吴梓杰，翁梅
(上海海事大学 商船学院,上海 201306)
近年来，由于全球能源需求增加和化石燃料消耗的减少，近海天然气油田的高效利用引起了广泛关注。然而，天然气的液化、储存和运输成为了近海天然气利用的重要阻碍因素。浮式液化天然气(LNG floating production storage and offloading unit，简称FLNG)平台作为浮动生产储存卸载的平台之一，已应用于海上天然气的生产、储存和卸载。天然气液化是FLNG中的最重要的一个环节，天然气经液化后储存在FLNG中。换热器是天然气液化过程中的核心设备，板翅换热器(PFHE)由于其高效率、结构紧凑、成本低等优良特性被用作天然气换热过程的主换热器，在FLNG的天然气液化工艺中得到了广泛应用。
天然气作为一种高热值，低污染的清洁能源，在近几十年得到迅速的发展。液化天然气作为天然气的一种，提供了一种经济上可行的长距离运输天然气的方式。除了常规的远洋运输，近年来近海天然气油田的开发也引起了广泛关注。浮式天然气平台(FLNG)作为一种开采近海天然气的浮动生产储存卸载平台，其主要生产流程见图1[1-2]。在FLNG中，天然气从海底开采后，依次经过预处理、液化、储存三个流程后经LNG船外输。
图1 FLNG主要生产流程Fig.1 The main production process of FLNG
在FLNG中，开采后的天然气要经过液化，这就需要大型低温换热器[3]。天然气液化工艺是FLNG的核心工艺[4]，在FLNG上运行的换热器除了要克服低温条件外，还需要考虑因台风、晃动、腐蚀、空间限制等因素所带来的一系列问题。板翅式换热器作为目前FLNG液化工艺中使用的两种主换热器之一，具有高效率、结构紧凑、成本低等优点[5]，在天然气液化工艺中得到了广泛使用。板翅式换热器由入口管、封头、导流片、隔板、翅片、封条等部分组成，在相邻两隔板间放置翅片、导流片以及封条等形成通道，多个通道根据流体具体流动方式的需要堆叠钎焊成板束，实现多股流体间的高效换热[6]。目前针对板翅式换热器的研究目前集中在以下四个方面：翅片的优化设计、流道内传热和流动研究、封头设计的优化和换热器工艺技术的改良[7]。鉴于PFHE在FLNG领域上广泛的应用，为了在近海天然气油田勘探领域更有效地利用PFHE，优化换热器设计，设计更高效的PFHE十分必要。同时对PFHE在低温、海洋工作条件下的应力和换热性能研究也显得尤为关键[8]。
2.1 晃动对PFHE换热性能的影响
与陆地上工作条件不同，在海洋作业条件下，波浪所带来的晃动会对FLNG上板翅式换热器的换热性能产生影响，不少学者针对这个问题进行了实验和仿真研究。
Li等[9]对海洋工作条件下PFHE偏置条形翅片通道内的流体流动传热特性进行了实验研究。结果表明，随着蒸汽质量的增加，换热系数的相对波动幅度和晃动时间平均因子先增大后减小，在蒸汽质量为0.6时出现最大值。随着质量流量的增加，换热器的相对波动幅度减小，同时晃动时间平均因子增大。随着晃动周期的缩短和晃动幅度的增大，相对波动幅度和晃动时间平均因子均减小。李秋英等[10]采用FLUENT软件对海洋工作条件下PFHE的换热性能进行了模拟。结果表明，优化后的PFHE具有比优化之前更好的晃动阻力和更佳的换热性能。王皓显等[11]为了探明海洋工作条件对PFHE换热性能的影响机理，在FLUENT软件中进行了模拟，分析了不同干度条件下晃动幅度和晃动频率对传热性能的影响。研究结果显示，换热器传热性能受晃动幅度和频率的影响较大，其中传热系数随晃动幅度的增大而增大，而传热系数随晃动幅度的增加而减小。并且随着干度的增大，晃动对换热器性能的影响呈现一个先恶化后加强的变化趋势。Cheng等[12]对海洋条件下狭窄航道中流体的传热特性进行了实验研究。结果表明，换热器内部质量流量随横摇运动产生波动，质量流量的波动强度随横摇振幅和横摇频率的增大而增大。此外，建立了一种新的关联式来预测摇摆运动条件下流动的瞬时换热特性。
2.2 PFHE封头流量分配特性的影响
海洋作业条件会对板翅式换热器封头内的流量分配特性产生影响，这可通过改进封头结构进行消除。
Zhu等[13]搭建了实验系统，模拟了PFHE在海洋作业条件下PFHE封头内的流量分配特性，同时研究了气液比、倾角和晃动对气液分布的影响。结果表明，气液比和倾角越大，气液分布越不均匀。相对于倾斜工况，水流分布特性对换热器的晃动具有更高的敏感性。Tu等[14]对PFHE封头内的两相流分布进行了实验研究。使用 PIV/PTV/LIF 等光学方法测量液体和气体流速，并提出通过加装多孔挡板或改变入口喷嘴结构来解决流体的均匀分配问题。结果表明，带扩散器的叶片式旋流器增强了液相和气相流体的流量分配。Li等[15]为解决FLNG存在的海洋晃动所导致的气体和液体的分配不均，提出了一种新的PFHE入口结构，并使用FLUENT软件对稳定状态和晃动运动两种条件进行数值模拟。结果表明，提出的新的入口结构的有效性得到了确认，新设计可显著改善入口气液分布的均匀性并且增加换热器的晃动阻力。吴静玮等[16]利用了FLUENT软件分析了横摇和横荡情况下PFHE封头流体分配特性。结果表明，横摇和横荡工况对液相甲烷的分配不均匀度的影响程度较气相高，同时晃动工况的幅度、角度和周期等参数持续增加超过一定范围时，可提高原有的流体分配不均匀度，在给定工况下，流体分配不均匀度从0.668 1提高到1.165 7。
Zheng等[17]建立了一个实验性的气体液体分配系统，以空气和水为介质，研究在晃动条件下PFHE封头内的流体分布特征。结果表明，在晃动条件下，两相混合物的不均匀性随晃动幅度的增大而增大，随晃动周期的增加而减小。而两相混合物的不均匀性随晃动幅度的增大而增大，并在稳态的基础上增加1.25%～18.03%。在稳定条件下，混合晃动条件下两相均匀性的变化范围为14.8%～27.9%。Zheng等[18]搭建了气液两相分布实验台，以空气和水为介质，在晃动条件下，研究了注液密封封头在PFHE中的流体分布特性。结果表明，随着蒸汽质量的提高，封头内的气体分配性能比液体分配性能发生了更大的变化，同时低蒸汽质量情况下的液体分配性能强烈地依赖于晃动条件。除此之外，随着质量流量的增加，注液密封封头中的气液两相分布性能增强，其晃动阻力也随之增大。Yuan等[19]提出了一种新型PFHE入口封头结构，其主要特点是在封头之前，气体和液体分别进入封头，并在软件中使用空气-水混合物进行了模拟。结果表明，与传统的封头结构相比，所提出的入口结构可以显着改善PFHE的流量分布。
2.3 换热器热应力的研究
板翅式结构作为PFHE的关键部件，在低温工作环境下，若设计不合理，会引起严重的应力集中和热冲击。为保证板翅式结构的结构安全，也有不少学者针对FLNG板翅式换热器的热应力问题作出了研究。
Ma等[20-21]建立了LNG换热器降温过程中板翅式结构的应力特性模拟模型。模拟结果表明，等效应力在钎焊接头处迅速变化并达到峰值，在冷却过程中在该区域产生裂纹。板翅式结构等效应力受峰值温度受变化速率的影响较小。Cho等[22]针对应用在低温领域的PFHE，提出了一种遗传算法(GA)以在设计条件下获得高效的热层堆积模型，同时降低了异常条件下的热应力。结果表明，与常规方法相比，考虑异常工况的遗传算法最终改善了23%。这一结果降低了非正常状态下的热应力风险，并在正常状态下提供了更好的传热性能。Ma等[23]提出了一种模拟LNG换热器实际运行过程中板翅式结构应力的模型。研究了不同操作参数对板翅式结构应力的影响。结果表明，在靠近翅片一侧的钎焊接头处能够得到最大的应力，在该区域内将首先产生裂纹。等效应力峰值随天然气(NG)和混合制冷剂(MR)换热温差的增大而逐渐增大，而受天然气在换热器内进出口温差的影响较小。Ma等[24]基于有限元方法和热弹性理论，研究了结构参数对板翅式结构应力的影响。结果表明，对应用在LNG领域PFHE的实际运行过程中，钎焊接头处的应力比较复杂，在靠近翅片的钎焊接头处等效应力会达到峰值。同时，板翅片结构的等效应力峰值受翅片高度和板厚的影响较小，而受钎缝厚度、翅片厚度和翅片间距的影响较大。
2.4 翅片设计的优化研究
翅片结构对PFHE的传热性能有着显著的影响，广泛的研究集中在翅片的优化研究上。
Wen等[25]基于流体结构相互作用(FSI)分析，对PFHE内对锯齿形翅片对流体流动和传热的影响进行了数值研究。对翅片高度、翅片间距、翅片厚度和翅片间断长对传热、流动阻力的影响以及二阶相互作用进行了定量和彻底的评估。结果表明，传热对翅片间断长度最敏感，而流动阻力和最大应力受翅片厚度的影响最大。Hu等[26]为了对低温系统中的PFHE进行优化，对PFHE中高效耐压偏置条形翅片的两相流沸腾传热特性进行了实验研究。研究结果表明，随着蒸汽含量的提高，传热系数最初增加后下降，最大蒸汽含量为0.75～0.85。气泡-环状转变和环状-雾状转变的临界条件分别对应于0.92和0.985的空泡率。并根据研究和文献中的实验数据，建立了偏置条形翅片通道内流动沸腾两相换热系数的新关联式。Li等[27]搭建了低温实验台，以获得实验中PFHE在两相压降下的实验数据。研究结果表明，流道内的气流摩擦因子随着翅片厚度的增加而增加，当翅片厚度从0.1 mm增加到0.4 mm，气流摩擦因子增加幅度为306%～451%。两相压降的两相倍增系数在3～35之间变化，并随着翅片厚度和水力直径的降低而增加。Li等[28]通过多目标遗传算法(MOGA)对低温条件下 PFHE的锯齿翅片进行了综合优化。研究结果表明，优化后的翅片比原始结构具有更好的换热性能和更低的热应力。
根据前述研究，针对PFHE在近海和两相条件下的流量分配和传热特性研究也逐渐增多。此外，由于PFHE涉及的设计变量众多，经典的优化算法在这种情况下并不适用，未来很可能会越来越多地采用进化算法进行优化设计。我国南海海域蕴藏着丰富的油气资源，随着国内LNG需求量的不断增加，近海天然气油田的开采势在必行。根据近海天然气油田的生产状况灵活配置FLNG将大大促进对近海天然气油田的开发，与此同时国内在PFHE相关技术上的研究瓶颈和更优设计也亟待突破。
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