CN104315884B - 一种开架式气化器设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开架式气化器设计方法。该设备应用于气化器领域，以解决现有技术中粗犷地估计换热管数量降低了开架式气化器ORV的换热效果的缺陷。该方法包括：根据预设的换热管数及换热面积，获得估算的换热管数。将估算的换热管数和预设的换热管数进行比较，若比较结果小于或等于设定的参数值，则获得换热管数，即换热管数为估算的换热管数；若比较结果大于设定的参数值，则进行递归循环。本发明适用于开架式气化器。
Description
技术领域
本发明涉及气化器领域，尤其涉及一种开架式气化器设计方法。
背景技术
开架式气化器（Open rack vaporizer，简称ORV)是一种以海水为介质用于天然气LNG项目上的液化天然气的气化器。LNG从下部总管进入，然后沿着呈幕状结构的换热管上升，与海水换热气化后成常温气体送出，海水从上部进入，经分布器分配后成薄膜状均匀沿幕状LNG管下降，使管内LNG受热气化。这种气化器性能安全可靠，运行成本低廉，但由于提供热源的海水进出口温差较小，以致开架式气化器设备比较大，投资较高。ORV气化器的换热效果和换热管的数量有很大关系，但是目前还没有相应的设计换热管的数量的方法，都是根据应用场景粗犷地估计换热管数量，降低了ORV气化器的换热效果。
发明内容
本发明提供一种开架式气化器设计方法，可有效克服现有技术中粗犷地估计换热管数量降低了ORV气化器的换热效果的缺陷。
本发明的第一方面提供一种开架式气化器设计方法，包括：根据预设的换热管数及开架式气化器的换热过程获得换热面积，根据所述换热面积获得估算的换热管数；将所述估算的换热管数和所述预设的换热管数进行比较，若比较结果小于或等于设定的参数值，则获得换热管数，即换热管数为所述估算的换热管数；若比较结果大于所述设定的参数值，则进行递归循环。
根据第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述若比较结果大于所述设定的参数值，则进行递归循环，包括：将所述估算的换热管数的值赋于预设的换热管数；根据赋值后的预设的换热管数及换热面积，获得估算的换热管数；将所述估算的换热管数和所述赋值后的预设的换热管数进行比较，若比较结果小于或等于设定的参数值，则获得换热管数，即换热管数为所述估算的换热管数；若比较结果大于所述设定的参数值，则进行递归循环。
根据第一方面，在第二种可能的实现方式中，所述根据预设的换热管数及开架式气化器的换热过程获得换热面积，根据所述换热面积获得估算的换热管数，包括：根据液化天然气LNG的进口焓值、出口焓值及流量获得海水的总流量；根据所述预设的换热管数和所述海水的总流量获得管外海水流速，根据所述管外海水流速获得海水侧换热系数；将每个换热管分为多个子段，根据所述LNG流量和密度获得每个子段的管内LNG流速，根据所述每个子段的管内LNG流速获得每个子段的雷诺数，根据所述每个子段的雷诺数获得每个子段的管内LNG换热系数；根据用户需求的LNG总流量、每个子段的平均温度、每个子段的传热系数获得换热面积，其中，所述每个子段的传热系数由所述海水侧换热系数和所述每个子段的管内LNG换热系数获得；根据所述换热面积，获得估算的换热管数。
本发明提供的开架式气化器设计方法，通过根据预设的换热管数及换热面积，获得估算的换热管数，并通过递归循环，可以获得精确的换热管数目，使开架式气化器能够完全满足使用需求并达到很高的换热效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的开架式气化器设计方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的开架式气化器设计方法的递归流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种开架式气化器设计方法，下面将以具体的实例对本发明进行说明。
图1为本发明实施例提供的开架式气化器设计方法的流程示意图。该设计方法主要基于整个传热过程，即加热管内LNG和管子内壁之间、加热管内壁和加热管外壁之间、加热管外壁和海水之间的传热过程，获得加热管的数目。如图1所示，该设计方法，主要包括以下步骤：
10、根据预设的换热管数及开架式气化器的换热过程获得换热面积，根据换热面积获得估算的换热管数。
20、将估算的换热管数和预设的换热管数进行比较，若比较结果小于或等于设定的参数值，则获得换热管数，即换热管数为估算的换热管数；若比较结果大于设定的参数值，则进行递归循环。
步骤20中，若比较结果大于设定的参数值，则将估算的换热管数的值赋予预设的换热管数；
根据赋值后的预设的换热管数及换热面积，获得估算的换热管数；
将估算的换热管数和赋值后的预设的换热管数进行比较，若比较结果小于或等于设定的参数值，则获得换热管数，即换热管数为估算的换热管数；若比较结果大于设定的参数值，则进行递归循环。
本实施例，通过根据预设的换热管数及换热面积，获得估算的换热管数，并通过递归循环，可以获得精确的换热管数目，使开架式气化器能够完全满足使用需求并达到很高的换热效率。
参考图2，图2为本发明实施例提供的开架式气化器设计方法的递归流程示意图，进一步地，根据预设的换热管数及换热面积，获得估算的换热管数，可以包括以下步骤：
101、根据液化天然气LNG的进口焓值、出口焓值及总流量获得海水的总流量。
其中，LNG的进口焓Hlngi是指LNG进口温度及进口压力条件下的焓值,
出口焓Hlngo是指LNG出口温度及出口压力条件下的焓值
上述LNG的进口焓Hlngi、出口焓Hlngo可以根据LNG的温度和压力通过查询物性库获得。即分别调用甲烷、乙烷、丙烷物性，查出其对应焓值H1、H2、H3，然后利用其组分比，公式加权求出Hlngi，如公式1所示
（1）
具体地，海水的总热量计算如下：
海水的热量 （2）
其中,qmlng是LNG总流量，可由仪器测得。
根据换热量守恒可求得海水的总流量qmwa。
（3）
公式（3）中，Cp是海水的导热率。
102、根据预设的换热管数和根据海水的总流量获得管外海水流速，根据管外海水流速获得海水侧换热系数。
递归循环中，首先预设一个换热管数Nj，可以假设Nj=1，j为递归循环因子当然也可以假设Nj为其他的值。本实施例以Nj=1进行说明。
其中，海水流速，是指换热管外海水从上往下流动的平均速度。管外海水流速vwa的计算如公式4
（4）
公式4中，b为管外海水液膜厚度，d0为换热管内径；
为管外海水的密度, qmwa为步骤10中获得的海水的总流量。
根据管外海水流速vwa获得雷诺数Rewa，根据雷诺数Rewa获得海水侧换热系数h0，如公式5。
（5）
公式5中，雷诺数计算如公式6
（6）
其中，取海水的定性温度为，所谓定性温度即为此管段海水换热所依据的温度，根据定性温度来查询海水的物性参数。Twai 为海水进口温度， Twao 为海水出口温度,压力为常压，海水的动力粘度，热传导系数和可以通过海水物性库获得。
公式（5）中，修正系数为， 考虑到换热关联式使用范围的局限性，理论计算和试验结果存在一定的偏差，于是在工程中会根据实际工况进行换热系数的修正以满足实际需求。
103、将每个换热管分为多个子段，根据LNG流量和密度获得每个子段的管内LNG流速，根据每个子段的管内LNG流速获得每个子段的雷诺数，根据每个子段的雷诺数获得每个子段的管内LNG换热系数。
由于换热管内不同位置的换热情况有差异，为精确计算将每个换热管分为多个子段，可选地，可以根据换热管两端的LNG进口温度和LNG出口温度，将换热管分为Y段，如公式7。
Y= （7）
公式7中，为LNG进口温度， 为LNG出口温度。
换热管内LNG压力取值可以为6.55MPa，进口温度取值可以为139.55K，出口温度取值可以为274.15K。
将 到分为段，间隔△T=2。
i为子段的索引号，从1到Y。第一个子段的温度记为T1，第i个子段的温度Ti如公式（8）
Ti=T1+（i-1）△T （8）
对于Ti到Ti+1段LNG计算具体如下：
取其该段的平均温度作为定性温度，此处定性温度，即为管内LNG物性查询所依据的温度。该定性温度结合LNG进口压力Plng，分别调用甲烷、乙烷、丙烷物性，查出其对应密度，，，然后利用其组分比，，，加权求出，。
同理，焓，
导热率，
导热系数，
动力粘度，
普朗特数，
则，第i个子段的管内LNG流速，
其中，LNG入口流量为qmlng一般根据用户需求设定，由流量计测得。
第i个子段的雷诺数
第i个子段的管内LNG换热系数hi计算如公式9：
(9)
公式9中，为修正系数；
第i个子段的平均导热率如公式10，
（10）
公式10中，HW为管壁温度下LNG的焓值，其获得过程如下：
根据换热管内壁温Tw和LNG进口压力Plng，分别调用甲烷、乙烷、丙烷物性，查出其对应密度 ，然后利用其组分比，加权求出和HW
。
公式9中n的计算为分段计算，如公式10：
（10）
公式10中，Tpc为临界温度，单位为K，通常
。
Tb为换热管内流体的温度，即为LNG的定性温度。
为换热管内壁温度，可以取恒定值277.65K。
104、根据用户需求的LNG总流量、每个子段的对数平均温度差、每个子段的传热系数，获得每个子段的换热面积。其中，每个子段的传热系数由海水侧换热系数和每个子段的管内LNG换热系数获得。
具体地，换热管外LNG在第i个子段的进口温度为Ti，出口温度为Ti+1，依据Plng，查询物性数据库得出相应温度下的焓值Hi和Hi+1。于是该子段的换热量为；
海水的温差；
海水温度；
第i个子段的对数平均温度差为
第i个子段的传热系数如公式11
（11）
公式11中，Rw为壁面热阻，。
为壁面导热系数。
根据公式11获得第i个子段的传热系数、对数平均温度差及换热量获得第i个子段的换热面积Ai如公式12
换热面积 （12）
将各个子段的换热面积加权求和得到换热面积。
105、根据换热面积，获得估算的换热管数。
其中，换热面积如步骤105中公式12获得的Ai，将各个子段的换热面积加权求和得到换热面积，则估算的换热管数如公式13
（13）
进一步地，上述方案中，步骤20中，估算的换热管数为Nj+1，比较的方法可以选取将估算的换热管数为Nj+1和预设的换热管数Nj的绝对值设定的参数值可以优选为1，因为值为1时精度更高。
举例说明，具体过程如下：
若|Nj+1-Nj|>1，则j=j+1，Nj=Nj+1，将Nj+1赋值于到Nj继续上述步骤101到105的计算，
直到|Nj+1-Nj|≤1，计算结束，输出Nj+1，即为换热管数。
本方案，通过对管内外流动换热分析，对整个传热过程进行精确的计算，同时也考虑实际使用过程中对换热有影响的各方面因素，从而获得精确的换热管数，使开架式气化器能够完全满足安装使用要求。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (1)
1.一种开架式气化器设计方法，其特征在于，包括：
步骤10、根据预设的换热管数及开架式气化器的换热过程获得换热面积，根据所述换热面积获得估算的换热管数；
步骤20、将所述估算的换热管数和所述预设的换热管数进行比较，若比较结果小于或等于设定的参数值，则获得换热管数，即换热管数为所述估算的换热管数；若比较结果大于所述设定的参数值，则进行递归循环；
其中步骤20中，所述若比较结果大于所述设定的参数值，则进行递归循环，包括：
将所述估算的换热管数的值赋于预设的换热管数；
根据赋值后的预设的换热管数及换热面积，获得估算的换热管数；
将所述估算的换热管数和所述赋值后的预设的换热管数进行比较，若比较结果小于或等于设定的参数值，则获得换热管数，即换热管数为所述估算的换热管数；若比较结果大于所述设定的参数值，则进行递归循环；
其中步骤10中，所述根据预设的换热管数及开架式气化器的换热过程获得换热面积，根据所述换热面积获得估算的换热管数，包括：
根据液化天然气LNG的进口焓值、出口焓值及流量获得海水的总流量；
根据所述预设的换热管数和所述海水的总流量获得管外海水流速，根据所述管外海水流速获得海水侧换热系数；
将每个换热管分为多个子段，根据所述LNG的流量和密度获得每个子段的管内LNG流速，根据所述每个子段的管内LNG流速获得每个子段的雷诺数，根据所述每个子段的雷诺数获得每个子段的管内LNG换热系数；
根据用户需求的LNG总流量、每个子段的平均温度、每个子段的传热系数获得换热面积，其中，所述每个子段的传热系数由所述海水侧换热系数和所述每个子段的管内LNG换热系数获得；
根据所述换热面积，获得估算的换热管数。
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| CN202166351U (zh) * | 2011-11-23 | 2012-03-14 | 海工英派尔工程有限公司 | 一种开架式海水汽化器用的汽化管 |
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| 浮式LNG生产储卸装置关键设计技术对比分析;巨永林等;《化工学报》;20091231;全文 * |
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