CN111595180B - 一种适用于flng的正弦波纹管型绕管式换热器 - Google Patents

一种适用于flng的正弦波纹管型绕管式换热器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于FLNG的正弦波纹管型绕管式换热器，外筒的顶部为壳侧冷剂进口，底部为壳侧冷剂出口，壳侧冷剂进口的下方设置正弦波纹管式布液器，外筒的内部设置第一正弦波纹缠绕管束、第二正弦波纹管束，正弦波纹管束为正弦波形状的换热管，第一正弦波纹缠绕管束和第二正弦波纹管束自上而下波峰和波谷一一交错对应。正弦波纹管式布液器从上到下依次为一分二型管、二分四型管、两个正弦波纹管式布液管。提高了恶劣海况下FLNG绕管式换热器布液器布液能力、管侧天然气及冷剂的换热性能和壳侧冷剂降膜流动流型稳定性。

Description

一种适用于FLNG的正弦波纹管型绕管式换热器
技术领域
本发明涉及换热器强化换热技术领域，特别是涉及应用于液化天然气浮式生产储卸装置(FLNG)的绕管式换热器结构优化。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
FLNG是一种新型海上天然气田开发的浮式生产装置，具有天然气的开采、预处理和液化等功能。同时，FLNG打破了长距离管线与陆上生产系统经济和成本性的限制，适用于开发深海中小型气田。目前，世界上处于设计、建造和投产阶段的FLNG装置多达21个。绕管式换热器在海上FLNG应用时，受恶劣海况条件的影响，绕管式换热器会存在布液器布液不均匀和壳侧流体偏流等现象，破坏管外冷剂降膜流动液膜的稳定性，降低盘管有效换热面积，恶化绕管式换热器换热性能，进而影响FLNG液化工艺整体性能指标。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种适用于FLNG的正弦波纹管型绕管式换热器，从布液器的结构、缠绕管束的管型和纵向排列方式三方面对绕管式换热器进行优化，提高其海上适应性。具有海上适应性强、冷剂流动稳定、结构紧凑、占地面积小、换热效率高等优势。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种适用于FLNG的正弦波纹管型绕管式换热器，外筒的顶部为壳侧冷剂进口，底部为壳侧冷剂出口，壳侧冷剂进口的下方设置正弦波纹管式布液器，外筒的内部设置纵向的正弦波纹管束，分别为第一正弦波纹缠绕管束、第二正弦波纹管束，正弦波纹管束为正弦波形状的换热管，第一正弦波纹缠绕管束和第二正弦波纹管束自上而下波峰和波谷一一交错对应。
本发明解决了海上恶劣的环境导致浮式生产装置中的绕管式换热器换热性能下降的问题。本发明的换热器海上适应性较好，换热性能受海上恶劣海况的影响程度较小。交错设置是两个正弦波纹管束的波峰和波谷上下相互错开。
第一正弦波纹缠绕管束和第二正弦波纹管束交叉设置，第一正弦波纹缠绕管束的波峰和第二正弦波纹管束的波谷上下对应，第一正弦波纹缠绕管束的波谷和第二正弦波纹管束的波峰上下对应。
作为进一步的技术方案，正弦波纹缠绕管束的波峰处直径范围为8mm至14mm，波谷处直径范围为6mm至12mm，波峰和波谷直径差范围为1.5mm至2.5mm，相邻波峰和波谷的轴向距离为4-8mm。在上述的波峰和波谷的直径差范围内具有较好的流动性。
正弦波纹缠绕管束的一个波峰和一个波谷相邻，相互之间的轴向距离为4-8mm，所述轴向距离为沿着外筒的竖向的轴的方向。
作为进一步的技术方案，第一正弦波纹缠绕管束的上下两端分别与外筒侧壁相接，顶部开口为管侧冷剂出口，底部开口为管侧冷剂进口。
作为进一步的技术方案，第二正弦波纹管束的上下两端分别与外筒侧壁相接，顶部开口为天然气出口，底部开口为天然气进口。
作为进一步的技术方案，外筒的内部设置中心筒体，第一正弦波纹缠绕管束、第二正弦波纹管束共同缠绕在中心筒体的外表面，中心筒体支撑第一正弦波纹缠绕管束、第二正弦波纹管束。
作为进一步的技术方案，正弦波纹管式布液器从上到下依次为一分二型管、二分四型管、两个正弦波纹管式布液管，一分二型管由一个主管和一个支管垂直连接组成，主管与壳侧冷剂进口相通，二分四型管由两个分支管和四个分配支管组成，两个分支管分别与支管的两端连通，两个分配支管分别与一个分支管的两端连通，两个正弦波纹管式布液管分别为圆环型结构，四个分配支管的两端分别与两个正弦波纹管式布液管连接。
作为更进一步的技术方案，正弦波纹管式布液管的侧壁为正弦波型的结构，正弦波纹管式布液管底部的波峰处设置喷淋口。
作为进一步的技术方案，两个正弦波纹管式布液管分为第一正弦波纹管式布液管和第二正弦波纹管式布液管，第一正弦波纹管式布液管的直径小于第二正弦波纹管式布液管的直径，第一正弦波纹管式布液管位于第二正弦波纹管式布液管的内侧，分配支管位于两个正弦波纹管式布液管之间，两端分别与两个正弦波纹管式布液管连通。
作为进一步的技术方案，第一正弦波纹缠绕管束、第二正弦波纹管束的波峰和波谷的位置自上而下一一交错对应，第一正弦波纹管式布液管与第一正弦波纹缠绕管束的波峰和波谷位置自上而下一一交错对应，第二正弦波纹管式布液管与第二正弦波纹管束的波峰和波谷位置自上而下一一交错对应。
上述正弦波纹管型绕管式换热器在浮式生产装置中的应用。
本发明的有益效果：
1、本发明与传统的绕管式换热器相比，从布液器的结构、缠绕管束的管型和纵向排列方式三方面对绕管式换热器进行优化。提高了恶劣海况下FLNG绕管式换热器布液器布液能力、管侧天然气及冷剂的换热性能和壳侧冷剂降膜流动流型稳定性。
2、本发明采用的正弦波纹型缠绕管束，相较于采用传统圆管的绕管式换热器，可以提高绕管式换热器管侧天然气及冷剂10％至120％的换热能力。在相同的天然气处理量下，采用的正弦波纹型缠绕管束可以降低绕管式换热器换热面积，使换热器更为紧凑，进而节省FLNG液化工艺整体占地面积。
3、本发明采用的正弦波纹管式布液器，由于其底部波峰处易汇聚液体，因此大大提高了恶劣海况下FLNG绕管式换热器中布液器的布液能力，进而提高FLNG绕管式换热器的壳侧冷剂流动稳定性。
4、本发明采用的正弦波纹型缠绕管束，由于正弦波型的上下波动形式(波峰和波谷)，可以大大降低绕管式换热器晃荡造成壳侧冷剂偏移的现象，进而有效抑制恶劣海况对绕管式换热器壳侧流动流型稳定性的影响。
5、绕管式换热器壳侧冷剂管外降膜流动会出现三种流型：扇状流流型、柱状流流型和滴状流流型。扇状流流型下冷剂冷量过剩，而滴状流流型下冷剂冷量不足，柱状流流型可以使冷剂冷量充分利用。恶劣海况下，采用传统圆管的绕管式换热器壳侧冷剂偏移，极易形成扇状流流型区和滴状流流型区，壳侧冷剂和换热面积都得不到有效利用。本发明采用的正弦波纹管式布液器喷淋位置与缠绕管束的波峰和波谷位置自上而下一一交错对应。由于降膜流动液体会在进口两液柱中间汇聚并降落且底部波峰处易汇聚液体，因此盘管波峰和波谷交替对应的排列形式有利于提高恶劣海况下绕管式换热器壳侧介质流动稳定性，更易形成柱状流流型，FLNG绕管式换热器壳侧冷量和换热面积都可以得到充分利用，进而提高FLNG绕管式换热器的海上适应性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为适用于FLNG的正弦波纹管型绕管式换热器的整体结构图；
图2为正弦波纹管式布液器的俯视图；
图3为正弦波纹管式布液器的侧视图；
其中，1-壳侧冷剂进口，2-外筒，3-管侧冷剂出口，4-天然气出口，5-第一正弦波纹管式布液管，6-中心筒体，7-管侧冷剂进口，8-天然气进口，9-壳侧冷剂出口，10-正弦波纹型缠绕管束，11-第二正弦波纹管式布液管，12-一分二型管，13-二分四型管，14-布液连通管。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，绕管式换热器在海上FLNG应用时，受恶劣海况条件的影响，绕管式换热器会出现布液器布液不均匀和壳侧液体偏流等现象，破坏管外液膜的均布，降低有效换热面积，恶化绕管式换热器换热性能，进而影响FLNG液化工艺整体性能指标。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种适用于FLNG的正弦波纹管型绕管式换热器。
由图1所示，正弦波纹管型绕管式换热器的外筒内部设置第一正弦波纹缠绕管束和第二正弦波纹管束，外筒2的顶部为壳侧冷剂进口1，底部为壳侧冷剂出口9，正弦波纹管束10为正弦波形状的换热管，第一正弦波纹缠绕管束和第二正弦波纹管束自上而下一一交错对应有利于壳侧冷剂完全从盘管底部波峰降落。底部波峰处易汇聚液体，波峰和波谷一一交错对应的排列方式提高绕管式换热器在恶劣海况下壳侧流动流型的稳定性，保障了FLNG绕管式换热器壳侧冷量和换热面积都可以得到充分利用。
第一正弦波纹缠绕管束和第二正弦波纹管束交叉设置，第一正弦波纹缠绕管束的波峰和第二正弦波纹管束的波谷上下对应，第一正弦波纹缠绕管束的波谷和第二正弦波纹管束的波峰上下对应。
本发明的盘管波峰处直径范围为8mm至14mm，波谷处直径范围为6mm至12mm，推荐的波峰和波谷直径差范围为1.5mm至2.5mm，相邻波峰和波谷的轴向距离为4-8mm。
第一正弦波纹缠绕管束的上下两端分别与外筒侧壁相接，顶部开口为管侧冷剂出口3，底部开口为管侧冷剂进口7。第二正弦波纹管束的上下两端分别与外筒侧壁相接，顶部开口为天然气出口4，底部开口为天然气进口8。
正弦波纹型缠绕管束10缠绕在所述的中心筒体6上，所述的中心筒体6起支撑作用。
正弦波纹管式布液器从上到下依次为一分二型管12、二分四型管13、两个正弦波纹管式布液管，一分二型管12由一个主管和一个支管垂直连接组成，主管与壳侧冷剂进口1相通，二分四型管13由两个分支管和四个分配支管组成，两个分支管分别与支管的两端连通，两个分配支管分别与一个分支管的两端连通，两个正弦波纹管式布液管分别为圆环型结构，四个分配支管的两端分别与两个正弦波纹管式布液管连接。
壳侧冷剂经过所述的一分二型管12和所述的二分四型管13分配后，通过所述的布液连通管14分别进入所述的第一正弦波纹管式布液管5和所述的第二正弦波纹管式布液管11。壳侧冷剂从所述的第一正弦波纹管式布液管5和所述的第二正弦波纹管式布液管11底部波峰孔口处喷淋到所述的正弦波纹型缠绕管束。
第一正弦波纹管式布液管5与第一正弦波纹缠绕管束的波峰和波谷位置相对，第二正弦波纹管式布液管11与第二正弦波纹管束的波峰和波谷位置相对。第二正弦波纹管束的波峰和波谷位于第一正弦波纹缠绕管束的波峰和波谷的内侧，即第一正弦波纹缠绕管束的波峰和波谷更靠近外筒的侧壁。正弦波纹管式布液器喷淋位置与正弦波纹型缠绕管束的波峰和波谷位置，自上而下一一交错对应，提高了海况下绕管式换热器管外降膜流动流型的稳定性。
运行时，天然气和管侧冷剂走正弦波纹型缠绕管束管侧，自下而上螺旋流动，吸收冷量。天然气在正弦波纹型缠绕管束内部液化，管侧冷剂流出绕管式换热器经低温节流阀节流，降温降压后成为壳侧冷剂。
正弦波纹管式布液器对壳侧冷剂进行均布，冷剂从布液底部波峰位置流出。由于正弦波纹管式布液器底部波峰易汇聚冷剂，因此与传统圆管式布液器相比大大增强恶劣海况下的布液能力。壳侧冷剂在正弦波纹型缠绕管束管外自上而下降膜流动，释放冷量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于FLNG的正弦波纹管型绕管式换热器，其特征在于：外筒的顶部为壳侧冷剂进口，底部为壳侧冷剂出口，壳侧冷剂进口的下方设置正弦波纹管式布液器，外筒的内部设置纵向的正弦波纹管束，分别为第一正弦波纹缠绕管束、第二正弦波纹管束，正弦波纹管束为正弦波形状的换热管，第一正弦波纹缠绕管束和第二正弦波纹管束自上而下波峰和波谷一一交错对应；
正弦波纹管式布液器从上到下依次为一分二型管、二分四型管、两个正弦波纹管式布液管，一分二型管由一个主管和一个支管垂直连接组成，主管与壳侧冷剂进口相通，二分四型管由两个分支管和四个分配支管组成，两个分支管分别与支管的两端连通，两个分配支管分别与一个分支管的两端连通，两个正弦波纹管式布液管分别为圆环型结构，四个分配支管的两端分别与两个正弦波纹管式布液管连接；
正弦波纹管式布液管的侧壁为正弦波型的结构，正弦波纹管式布液管底部的波峰处设置喷淋口。
2.根据权利要求1所述的适用于FLNG的正弦波纹管型绕管式换热器，其特征在于：正弦波纹缠绕管束的波峰处直径范围为8mm至14mm，波谷处直径范围为6mm至12mm，波峰和波谷直径差范围为1.5mm至2.5mm，相邻波峰和波谷的轴向距离为4-8mm。
3.根据权利要求1所述的适用于FLNG的正弦波纹管型绕管式换热器，其特征在于：第一正弦波纹缠绕管束的上下两端分别与外筒侧壁相接，顶部开口为管侧冷剂出口，底部开口为管侧冷剂进口。
4.根据权利要求3所述的适用于FLNG的正弦波纹管型绕管式换热器，其特征在于：第二正弦波纹管束的上下两端分别与外筒侧壁相接，顶部开口为天然气出口，底部开口为天然气进口。
5.根据权利要求1所述的适用于FLNG的正弦波纹管型绕管式换热器，其特征在于：外筒的内部设置中心筒体，第一正弦波纹缠绕管束、第二正弦波纹管束共同缠绕在中心筒体的外表面，中心筒体支撑第一正弦波纹缠绕管束、第二正弦波纹管束。
6.根据权利要求1所述的适用于FLNG的正弦波纹管型绕管式换热器，其特征在于：两个正弦波纹管式布液管分为第一正弦波纹管式布液管和第二正弦波纹管式布液管，第一正弦波纹管式布液管的直径小于第二正弦波纹管式布液管的直径，第一正弦波纹管式布液管位于第二正弦波纹管式布液管的内侧，分配支管位于两个正弦波纹管式布液管之间，两端分别与两个正弦波纹管式布液管连通。
7.根据权利要求1所述的适用于FLNG的正弦波纹管型绕管式换热器，其特征在于：第一正弦波纹缠绕管束、第二正弦波纹管束的波峰和波谷的位置自上而下一一交错对应，第一正弦波纹缠绕管束的波峰和波谷位置位于第二正弦波纹管束的波峰和波谷位置的外侧，第一正弦波纹管式布液管与第一正弦波纹缠绕管束的波峰和波谷位置自上而下一一交错对应，第二正弦波纹管式布液管与第二正弦波纹管束的波峰和波谷位置自上而下一一交错对应。
8.权利要求1-7任一所述的适用于FLNG的正弦波纹管型绕管式换热器在浮式生产装置中的应用。
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