特性的实验方法

管壳式海水换热器仿真与优化设计软件开发

管壳式海水换热器流动与传热特性实验方案

印刷板路换热器的开发与应用

总结

一、绕管式换热器的仿真与优化设计软件开发

1、研究背景。

为了保证海上绕管式换热器的正常运行,需要对复杂海况下的绕管式换热器进行针对性设计。因此,一般情况首选绕管式换热器——大型浮式LNG生产储卸平台(LNG-FPSO)首选主低温换热器。

海上平台受海风浪影响发生晃荡

2、绕管式换热器仿真模块的模型与算法

任意流程布置

有向图

计算机可以存储和访问的邻接矩阵

3、绕管式换热器仿真与设计软件的界面开发

主界面:软件界面包含以下几个部分。

基本设置(单位设置)对话框、仿真模块对话框和设计模块对话框。

输入对话框

“优化目标选择”对话框

“结构参数设置”对话框

“待优化结构参数限制”对话框

“管程进出口工况参数”对话框

“壳程进出口工况参数”对话框

“Input Summary”对话框

输出对话框

“优化结果筛选”对话框

“各级结构参数优化结果”对话框

“各层结构参数优化结果”对话框

3D图形界面的人机交互


二、绕管式换热器传动与传热特性的实验方案

1、总体目标:

通过实验研究,得出绕管式换热器壳侧流动分布特性规律及流型转变的判据,并针对天然气液化工艺的工况范围开展传热和压降实验,开发关联式,使绕管式换热器仿真和设计软件的精度提高。

目标一:建立壳侧流动传热实验装置;

目标二:得出壳侧流体流型变化及流动分布特性模型;

目标三:开发壳侧流体传热压降关联式;

目标四:用于设计软件精度提高

2、实验内容

3、防爆实验区

三、管壳式海水换热器的仿真与优化设计软件开发

1、背景。

大型管壳式海水冷凝器在FLNG系统中应用潜力巨大。

但存在一些问题:

大型管壳式换热器冷凝不均匀

冷凝过程的流动与换热特性复杂

缺乏成熟设计经验

这导致了设计失效。

2、软件开发的技术路线及总体框架——功能设计

3、管壳式换热器仿真软件界设计 ——对话框搭建

软件界面包含以下几个部分:

4、管壳式换热器仿真软件界面开发——热力参数

5、管壳式换热器仿真软件界面开发 ——结构参数


6、管壳式换热器仿真软件界面开发——主要部件

7、管壳式换热器仿真软件界面开发——运算结果

水侧/冷剂侧

可显示参数

水侧

换热系数、温度

冷剂侧

换热系数、温度、压力、干度

总体

换热系数

四、管壳式海水换热器流动与传热特性的实验方案

1、研究总体目标:

通过实验研究,得出海水作为预冷介质时混合介质流型规律及其流型转变的判据,建立传热和压降的关联式,并用到设计软件中去,使大型海水-混合介质壳管式换热器仿真和设计软件的误差控制到20%以内。

目标一:流动传热实验的装置一套

目标二:得出海水作为冷却介质时壳侧流型判定准则;得到壳侧传热的关联式;得到壳侧压降的关联式

目标三:误差小于的设计软件

 2、研究内容:

通过设计可视化管壳式换热器测试段,通过高速摄像机拍摄壳侧的流型,分析流型的均匀性,建立换热器结构及工况对流型和流场均匀性影响的理论模型。

壳侧两相混合制冷剂流动冷凝的流型及流场均匀性研究

3、实验装置(主实验台模块)

五、印刷板路换热器的开发与应用

1、PCHE换热器背景

印刷电路板式换热器(PCHE)是一种传热性能优良、高效率的紧凑式换热器。PCHE 的流体通道是在金属板上采用化学刻蚀工艺形成的,传统的通道截面形状为 1~2 mm 的半圆,不同的板块之间通过扩散粘合叠置在一起组装成该换热器芯体。

流道

2、上海交大PCHE试制

3、流道加工

对于流道的机械加工方法,交大申请了有关专利:机械镂穿的印刷电路板式换热器芯部。

4、薄板压合、对齐

为了使各层薄板几乎做到绝对对其、压合以提高平整度。交大自行研发制造了工装,并申请了相关专利:一种用于印刷电路板式换热器激光焊接的工装

六、

总结 

技术创新一:适用于天然气混合工质的快速物性计算模型

1)快速   2)可逆  3)不发散  4)精度高

技术创新二:适用于LNG绕管式换热器的仿真与优化设计软件

1)精度高于集中参数模型和分段模型  2)体现螺旋直径的影响

技术创新三:管壳式海水换热器的仿真与优化设计软件

1)适用于多种LNG工质和不同海域的海水 2)既可设计,也可校核

技术创新四:提出了绕管式换热器流动与传热特性的实验方案

技术创新五:管壳式海水换热器流动与传热特性的实验方案

技术创新六:新型PCHE换热器的设计与制造

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