CN114608857B - 陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***及方法；包括：第一测试管路，两端分别设置有第一阀门和第二阀门；第二测试管路，两端分别设置有第三阀门和第四阀门；所述第二测试管路提供的测试用物料的温度低于所述第一测试管路提供的测试用物料的温度；所述第二测试管路与所述第一测试管路两端分别并联后得到整体测试管路；所述测试回路两端均设置有用于采集测试用数据的传感器；本发明通过相互并联设置的第一测试管路和第二测试管路，通过控制两个回路上的阀门，实现了第一测试管路和第二测试管路之间的切换，可以得到真对不同类型主低温换热器应在不同温区时的测试子***。
Description
技术领域
本发明属于主低温换热器测试技术领域，尤其涉及一种陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***及方法。
背景技术
液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)是天然气的一种高效运输方式，逐渐成为国际天然气贸易的主流形式；天然气可在陆基天然气液化工艺中经预处理后，进入主低温换热器进行液化；此外，液化天然气浮式生产储卸装置(LNG-FPSO)可在深海与边际气田开发天然气并直接进行预处理和液化。陆基与海上天然气液化工艺主低温换热器主要包括板翅式换热器、绕管式换热器以及印刷电路板式换热器三种类型，且均应用于天然气液化过程的预冷、过冷和深冷不同温区。不同类型换热器的冷热通道结构形式不同，流动与换热特征差异较大；同种类型换热器应用于不同温区时，冷热通道内流体存在纯液相、纯气相与气液两相三种相态，由于存在不同相态之间的换热，导致换热器整体的流动换热演化规律极为复杂；此外，海上天然气液化工艺中主低温换热器会受到海况晃动的影响，导致流动换热性能恶化。
发明人发现，目前，还不存在针对陆基与海上天然气液化工艺中不同类型换热器在不同温区时的测试***。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***及方法，本发明通过相互并联设置的第一测试管路和第二测试管路，实现了对不同类型换热器应在不同温区时的测试***。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***，采用如下技术方案：
陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***，包括：
第一测试管路，两端分别设置有第一阀门和第二阀门；
第二测试管路，两端分别设置有第三阀门和第四阀门；所述第二测试管路提供的测试用物料的温度低于所述第一测试管路提供的测试用物料的温度；
所述第二测试管路与所述第一测试管路两端分别并联后得到整体测试管路；所述整体测试管路一端用于连接待测试主低温换热器的入口，另一端用于连接待测试主低温换热器出口；所述测试回路两端均设置有用于采集测试用数据的传感器。
进一步的，待测试主低温换热器安装到实验平台上；所述实验平台底部安装有用于驱动所述实验平台做平移运动的第一电机，所述实验平台侧部安装有用于驱动所述实验平台做翻转运动的第二电机。
进一步的，所述第一测试管路上，在所述第一阀门向所述第二阀门方向上依次连通有第一冷凝器、戊烷储罐和第一换热器。
进一步的，所述第一冷凝器与第一冷水循环***连接，所述第一冷水循环***包括依次连接的用于提供冷水的第一水浴、第一离心泵和第一常温阀；所述第一常温阀出口端与所述第一水浴入口端还通过管道连接有用于调节流量的第二常温阀。
进一步的，所述戊烷储罐出口与入口之间连接有用于调节戊烷流量的第三常温阀。
进一步的，所述第一换热器与热水循环***连接，所述热水循环***包括依次连接的用于提供热水的第二水浴、第三离心泵和第四常温阀；所述述第四常温阀出口端与所述第二水浴入口端还通过管道连接有用于调节流量的第五常温阀。
进一步的，所述第二测试管路在所述第三阀门向所述第四阀门方向上依次连通有气化器、工质加注口、风机、第二换热器、第二冷凝器和第三冷凝器；所述风机两端通过管路连接有风机旁通低温阀。
进一步的，所述第二换热器与第二冷水循环***连接，所述第二冷水循环***包括依次连接的用于提供冷水的第三水浴、第四离心泵和第六常温阀；所述述第六常温阀出口端与所述第三水浴入口端还通过管道连接有用于调节流量的第七常温阀。
进一步的，所述第二冷凝器和第三冷凝器通过管路与液氮储罐连接；
进一步的，所述传感器包括压力传感器和温度传感器。
为了实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试方法，采用如下技术方案：
陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试方法，采用了如第一方面中所述的陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***，包括：
将待测类型的主低温换热器安装到实验平台上，并与整体测试管路接通；
进行常温下流动与换热特性测试时，第三阀门和第四关闭，第一阀门第二阀门开启，调节戊烷流量到预设值，调节热水循环***内的热水流量到预设值，控制戊烷温度到预设值；调节第一冷水循环***内的冷却水流量到预设值；
进行低温下流动与换热特性测试时第三阀门和第四开启，第一阀门第二阀门关闭，调节工质流量到预设值，调节第二冷水循环***内的冷却水的流量到预设值；控制液氮流量以控制工质的温度；
通过控制第一电机和第二电机实现静止及不同海上晃荡工况下的模拟；
进行不同温区不同类型主低温换热器在静止与海上晃荡工况下的流动换热特性测试时，均通过压力传感器测量流体的进出口压力，得到流体通过主低温换热器的压降，以反映流动特性；通过温度传感器测量流体的进出口温度，通过换热固体表面内部的温度传感器测量换热表面温度，结合控制柜设定的加热片或加热棒的功率，计算流体流过主低温换热器的全局换热系数，以反映换热特性。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明通过相互并联设置的第一测试管路和第二测试管路，通过控制两个回路上的阀门，实现了第一测试管路和第二测试管路之间的切换，可以得到真对不同类型主低温换热器应在不同温区时的测试子***；
2、本发明中，通过可平移和翻转的试件安装台，可实现对不同海上晃荡工况的模拟，再现了主低温换热器真实的作业环境。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例1的实验平台结构示意图；
其中，1、实验平台，11、安装台面，12、翻板，13、第二电机，14、平移滑轨，15、第一电机，16、底座，2、第一冷凝器，3、第三冷凝器，4、第二冷凝器，5、气化器，6、风机，7、戊烷储罐，8、第一换热器，9、第二换热器，10、液氮储罐，11、第二水浴，12、第一水浴，14、第三水浴，15、第二离心泵，16、第一离心泵，17、第三离心泵，18、第四离心泵，19、第三阀门，20、风机旁通低温阀，21、第四阀门，22、液氮储罐出口低温阀，23、第一阀门，24、第二常温阀，25、第一常温阀，26、第八常温阀，27、第二阀门，28、第三常温阀，29、第九常温阀，30、第五常温阀，31、第四常温阀，32、第七常温阀，33、第六常温阀，34、加注口控制阀，35、工质加注口。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1：
本实施例提供了一种陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***，属于一种陆基与海上天然气液化工艺中主低温换热器流动与换热特性测试平台或***，可以用来测试板翅式换热器、绕管式换热器和印刷电路板式换热器应用于陆基与海上天然气液化工艺不同温区时的流动换热特性。
如图1所示，一种陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***，包括实验平台1和整体测试管路两部分，所述实验平台1可更换不同类型换热器实验件，并可以模拟陆上静止与海上晃荡工况；所述整体测试管路即流体控制***，可切换使用适用不同温度的管路。
如图2所示，本实施例中，所述实验平台1尺寸特征可以设置为：长×高×宽＝1361mm×250mm×350mm；所述实验平台1配有第一电机15和第二电机13，所述第一电机15为平移电机，所述第二电机13为翻转电机，可实现所述实验平台1的平移和翻转运动，可以通过计算机安装控制软件可精确调节平移和翻转运动的距离、加速度和速度，以模拟陆上静止工况和海上不同晃荡形式、晃荡幅度和晃荡周期的晃荡工况；所述实验平台1的安装台面11用于实验件安装，所述安装台面11上钻有标准螺纹孔，用于安装固定不同类型换热器的主低温换热器；
在本实施例中，可以在实验平台1的底部固定套筒，套筒通过螺纹与丝杠连接，丝杠的一端与平移电机的输出轴固定，通过丝杠的方式实现对实验平台1的平移；安装台面固定在翻板2上，翻板两端可以通过连接轴及轴承的设置可转动的连接在实验平台1本体上，连接轴两端可以分别固定在翻板2和翻转电机的输出轴上，实现在翻转电机带动下翻板2的翻转，可以理解的，轴承的外圈可以固定在实验平台1上，内圈可以固定在连接轴上；在其他实施例中，还可以采用平移电机和翻转电机其他设置方式，能够实现实验平台1的平移和翻转即可。
本实施例中，实验件按照不同类型换热器结构形式进行设计加工，实验件进出口均为相同的标准快速接头，以便通过高压气管与流体控制***进行连接；实验件换热表面通过加热棒或加热片进行加热，并配有可调功的控制柜，以调节实验件内的换热量；实验件进出口设计有与压差计连接的引压孔，以实验对实验件内压降的测量；实验件进行充分保温，以控制热损失。
本实施例中，流体控制***包括第一测试管路和第二测试管路，所述第一测试管路为常温测试管路，第二测试管路为低温测试管路；具体可以包括低温实验冷剂循环、液氮制冷流路、常温实验冷剂循环、热水循环和冷水循环。
本实施例中，常温实验冷剂循环中工质为戊烷，循环包括第一冷凝器2、戊烷储罐7、变频离心泵、第一换热器8、流量传感器、温度传感器、压力传感器和常温阀；所述戊烷储罐7内戊烷经第二离心泵15增压后通过所述第一换热器8进行加热，达到设定的进口温度，之后到达流体控制***出口，通过与实验件入口的连接管路进入实验件，进行换热后经实验件出口流出后到达流体控制***入口，之后进入所述第一冷凝器2进行降温冷凝，最后回到所述戊烷储罐7，实现循环；流体控制***与实验件进出口均可以设计为快速接头，并通过高压气管连接，以实现快速连接与拆卸并保证密封性；所述第一换热器8可以采用板式换热器，所述第二离心泵15可以设置为变频离心泵。
本实施例中，低温实验冷剂循环中工质包括氩气、R11(一氟三氯甲烷)等，循环包括风机6、第二换热器9、两级冷凝器、气化器5、流量传感器、温度传感器、压力传感器和低温阀；工质通过工质加注口35加注到***后，通过所述风机6增压后，进入所述第二换热器9进行换热，降低出口温度，之后分别通过两级冷凝器与液氮换热实现预冷和过冷(氩气未被液化)，然后通过实验件，回到流体控制***，最后经所述气化器5完全气化后回到所述风机6入口，实现循环；所述第二换热器9可以设置为板式换热器，所述两级冷凝器包括第三冷凝器3和第二冷凝器4。
本实施例中，冷、热水循环包括恒温水浴、离心泵、板式换热器(或冷凝器)、流量传感器、温度传感器和常温阀；水浴中恒温水通过离心泵增压后进入板式换热器(或冷凝器)进行换热，之后回到恒温水浴，实现循环。
所述第一冷凝器2与第一冷水循环***连接，所述第一冷水循环***包括依次连接的用于提供冷水的第一水浴12、第一离心泵16和第一常温阀25；所述第一常温阀25出口端与所述第一水浴12入口端还通过管道连接有用于调节流量的第二常温阀24。所述戊烷储罐7出口与入口之间连接有用于调节戊烷流量的第三常温阀28；所述第一换热器8与热水循环***连接，所述热水循环***包括依次连接的用于提供热水的第二水浴11、第三离心泵17和第四常温阀31；所述述第四常温阀31出口端与所述第二水浴11入口端还通过管道连接有用于调节流量的第五常温阀30。
所述第二换热器9与第二冷水循环***连接，所述第二冷水循环***包括依次连接的用于提供冷水的第三水浴14、第四离心泵18和第六常温阀33；所述述第六常温阀33出口端与所述第三水浴14入口端还通过管道连接有用于调节流量的第七常温阀32。
本实施例中，液氮制冷流路包括液氮储罐10、两级冷凝器、流量传感器、温度传感器；液氮通过所述液氮储罐10，先通过第三冷凝器3深冷低温实验冷剂循环工质，温度升高后的液氮通过第二级冷凝器4预冷工质，之后排入大气；所述液氮储罐10可以为自增压液氮罐。
所述第二冷凝器3和第三冷凝器4通过管路与液氮储罐连接。
本实施例中的换热器、冷凝器、阀门、液氮储罐、气化器和水浴等部件的结构及工作原理等可以采用常规设置或现有设备实现，在此不再详述。
本实施例的工作原理或过程为：
针对陆上或海上工况某种类型主低温换热器进行常温下流动与换热特性测试时，第三阀门19和第四阀门21关闭，第一阀门23和第二阀门27开启，以封闭低温环路，开启常温环路，低温环路为第二测试管路，开启常温环路为第一测试管路；戊烷储罐7中20℃的戊烷可以由第二离心泵15增压至0.4MPa，通过调节第三常温阀28的开度可调节戊烷流量为100-560kg/h；之后戊烷在第一换热器8处与热水进行换热，第二水浴11中的45℃的热水可以通过第三离心泵17增压至第一换热器8，通过调节第五常温阀30的开度，可调节热水流量为10-60kg/h，以控制戊烷的温度为26-36℃或达到饱和温度的干度为0-1；戊烷进行实验件后与流过换热表面进行换热，通过调节加热棒或加热片的功率，使换热量的范围为0-1kW；之后戊烷进入d第一冷凝器2降温至20℃后回到戊烷储罐7；第一水浴12中15℃冷却水可以通过第一离心泵16增压至第一冷凝器2，通过调节第二常温阀24的开度，可调节冷却水的流量为20-100kg/h。
针对陆上或海上工况某种类型主低温换热器进行低温下流动与换热特性测试时，第三阀门19和第四阀门21开启，第一阀门23和第二阀门27关闭，以开启低温环路，封闭常温环路。通过工质加注口35将R11与氩气等按一定比例混合的工质加注进管道，通过风机6增压至0.4MPa，通过调节风机旁通低温阀20的开度调节工质流量为50-200kg/h；之后工质进入第二换热器9降温至10℃；第三水浴13中3℃的冷却水过第四离心泵18增压至第二换热器9，通过调节第七常温阀32的开度可调节冷却水的流量为0-60kg/h；之后工质进入第二冷凝器4降温至-30℃，之后进入第三冷凝器3降温至-50℃，通过液氮储罐出口低温阀22的开度可控制液氮流量以控制工质的温度；工质进入实验件进行换热后，进入气化器5，全部气化达到常温后回到风机6入口。
如图2所示，进行不同类型主低温换热器测试时，在实验平台1的安装台面11上安装对应实验件，并通过螺栓固定；进行陆上静止工况测试时，实验平台1保持水平并静止不同；进行海上晃荡工况测试时，通过计算机软件控制翻转电机与平移电机控制实验件平台，平移范围可以为0-300mm、平移速度可以为0-0.5m/s、翻转角度范围可以为0-20°以及翻转速度可以为0-10°/s。
进行不同温区不同类型主低温换热器在静止与海上晃荡工况下的流动换热特性测试时，均通过压力传感器测量流体的进出口压力，得到流体通过主低温换热器的压降，以反映流动特性；通过温度传感器测量流体的进出口温度，通过主低温换热器换热固体表面内部的温度传感器测量换热表面温度，结合设定的加热片或加热棒的功率，计算流体流过主低温换热器的全局换热系数，以反映换热特性；全局换热系数计算公式为：
其中，h为全局换热系数，W/m2·℃；q为换热表面热流密度，W/m2；Tw为换热表面温度，℃；Tin为实验件进口流体温度，℃；Tout为实验件出口流体温度，℃。
实施例2：
本实施例提供了一种陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试方法，采用了如第一方面中所述的陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***，包括：
将待测类型的主低温换热器安装到实验平台上，并与整体测试管路接通；
进行常温下流动与换热特性测试时，第三阀门和第四关闭，第一阀门第二阀门开启，调节戊烷流量到预设值，调节热水循环***内的热水流量到预设值，控制戊烷温度到预设值；调节第一冷水循环***内的冷却水流量到预设值；
进行低温下流动与换热特性测试时第三阀门和第四开启，第一阀门第二阀门关闭，调节工质流量到预设值，调节第二冷水循环***内的冷却水的流量到预设值；控制液氮流量以控制工质的温度；
通过控制第一电机和第二电机实现静止及不同海上晃荡工况下的模拟；
进行不同温区不同类型主低温换热器在静止与海上晃荡工况下的流动换热特性测试时，均通过压力传感器测量流体的进出口压力，得到流体通过主低温换热器的压降，以反映流动特性；通过温度传感器测量流体的进出口温度，结合主低温换热器换热表面温度及加热片或加热棒的功率，计算流体流过主低温换热器的全局换热系数，以反映换热特性。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***，其特征在于，包括：
第一测试管路，两端分别设置有第一阀门和第二阀门；
第二测试管路，两端分别设置有第三阀门和第四阀门；所述第二测试管路提供的测试用物料的温度低于所述第一测试管路提供的测试用物料的温度；
所述第二测试管路与所述第一测试管路两端分别并联后得到整体测试管路；所述整体测试管路一端用于连接待测试主低温换热器的入口，另一端用于连接待测试主低温换热器出口；测试回路两端均设置有用于采集测试用数据的传感器；
进行不同温区不同类型主低温换热器在静止与海上晃荡工况下的流动换热特性测试时，均通过压力传感器测量流体的进出口压力，得到流体通过主低温换热器的压降，以反映流动特性；通过温度传感器测量流体的进出口温度，通过主低温换热器换热固体表面内部的温度传感器测量换热表面温度，结合设定的加热片或加热棒的功率，计算流体流过主低温换热器的全局换热系数，以反映换热特性；全局换热系数计算公式为：
其中，为全局换热系数，W/m2·℃；/>为换热表面热流密度，W/m2；/>为换热表面温度，℃；/>为实验件进口流体温度，℃；/>为实验件出口流体温度，℃。
2.如权利要求1所述的陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***，其特征在于，待测试主低温换热器安装到实验平台上；所述实验平台底部安装有用于驱动所述实验平台做平移运动的第一电机，所述实验平台侧部安装有用于驱动所述实验平台做翻转运动的第二电机。
3.如权利要求1所述的陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***，其特征在于，所述第一测试管路上，在所述第一阀门向所述第二阀门方向上依次连通有第一冷凝器、戊烷储罐和第一换热器。
4.如权利要求3所述的陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***，其特征在于，所述第一冷凝器与第一冷水循环***连接，所述第一冷水循环***包括依次连接的用于提供冷水的第一水浴、第一离心泵和第一常温阀；所述第一常温阀出口端与所述第一水浴入口端还通过管道连接有用于调节流量的第二常温阀。
5.如权利要求3所述的陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***，其特征在于，所述戊烷储罐出口与入口之间连接有用于调节戊烷流量的第三常温阀。
6.如权利要求3所述的陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***，其特征在于，所述第一换热器与热水循环***连接，所述热水循环***包括依次连接的用于提供热水的第二水浴、第三离心泵和第四常温阀；所述第四常温阀出口端与所述第二水浴入口端还通过管道连接有用于调节流量的第五常温阀。
7.如权利要求1所述的陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***，其特征在于，所述第二测试管路在所述第三阀门向所述第四阀门方向上依次连通有气化器、工质加注口、风机、第二换热器、第二冷凝器和第三冷凝器；所述风机两端通过管路连接有风机旁通低温阀。
8.如权利要求7所述的陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***，其特征在于，所述第二换热器与第二冷水循环***连接，所述第二冷水循环***包括依次连接的用于提供冷水的第三水浴、第四离心泵和第六常温阀；所述第六常温阀出口端与所述第三水浴入口端还通过管道连接有用于调节流量的第七常温阀。
9.如权利要求7所述的陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***，其特征在于，所述第二冷凝器和第三冷凝器通过管路与液氮储罐连接；
或，所述传感器包括压力传感器和温度传感器。
10.陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试方法，其特征在于，采用了如权利要求1-9任一项所述的陆基与海上天然气液化用主低温换热器的测试***，包括：
将待测类型的主低温换热器安装到实验平台上，并与整体测试管路接通；
进行常温下流动与换热特性测试时，第三阀门和第四关闭，第一阀门第二阀门开启，调节戊烷流量到预设值，调节热水循环***内的热水流量到预设值，控制戊烷温度到预设值；调节第一冷水循环***内的冷却水流量到预设值；
进行低温下流动与换热特性测试时第三阀门和第四开启，第一阀门第二阀门关闭，调节工质流量到预设值，调节第二冷水循环***内的冷却水的流量到预设值；控制液氮流量以控制工质的温度；
通过控制第一电机和第二电机实现静止及不同海上晃荡工况下的模拟；
进行不同温区不同类型主低温换热器在静止与海上晃荡工况下的流动换热特性测试时，均通过压力传感器测量流体的进出口压力，得到流体通过主低温换热器的压降，以反映流动特性；通过温度传感器测量流体的进出口温度，通过换热固体表面内部的温度传感器测量换热表面温度，结合控制柜设定的加热片或加热棒的功率，计算流体流过主低温换热器的全局换热系数，以反映换热特性。
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