CN115372405B - 一种螺旋管内天然气液化试验装置、系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺旋管内天然气液化试验装置、系统及方法，属于传热技术领域。天然气液化试验装置包括：天然气传输组件，液氮传输组件和换热试验组件；换热试验组件包括依次连通的第一冷却段、第二冷却段和第三冷却段，天然气进入第一冷却段被部分液化，后以气液两相状态进入第二冷却段被冷凝，最后在第三冷却段中被低温液氮完全冷凝为液态。本发明可实现温度为‑150～40℃、压力为2.5～6.5MPa.g范围螺旋管内天然气液化过程流动传热特性的测试，并能实现对天然气压力、干度、质流密度等参数的控制与调节，通过一定温度和压力范围内天然气传热特性的试验研究，可以获得螺旋管内天然气液化过程流动传热特性。
Description
技术领域
本发明属于传热技术领域，具体涉及一种螺旋管内天然气液化试验装置、系统及方法。
背景技术
天然气作为一种清洁能源，具有热值高、碳排放少等优点而被广泛应用。由于气态天然气密度较小，为了方便储存和运输，通常采用将天然气液化处理。目前，大型天然气液化过程的主换热设备为绕管式换热器，这种换热器由多层螺旋换热管交替缠绕在中心筒上形成，天然气在螺旋换热管中自下而上流动，与壳程混合制冷剂完成换热，由于天然气在螺旋管内液化过程非常复杂，尚未有公认的流动传热计算方法与变化规律。
试验作为研究天然气液化过程流动传热特性的主要手段，试验系统及样件设计的合理性、仪器测量的精度直接影响结果的准确性与研究的可靠性。现有螺旋管内流动传热试验介质与天然气的性质有差异，所用螺旋换热管的材质、管径、螺旋角等参数也与实际使用工况不尽相同，难以反映天然气在螺旋管内流动与传热过程。
发明内容
发明目的：本发明提供一种螺旋管内天然气液化试验装置，用于模拟大型绕管式换热器中螺旋管内天然气液化过程；本申请的另一目的在于提供一种螺旋管内天然气液化试验系统，用于测量天然气流动的传热参数；本申请的另一目的在于提供一种螺旋管内天然气液化试验方法，用于实现螺旋管内天然气液化过程流动传热特性的测试。
技术方案：本发明的一种天然气液化试验装置，包括：天然气传输组件，液氮传输组件和换热试验组件；
所述天然气传输组件包括天然气进气口和液化天然气出液口；
所述液氮传输组件包括液氮进液口和氮气出气口；
所述换热试验组件包括第一冷却段、第二冷却段和第三冷却段；
所述第一冷却段包括相互连通的第一输入端和第一输出端以及相互连通的第二输入端和第二输出端；所述第二冷却段包括相互连通的第三输入端和第三输出端以及相互连通的第四输入端和第四输出端；所述第三冷却段包括相互连通的第五输入端和第五输出端以及相互连通的第六输入端和第六输出端；
其中，所述第一输入端与所述天然气进气口连接，所述第一输出端与所述第三输入端连接，所述第三输出端与所述第五输入端连接，所述第五输出端与所述液化天然气出液口连接；所述第四输入端与所述液氮进液口连接，所述第四输出端与所述第六输入端连接，所述第六输出端与所述第二输入端连接，所述第二输出端与所述氮气出气口连接。
在一些实施例中，所述第一输入端和所述第二输出端位于同一侧，所述第一输出端和所述第二输入端位于同一侧；所述第三输入端和所述第四输入端位于同一侧，所述第三输出端与所述第四输出端位于同一侧；所述第五输入端和所述第六输出端位于同一侧，所述第五输出端和所述第六输入端位于同一侧。
在一些实施例中，所述天然气传输组件包括：
缓冲罐，所述缓冲罐连接于所述天然气进气口和所述第一输入端之间；
液化天然气减压阀，所述液化天然气减压阀连接于所述第五输出端和所述液化天然气出液口之间。
在一些实施例中，所述天然气传输组件包括：
压力调节装置，所述压力调节装置连接于所述天然气进气口和所述缓冲罐之间。
在一些实施例中，所述压力调节装置包括天然气压缩机和天然气减压阀，所述天然气压缩机和所述天然气减压阀之间并联连接。
在一些实施例中，所述液氮传输组件包括：
液氮储罐，所述液氮储罐上设置所述液氮进液口，所述液氮储罐通过所述液氮进液口与所述第四输入端连接；
氮气加热器，所述氮气加热器连接于所述第二输出端与所述氮气出气口之间；
氮气减压阀，所述氮气减压阀连接于所述氮气加热器和所述氮气出气口之间。
在一些实施例中，所述液氮传输组件包括：
氮气放空消音器，所述氮气放空消音器连接于所述氮气减压阀和所述氮气出气口之间。
在一些实施例中，所述天然气进气口和所述第三输入端之间设有与所述第一冷却段并联的第一旁通管路，所述第一输出端和所述第五输入端之间设有与所述第二冷却段并联的第二旁通管路；所述第二输出端和所述液化天然气出液口之间设有与所述第三冷却段并联的第三旁通管路。
在一些实施例中，所述换热试验组件包括；
第一测量单元，所述第一测量单元用于测量流过所述第一冷却段的流体的温度和压差；
第二测量单元，所述第二测量单元用于测量流过所述第二冷却段的流体的温度和压差；
第三测量单元，所述第三测量单元用于测量流过所述第三冷却段的流体的温度和压差。
在一些实施例中，
所述第一测量单元包括第一温度传感器和第一差压变送器，所述第一温度传感器连接于所述第一输入端和所述第一输出端之间和/或连接于所述第二输入端和第二输出端之间；所述第一差压变送器连接于所述天然气进气口和所述第三输入端之间和/或连接于所述第六输出端和所述氮气出气口之间；
所述第二测量单元包括第二温度传感器和第二差压变送器，所述第二温度传感器连接于所述第三输入端和所述第三输出端之间和/或连接于所述第四输入端和所述第四输出端之间；所述第二差压变送器连接于所述第一输出端和所述第五输入端之间和/或连接于所述液氮进液口和所述第六输入端之间；
所述第三测量单元包括第三温度传感器和第三差压变送器，所述第三温度传感器连接于所述第五输入端和所述第五输出端之间和/或连接于所述第六输入端和所述第六输出端之间；所述第三差压变送器连接于所述第三输出端和所述液化天然气出液口之间和/或连接于所述第四输出端和所述第二输入端之间。
在一些实施例中，所述第一输入端的温度为35℃～45℃，所述第一输出端的温度为-70℃～-75℃，所述第三输出端的温度为-80℃～-90℃，所述第五输出端的温度为-145℃～-155℃；所述第四输入端的温度为-186℃～-196℃，所述第四输出端的温度为-175℃～-178℃，所述第六输出端的温度为-170～-172℃，所述第二输出端的温度为-55℃～-60℃。
在一些实施例中，所述换热试验组件包括第四测量单元，所述第四测量单元包括第四温度传感器、第五温度传感器、第六温度传感器和第七温度传感器；所述第四温度传感器连接于所述第一输出端和所述第三输入端之间，所述第五温度传感器连接于所述第三输出端和所述第五输入端之间，所述第六温度传感器连接于所述第四输出端和所述第六输入端之间，所述第七温度传感器连接于所述第六输出端和所述第二输入端之间。
在一些实施例中，所述天然气传输组件包括第五测量单元，所述第五测量单元用于测量流过所述天然气传输组件的流体的流量、温度和压力。
在一些实施例中，所述第五测量单元包括第一流量传感器和第一流量调节阀，所述第一流量调节阀连接于所述缓冲罐和所述第一输入端之间，所述第一流量传感器连接于所述缓冲罐和所述第一流量调节阀之间。
在一些实施例中，所述第五测量单元还包括用于测量流体压力的第一压力变送器和用于测量流体温度的第八温度传感器。
在一些实施例中，所述液氮传输组件包括第六测量单元，所述第六测量单元用于测量流过所述液氮传输组件的流体的流量、温度和压力。
在一些实施例中，所述第六测量单元包括第二流量传感器和第二流量调节阀，所述第二流量调节阀连接于所述液氮储罐和所述第四输入端之间，所述第二流量传感器连接于所述液氮储罐和所述第二流量调节阀之间。
在一些实施例中，所述第六测量单元还包括用于测量流体压力的第二压力变送器和用于测量流体温度的第九温度传感器。
在一些实施例中，所述第一冷却段、所述第二冷却段和所述第三冷却段均采用缠绕管式换热器。
在一些实施例中，本发明进一步提供了一种天然气液化试验系统，包括：
一种天然气液化试验装置，所述天然气液化试验装置包括第一测量单元、第二测量单元、第三测量单元、第四测量单元、第五测量单元和第六测量单元；以及
数据采集系统，所述数据采集系统与所述第一测量单元、所述第二测量单元、所述第三测量单元、所述第四测量单元、所述第五测量单元和所述第六测量单元通信连接。
在一些实施例中，所述天然气液化试验装置包括换热介质和冷却介质；其中，所述换热介质包括天然气，所述天然气的温度变化范围为-150℃～40℃，所述天然气的压力变化范围为2.5～6.5MPa.g；所述冷却介质包括液氮，所述液氮的温度变化范围为-196℃～20℃，所述液氮的压力变化范围为0.4～1.5MPa.g。
在一些实施例中，本发明还提供了一种天然气液化试验方法，包括以下步骤：
提供一种天然气液化试验系统，将所述天然气液化试验系统的运行工况调至设计状态；
监测所述天然气液化试验系统的运行参数，待系统稳定后记录天然气传输组件，液氮传输组件和换热试验组件的测量数据；
对测量数据进行处理分析，获得天然气液化过程流动压降与传热系数，建立适用于天然气液化过程的流动和传热经验关联式。
有益效果：现有技术相比，本发明的一种天然气液化试验装置，包括：天然气传输组件，液氮传输组件和换热试验组件；天然气传输组件包括天然气进气口和液化天然气出液口；液氮传输组件包括液氮进液口和氮气出气口；换热试验组件包括第一冷却段、第二冷却段和第三冷却段；第一冷却段包括相互连通的第一输入端和第一输出端以及相互连通的第二输入端和第二输出端；第二冷却段包括相互连通的第三输入端和第三输出端以及相互连通的第四输入端和第四输出端；第三冷却段包括相互连通的第五输入端和第五输出端以及相互连通的第六输入端和第六输出端；其中，第一输入端与天然气进气口连接，第一输出端与第三输入端连接，第三输出端与第五输入端连接，第五输出端与液化天然气出液口连接；第四输入端与液氮进液口连接，第四输出端与第六输入端连接，第六输出端与第二输入端连接，第二输出端与氮气出气口连接。本发明通过设置换热试验组件，能够反映液化天然气(LNG)绕管式换热器螺旋管内部流体通道的结构特征，在保证换热管直径及缠绕方式与实际换热器一致的前提下，按比例减小热负荷与换热面积，将试验的样件简化，通过对试验样件的参数测量可以精确反映LNG缠绕管式换热器螺旋管内的传热与压降特性。
本发明的一种天然气液化试验系统，包括：天然气液化试验装置数据采集系统，数据采集系统与第一测量单元、第二测量单元、第三测量单元、第四测量单元、第五测量单元和第六测量单元通信连接。本申请的系统以天然气作为测试的换热介质，所用的螺旋换热管的材质、管径等参数与实际使用工况接近，能够实现天然气在低温高压工况下的参数测试。
本发明的一种天然气液化试验方法，包括：提供一种天然气液化试验系统，将天然气液化试验系统的运行工况调至设计状态；监测天然气液化试验系统的运行参数，待系统稳定后记录天然气传输组件，液氮传输组件和换热试验组件的测量数据；对测量数据进行处理分析，获得天然气液化过程流动压降与传热系数，建立适用于天然气液化过程的流动和传热经验关联式。本申请的方法可实现温度为-150℃～40℃、压力为2.5～6.5MPa.g范围螺旋管内天然气液化过程流动传热特性的测试，并能实现对天然气压力、干度、质流密度等参数的控制与调节，完整地实现一定温度和压力范围内天然气传热特性的试验研究，通过试验数据的分析可以获得螺旋管内天然气液化过程流动传热特性，并通过试验数据的分析拟合，建立适用于螺旋管内天然气液化过程的流动和传热经验关联式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的天然气液化试验装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的天然气传输组件的示意图；
图3是本发明实施例提供的液氮传输组件的示意图；
图4是本发明实施例提供的换热试验组件的示意图；
图5是本发明实施例提供的第一冷却段的示意图；
图6是本发明实施例提供的第二冷却段的示意图；
图7是本发明实施例提供的第三冷却段的示意图；
图8是本发明实施例提供的第二冷却段的筒体结构示意图；
图9是本图8中A处的局部放大图；
图10是本发明实施例提供的螺旋管示意图；
图11是本发明数据采集系统的连接框图；
图12是本发明天然气液化试验方法的流程图；
附图标记：1-天然气传输组件，2-液氮传输组件，3-换热试验组件，11-天然气进气口，12-液化天然气出液口，13-缓冲罐，14-液化天然气减压阀，15-压力调节装置，16-第五测量单元，21-液氮进液口，22-氮气出气口，23-液氮储罐，24-氮气加热器，25-氮气减压阀，26-氮气放空消音器，27-第六测量单元，31-第一冷却段，32-第二冷却段，33-第三冷却段，34-第一旁通管路，35-第二旁通管路，36-第一测量单元，37-第二测量单元，38-第三测量单元，39-第四测量单元，40-第三旁通管路，151-天然气压缩机，152-天然气减压阀，161-第一流量传感器，162-第一流量调节阀，163-第一压力变送器，164-第八温度传感器，271-第二流量传感器，272-第二流量调节阀，273-第二压力变送器，274-第九温度传感器，300-筒体，301-螺旋管，302-壳侧温度测点，303-管壁温度测点，311-第一输入端，312-第一输出端，313-第二输入端，314-第二输出端，321-第三输入端，322-第三输出端，323-第四输入端，324-第四输出端，331-第五输入端，332-第五输出端，333-第六输入端，334-第六输出端，361-第一温度传感器，362-第一差压变送器，371-第二温度传感器，372-第二差压变送器，381-第三温度传感器，382-第三差压变送器，391-第四温度传感器，392-第五温度传感器，393-第六温度传感器，394-第七温度传感器。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“宽度”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
申请人发现，由于天然气在螺旋管内液化过程非常复杂，尚未有公认的流动传热计算方法与变化规律。国内外学者提出了许多不同的经验关联式，这些关联式基本都是在自己或他人的实验数据基础上总结得来。根据目前的研究，现有试验介质多采用单工质或两种烷烃的混合工质，而天然气一般是由CH4，C2H6，C3H8，N2，CO2等多种组分构成。相对于现有试验介质，天然气在螺旋管内冷凝过程更为复杂，不仅需要考虑重力与离心力的作用，还需要考虑混合物混合效应。另外，若试验工况与实际天然气液化工况的螺旋管结构参数相差较大，则很难反映天然气在螺旋管内流动与传热过程，保证工程设计时的适用性与准确性。试验作为研究天然气液化过程流动传热特性的主要手段，试验系统及样件设计的合理性、仪器测量的精度直接影响结果的准确性与研究的可靠性。现有螺旋管内流动传热试验介质与天然气的性质有差异，所用螺旋换热管的材质、管径、螺旋角等参数也与实际使用工况不尽相同。
鉴于此，本发明提供一种螺旋管内天然气液化试验装置、系统及方法，反映大型绕管式换热器中螺旋管内天然气液化过程，对于研究天然气液化过程流动传热特性是非常必要的。
参见图1的一种天然气液化试验装置，包括天然气传输组件1，液氮传输组件2和换热试验组件3；天然气传输组件1包括天然气进气口11和液化天然气出液口12；液氮传输组件2包括液氮进液口21和氮气出气口22；换热试验组件3包括两组相互连通的输入端和输出端，其中的一组输入端和输出端分别与天然气进气口11和液化天然气出液口12连接，另一组输入端和输出端分别与液氮进液口21和氮气出气口22连接。
在一些实施例中，天然气传输组件1中采用的换热介质为天然气，天然气传输组件1用于将天然气由气相转变为液相，形成液态天然气；液氮传输组件2用于对天然气进行换热，所用的冷却介质为液氮。
进一步参见图2，天然气传输组件1还包括缓冲罐13、液化天然气减压阀14和压力调节装置15；其中，压力调节装置15包括天然气压缩机151和天然气减压阀152，天然气压缩机151和天然气减压阀152之间并联连接。缓冲罐13连接于天然气进气口11和第一输入端311之间，液化天然气减压阀14连接于第五输出端332和液化天然气出液口12之间，压力调节装置15连接于天然气进气口11和缓冲罐13之间；天然气传输组件1还包括第五测量单元16，第五测量单元16用于测量流过天然气传输组件1的流体的流量、温度和压力。其中，第五测量单元16包括第一流量传感器161、第一流量调节阀162、第一压力变送器163和第八温度传感器164，第一流量调节阀162连接于缓冲罐13和第一输入端311之间，第一流量传感器161连接于缓冲罐13和第一流量调节阀162之间，天然气压缩机151或天然气减压阀152的输入端连接天然气进气口11，天然气压缩机151或天然气减压阀152的输出端连接缓冲罐13，缓冲罐13的输出端经过第一流量调节阀162后连接换热试验组件3，换热试验组件3的输出端经过液化天然气减压阀14后连接液化天然气出液口12。
在一些实施例中，天然气的流量可通过第一流量调节阀162来控制，并由第一流量传感器161测量得出；第一压力变送器163可以连接于缓冲罐13与换热试验组件3的第一输入端311之间来测量初始的天然气压力，也可以连接于换热试验组件3的第五输出端332与液化天然气减压阀14之间用于测量换热后液化天然气压力，还可以连接于液化天然气减压阀14与液化天然气出液口12之间用于测量减压后的液化天然气压力；第八温度传感器164可以设置在第一压力变送器163的一侧，分别用于测量初始的天然气温度、换热后液化天然气的温度以及经过减压后的天然气温度。
进一步参见图3，液氮传输组件2还包括液氮储罐23、氮气加热器24、氮气减压阀25和氮气放空消音器26；液氮储罐23上设置液氮进液口21，液氮储罐23通过液氮进液口21与第四输入端323连接；氮气加热器24连接于第二输出端314与氮气出气口22之间；氮气减压阀25连接于氮气加热器24和氮气出气口22之间；氮气放空消音器26连接于氮气减压阀25和氮气出气口22之间；所述液氮传输组件2还包括第六测量单元27，所述第六测量单元27用于测量流过所述液氮传输组件2的流体的流量、温度和压力。所述第六测量单元27包括第二流量传感器271、第二流量调节阀272、第二压力变送器273和第九温度传感器274，所述第二流量调节阀272连接于所述液氮储罐23和所述第四输入端323之间，所述第二流量传感器271连接于所述液氮储罐23和所述第二流量调节阀272之间，液氮的流量通过第二流量调节阀272来控制，并通过第二流量传感器271来测量得出；液氮储罐23的输出端经过第二流量调节阀272后连接换热试验组件3的第四输入端323，换热试验组件3的第二输出端314连接氮气加热器24输入端，氮气加热器24的输出端经过氮气减压阀25后连接氮气放空消音器26，氮气放空消音器26连接氮气出气口22。
在一些实施例中，氮的流量可通过第二流量调节阀272来控制，氮气加热器24采用电加热方式，可通过调节加热功率来适应不同工况；第二压力变送器273可以连接于液氮储罐23与换热试验组件3的第四输入端323之间来测量初始的液氮的压力，也可以连接于换热试验组件3的第二输出端314与氮气加热器24之间用于测量换热后气化的氮气压力；第九温度传感器274可以设置在第二压力变送器273的一侧，分别用于测量初始的液氮的温度、换热后气化的氮气的温度，还可以设置在氮气加热器24之后，来测量加热后氮气的温度。
在一些实施例中，天然气(10℃，3.2MPa.g)经天然气压缩机151或天然气减压阀152调节压力后进入缓冲罐13，稳压后进入换热试验组件3，在换热试验组件3内被液氮冷却液化为LNG，经液化天然气减压阀14减压后，进入LNG储罐储存；液氮(-196℃，0.8MPa.g)自液氮储罐23流出，进入换热试验组件3为天然气提供冷量，离开换热试验组件3后经过氮气加热器24加热至常温，通过氮气减压阀25减压并经过消音后高处放空。
请进一步参见图4-8，换热试验组件3包括第一冷却段31、第二冷却段32和第三冷却段33；其中，第一冷却段31对应预冷段，第二冷却段32对应液化段，第三冷却段33对应深冷段；以图3所示，第一冷却段31、第二冷却段32和第三冷却段33按照由下至上的方向排列；其中，第一冷却段31包括相互连通的第一输入端311和第一输出端312以及相互连通的第二输入端313和第二输出端314；第二冷却段32包括相互连通的第三输入端321和第三输出端322以及相互连通的第四输入端323和第四输出端324；第三冷却段33包括相互连通的第五输入端331和第五输出端332以及相互连通的第六输入端333和第六输出端334；第一输入端311与天然气进气口11连接，第一输出端312与第三输入端321连接，第三输出端322与第五输入端331连接，第五输出端332与液化天然气出液口12连接；第四输入端323与液氮进液口21连接，第四输出端324与第六输入端333连接，第六输出端334与第二输入端313连接，第二输出端314与氮气出气口22连接。
在一些实施例中，天然气先进入到第一冷却段31被部分液化，以气液两相状态进入到第二冷却段32中被进一步冷凝，最后进入到第三冷却段33中被完全冷凝为液态；液氮先进入到第二冷却段32中，并在第二冷却段32中始终保持液相状态进行换热，随后以液相状态进入到第三冷却段33中进行进一步进行换热，最后以气相状态进入到第一冷却段31中进行换热。
在一些实施例中，换热试验组件3包括第一测量单元36、第二测量单元37、第三测量单元38和第四测量单元39，第一测量单元36用于测量流过第一冷却段31的流体的温度和压差；第二测量单元37用于测量流过第二冷却段32的流体的温度和压差；第三测量单元38用于测量流过第三冷却段33的流体的温度和压差；第四测量单元用于测量第一冷却段31与第二冷却段32以及第二冷却段32和第三冷却段33之间的流体的温度。
请进一步参阅图5，第一测量单元36包括第一温度传感器361和第一差压变送器362，第一温度传感器361连接于第一输入端311和第一输出端312之间和/或连接于第二输入端313和第二输出端314之间；第一差压变送器362连接于天然气进气口11和第三输入端321之间和/或连接于第六输出端334和氮气出气口22之间。
请进一步参阅图6，第二测量单元37包括第二温度传感器371和第二差压变送器372，第二温度传感器371连接于第三输入端321和第三输出端322之间和/或连接于第四输入端323和第四输出端324之间；第二差压变送器372连接于第一输出端312和第五输入端331之间和/或连接于液氮进液口21和第六输入端333之间。
请进一步参阅图7，第三测量单元38包括第三温度传感器381和第三差压变送器382，第三温度传感器381连接于第五输入端331和第五输出端332之间和/或连接于第六输入端333和第六输出端334之间；第三差压变送器382连接于第三输出端322和液化天然气出液口12之间和/或连接于第四输出端324和第二输入端313之间。
请进一步参阅图4，第四测量单元包括第四温度传感器391、第五温度传感器392、第六温度传感器393和第七温度传感器394；第四温度传感器391连接于第一输出端312和第三输入端321之间，第五温度传感器392连接于第三输出端322和第五输入端331之间，第六温度传感器393连接于第四输出端324和第六输入端333之间，第七温度传感器394连接于第六输出端334和第二输入端313之间。
在一些实施例中，第一输入端311的温度为35℃～45℃，优选为40℃；第一输出端312的温度为-70℃～-75℃，优选为-75℃；第三输出端322的温度为-80℃～-90℃，优选为-84.2℃；第五输出端332的温度为-145℃～-155℃，优选为-150℃；第四输入端323的温度为-195℃～-200℃，优选为-196℃；第四输出端324的温度为-175℃～-178℃，优选为-175℃；第六输出端334的温度为-170～-172℃，优选为-171.2℃；第二输出端314的温度为-55℃～-60℃，优选为-60℃。
在一些实施例中，请进一步参阅图5、图6和图7，为便于控制第二冷却段的进口天然气的状态，在天然气进气口11和第三输入端321之间设有与第一冷却段31并联的第一旁通管路34，在第一输出端312和第五输入端331之间设有与第二冷却段32并联的第二旁通管路35，在第二输出端314和液化天然气出液口12之间设有与第三冷却段33并联的第三旁通管路40。
在一些实施例中，第一冷却段31、第二冷却段32和第三冷却段33均采用缠绕管式换热器，第一冷却段31、第二冷却段32和第三冷却段33的结构相似，具体参见图8、图9和图10，缠绕管式换热器包括筒体300和沿筒体300的外壁环绕设置的螺旋管301，其中，筒体300用于液氮的传输，螺旋管301用于天然气的传输，每一个筒体300上设置相互连通的输入口和输出口，例如：相互连通的第二输入端313和第二输出端314，其它段结构的同理设置；每一个螺旋管301包括相互连通的进口和出口，例如：相互连通的第一输入端311和第一输出端312，其它段的结构同理设置；在筒体300上设置壳侧温度测点302，在螺旋管301上设置管壁温度测点303。壳侧温度测点302和管壁温度测点303用于第一温度传感器361或第二温度传感器371以及第三温度传感器381来确定所安装的位置。在换热系数的计算中管内壁温是必需的参数之一，但由于试验样件结构复杂，使得内壁温测量十分困难，通常采用测量外壁温度并根据管壁之间的温度梯度推导出内壁温度。本试验装置需要测量管壁温与管内流体之间的换热温差，对温度测量的精度要求较高，参见图9，管壁温度测点303设置于螺旋管301的中间位置，在同一截面布置2个温度传感器(热电阻)，取其平均值作为外壁温度测量值，可以有效消除偶然误差。
在一些实施例中，常规的管壁温度测量方法是将温度传感器的套管焊接在管壁外表面或将尺度极小的探头直接布置在管壁内部，从而实现对管壁温度的直接测量。然而天然气液化的螺旋换热管为铝合金材质，且壁厚仅为1.3mm，使得加工难度极大。本试验系统采用过盈配合方式将热电阻布置于管壁表面，实现对螺旋管外表面温度的测量。
在一些实施例中，由于第一冷却段31、第二冷却段32和第三冷却段33采用由下至上的设置方式，因此针对每一段中的进出口需要满足：第一输入端311和第二输出端314位于同一侧，第一输出端312和第二输入端313位于同一侧；第三输入端321和第四输入端323位于同一侧，第三输出端322与第四输出端324位于同一侧；第五输入端331和第六输出端334位于同一侧，第五输出端332和第六输入端333位于同一侧。在第一冷却段31中，气相的天然气是由下至上的方向传输，氮气是由上之下的方向传输；在第二冷却段32中，气液共存的天然气是由下至上的方向传输，液相的液氮由下至上的方向传输；在第三冷却段33中，气液共存的天然气是由下至上的方向传输，液氮由上之下的方向传输。
在一些实施例中，试验过程中需要对流量、温度和压力等参数进行测量，压力测量包括缓冲罐压力、螺旋管301的管侧与筒体300的壳侧的流体压力，螺旋管301的管侧与筒体300的壳侧的进出口压差等；温度测量包括螺旋管301的管侧与筒体300的壳侧的流体温度，换热试验组件3中间位置管外壁温以及氮气加热器24出口温度等；流量测量包括天然气与液氮的质量流量。由于试验介质具有易燃易爆的特点，为了保证试验系统的安全性，在现场设置了可燃气体报警仪与便携式氧气测量仪。
在一些实施例中，所用的温度传感器型号为PT100，测量范围-196～100℃，精度±0.15K；第一差压变送器362、第二差压变送器372和第三差压变送器382的测量范围包括0～200kPa或0～200Pa两种类型，精度±0.1％，可按照实际的测试需求进行选择；第一压力变送器163和第二压力变送器273的测量范围包括0～8Mpa或0～1.6MPa，精度±0.1％，可按照实际的测试需求进行选择；第一流量传感器161的测量范围为0～400kg/h，精度±0.35％；第二流量传感器271的测量范围为0～800kg/h，精度±0.1％。
在一些实施例中，所采用的换热试验组件3能够反映LNG缠绕管式换热器螺旋管内部流体通道的结构特征，能够实现低温高压工况下的参数测试。整体结构为螺旋管缠绕于筒体上的形式，换热管材质为铝管，筒体与壳体材质均为不锈钢。管侧流体为天然气，筒体的壳侧流体为液氮。为了使换热试验组件3内的流型充分发展，在天然气进入换热试验组件3前可以设置一段长直管的流型发展段。
在一些实施例中，所用的主要设备参数参见下表1。
表1
在一些实施例中，所采用的测量单元适配于开口型试验系统，能够实现对螺旋管内天然气液化传热与压降特性的测试，满足试验数据测试需求、试验工况控制需求、低温试验设计参数需求及安全防爆需求。螺旋管内传热流动机理试验工况能够反映LNG缠绕管式换热器中螺旋管内的工质、结构尺寸与运行工况的范围，尤其是影响换热系数与压降的主要参数范围。试验系统工况范围与实际生产的工况对比参见表2。
表2
天然气侧试验样件输入端即为第一输入端311(40℃，气态)，第一输出端312(-75℃，气液两相)与第三输入端321连接，第三输出端322(-84.2℃，气液两相)与第五输入端331连接，第五输出端332(-150℃，液态)即为天然气侧试验样件输出端。天然气进入到第一冷却段31被部分液化，以气液两相状态进入第二冷却段32被进一步冷凝，最后在第三冷却段33中被低温液氮完全冷凝为液态。本试验系统研究针对螺旋管内天然气液化过程，试验样件第二冷却段32的螺旋管内流动传热过程为主要研究对象，为了便于后续通过热阻分离法对液化段螺旋管内换热特性进行分析，将第二冷却段32的筒体的壳侧设计为无相变的液氮加热过程，因此液氮自液氮储罐先进入第二冷却段32，以液态形式进入第三冷却段33流程。氮气侧试验样件输入端即为第四输入端323(-196℃，液态)，第四输出端324与第六输入端333(-175℃，液态)连接，第六输出端334(-171.2℃，气态)与第二输入端313连接，第二输出端314(-60℃，气态)即为氮气侧试验样件输出端。
在一些实施例中，为了方便对测量的温度、压力和流量参数进行统计，还配置了数据采集系统，参见图11，数据采集系统与第一测量单元36、第二测量单元37、第三测量单元38、第四测量单元39、第五测量单元16和第六测量单元27通信连接，数据采集系统可采用PLC控制，通过PLC控制柜传输至计算机进行显示与分析，并通过控制柜对调节阀、压缩机变频器和电加热器等设备进行控制。采用PLC对试验数据进行采集并进行参数控制，由于试验台的防爆特性，测量仪器安装在现场试验区，PLC控制柜置于安全区，增设安全隔离栅，可避免控制柜输出的控制信号产生的电火花进入现场试验区。
参见图12，本申请的天然气液化试验方法，包括以下步骤：
步骤一，试验时通过控制天然气压缩机排气压力(或切换至减压阀所在管路)来调整天然气压力，通过控制液氮与天然气流量调节阀的开度来调整液氮与天然气的进出口参数，将运行工况调至设计状态。
步骤二，监测试验系统参数，待系统稳定后记录数据，平行试验至少3次。
试验样件进出口天然气和液氮的温度、压力和流量为自行设置，可根据设计工况进行调节。
步骤三，对试验结果进行数据处理与结果分析，获得天然气液化过程流动压降与传热系数，建立适用于螺旋管内天然气液化过程的流动和传热经验关联式。
本发明提供一种天然气液化试验装置、系统及方法，其可实现温度为-150～40℃、压力为2.5～6.5MPa.g范围螺旋管内天然气液化过程流动传热特性的测试，并能实现对天然气压力、干度、质流密度等参数的控制与调节，完整地实现一定温度和压力范围内天然气传热特性的试验研究，通过试验数据的分析可以获得螺旋管内天然气液化过程流动传热特性，并通过试验数据的分析拟合，建立适用于螺旋管内天然气液化过程的流动和传热经验关联式。
以上对本发明实施例所提供的一种螺旋管内天然气液化试验装置、系统及方法进行了详细介绍，并应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想；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的技术方案的范围。
Claims (22)
1.一种天然气液化试验装置，其特征在于，包括：天然气传输组件(1)，液氮传输组件(2)和换热试验组件(3)；
所述天然气传输组件(1)包括天然气进气口(11)和液化天然气出液口(12)；
所述液氮传输组件(2)包括液氮进液口(21)和氮气出气口(22)；
所述换热试验组件(3)包括第一冷却段(31)、第二冷却段(32)和第三冷却段(33)；
所述第一冷却段(31)包括相互连通的第一输入端(311)和第一输出端(312)以及相互连通的第二输入端(313)和第二输出端(314)；所述第二冷却段(32)包括相互连通的第三输入端(321)和第三输出端(322)以及相互连通的第四输入端(323)和第四输出端(324)；所述第三冷却段(33)包括相互连通的第五输入端(331)和第五输出端(332)以及相互连通的第六输入端(333)和第六输出端(334)；
其中，所述第一输入端(311)与所述天然气进气口(11)连接，所述第一输出端(312)与所述第三输入端(321)连接，所述第三输出端(322)与所述第五输入端(331)连接，所述第五输出端(332)与所述液化天然气出液口(12)连接；所述第四输入端(323)与所述液氮进液口(21)连接，所述第四输出端(324)与所述第六输入端(333)连接，所述第六输出端(334)与所述第二输入端(313)连接，所述第二输出端(314)与所述氮气出气口(22)连接。
2.根据权利要求1所述的一种天然气液化试验装置，其特征在于，所述第一输入端(311)和所述第二输出端(314)位于同一侧，所述第一输出端(312)和所述第二输入端(313)位于同一侧；所述第三输入端(321)和所述第四输入端(323)位于同一侧，所述第三输出端(322)与所述第四输出端(324)位于同一侧；所述第五输入端(331)和所述第六输出端(334)位于同一侧，所述第五输出端(332)和所述第六输入端(333)位于同一侧。
3.根据权利要求1所述的一种天然气液化试验装置，其特征在于，所述天然气传输组件(1)包括：
缓冲罐(13)，所述缓冲罐(13)连接于所述天然气进气口(11)和所述第一输入端(311)之间；
液化天然气减压阀(14)，所述液化天然气减压阀(14)连接于所述第五输出端(332)和所述液化天然气出液口(12)之间。
4.根据权利要求3所述的一种天然气液化试验装置，其特征在于，所述天然气传输组件(1)包括：
压力调节装置(15)，所述压力调节装置(15)连接于所述天然气进气口(11)和所述缓冲罐(13)之间。
5.根据权利要求4所述的一种天然气液化试验装置，其特征在于，所述压力调节装置(15)包括天然气压缩机(151)和天然气减压阀(152)，所述天然气压缩机(151)和所述天然气减压阀(152)之间并联连接。
6.根据权利要求1所述的一种天然气液化试验装置，其特征在于，所述液氮传输组件(2)包括：
液氮储罐(23)，所述液氮储罐(23)上设置所述液氮进液口(21)，所述液氮储罐(23)通过所述液氮进液口(21)与所述第四输入端(323)连接；
氮气加热器(24)，所述氮气加热器(24)连接于所述第二输出端(314)与所述氮气出气口(22)之间；
氮气减压阀(25)，所述氮气减压阀(25)连接于所述氮气加热器(24)和所述氮气出气口(22)之间。
7.根据权利要求6所述的一种天然气液化试验装置，其特征在于，所述液氮传输组件(2)包括：
氮气放空消音器(26)，所述氮气放空消音器(26)连接于所述氮气减压阀(25)和所述氮气出气口(22)之间。
8.根据权利要求1所述的一种天然气液化试验装置，其特征在于，所述天然气进气口(11)和所述第三输入端(321)之间设有与所述第一冷却段(31)并联的第一旁通管路(34)，所述第一输出端(312)和所述第五输入端(331)之间设有与所述第二冷却段(32)并联的第二旁通管路(35)；所述第二输出端(314)和所述液化天然气出液口(12)之间设有与所述第三冷却段(33)并联的第三旁通管路(40)。
9.根据权利要求1所述的一种天然气液化试验装置，其特征在于，所述换热试验组件(3)包括；
第一测量单元(36)，所述第一测量单元(36)用于测量流过所述第一冷却段(31)的流体的温度和压差；
第二测量单元(37)，所述第二测量单元(37)用于测量流过所述第二冷却段(32)的流体的温度和压差；
第三测量单元(38)，所述第三测量单元(38)用于测量流过所述第三冷却段(33)的流体的温度和压差。
10.根据权利要求9所述的一种天然气液化试验装置，其特征在于，
所述第一测量单元(36)包括第一温度传感器(361)和第一差压变送器(362)，所述第一温度传感器(361)连接于所述第一输入端(311)和所述第一输出端(312)之间和/或连接于所述第二输入端(313)和第二输出端(314)之间；所述第一差压变送器(362)连接于所述天然气进气口(11)和所述第三输入端(321)之间和/或连接于所述第六输出端(334)和所述氮气出气口(22)之间；
所述第二测量单元(37)包括第二温度传感器(371)和第二差压变送器(372)，所述第二温度传感器(371)连接于所述第三输入端(321)和所述第三输出端(322)之间和/或连接于所述第四输入端(323)和所述第四输出端(324)之间；所述第二差压变送器(372)连接于所述第一输出端(312)和所述第五输入端(331)之间和/或连接于所述液氮进液口(21)和所述第六输入端(333)之间；
所述第三测量单元(38)包括第三温度传感器(381)和第三差压变送器(382)，所述第三温度传感器(381)连接于所述第五输入端(331)和所述第五输出端(332)之间和/或连接于所述第六输入端(333)和所述第六输出端(334)之间；所述第三差压变送器(382)连接于所述第三输出端(322)和所述液化天然气出液口(12)之间和/或连接于所述第四输出端(324)和所述第二输入端(313)之间。
11.根据权利要求10所述的一种天然气液化试验装置，其特征在于，所述第一输入端(311)的温度为35℃～45℃，所述第一输出端(312)的温度为-70℃～-75℃，所述第三输出端(322)的温度为-80℃～-90℃，所述第五输出端(332)的温度为-145℃～-155℃；所述第四输入端(323)的温度为-186℃～-196℃，所述第四输出端(324)的温度为-175℃～-178℃，所述第六输出端(334)的温度为-170～-172℃，所述第二输出端(314)的温度为-55℃～-60℃。
12.根据权利要求9所述的一种天然气液化试验装置，其特征在于，所述换热试验组件包括第四测量单元(39)，所述第四测量单元包括第四温度传感器(391)、第五温度传感器(392)、第六温度传感器(393)和第七温度传感器(394)；所述第四温度传感器(391)连接于所述第一输出端(312)和所述第三输入端(321)之间，所述第五温度传感器(392)连接于所述第三输出端(322)和所述第五输入端(331)之间，所述第六温度传感器(393)连接于所述第四输出端(324)和所述第六输入端(333)之间，所述第七温度传感器(394)连接于所述第六输出端(334)和所述第二输入端(313)之间。
13.根据权利要求3所述的一种天然气液化试验装置，其特征在于，所述天然气传输组件(1)包括第五测量单元(16)，所述第五测量单元(16)用于测量流过所述天然气传输组件(1)的流体的流量、温度和压力。
14.根据权利要求13所述的一种天然气液化试验装置，其特征在于，所述第五测量单元(16)包括第一流量传感器(161)和第一流量调节阀(162)，所述第一流量调节阀(162)连接于所述缓冲罐(13)和所述第一输入端(311)之间，所述第一流量传感器(161)连接于所述缓冲罐(13)和所述第一流量调节阀(162)之间。
15.根据权利要求13所述的一种天然气液化试验装置，其特征在于，所述第五测量单元(16)还包括用于测量流体压力的第一压力变送器(163)和用于测量流体温度的第八温度传感器(164)。
16.根据权利要求6所述的一种天然气液化试验装置，其特征在于，所述液氮传输组件(2)包括第六测量单元(27)，所述第六测量单元(27)用于测量流过所述液氮传输组件(2)的流体的流量、温度和压力。
17.根据权利要求16所述的一种天然气液化试验装置，其特征在于，所述第六测量单元(27)包括第二流量传感器(271)和第二流量调节阀(272)，所述第二流量调节阀(272)连接于所述液氮储罐(23)和所述第四输入端(323)之间，所述第二流量传感器(271)连接于所述液氮储罐(23)和所述第二流量调节阀(272)之间。
18.根据权利要求17所述的一种天然气液化试验装置，其特征在于，所述第六测量单元(27)还包括用于测量流体压力的第二压力变送器(273)和用于测量流体温度的第九温度传感器(274)。
19.根据权利要求1所述的一种天然气液化试验装置，其特征在于，所述第一冷却段(31)、所述第二冷却段(32)和所述第三冷却段(33)均采用缠绕管式换热器。
20.一种天然气液化试验系统，其特征在于，包括：
权利要求1-19任一项所述的一种天然气液化试验装置，所述天然气液化试验装置包括第一测量单元(36)、第二测量单元(37)、第三测量单元(38)、第四测量单元(39)、第五测量单元(16)和第六测量单元(27)；以及
数据采集系统，所述数据采集系统与所述第一测量单元(36)、所述第二测量单元(37)、所述第三测量单元(38)、所述第四测量单元(39)、所述第五测量单元(16)和所述第六测量单元(27)通信连接。
21.根据权利要求20所述的一种天然气液化试验系统，其特征在于，所述天然气液化试验装置包括换热介质和冷却介质；
其中，所述换热介质包括天然气，所述天然气的温度变化范围为-150℃～40℃，所述天然气的压力变化范围为2.5～6.5MPa.g；
所述冷却介质包括液氮，所述液氮的温度变化范围为-196℃～20℃，所述液氮的压力变化范围为0.4～1.5MPa.g。
22.一种天然气液化试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一种权利要求20或21所述的天然气液化试验系统，将所述天然气液化试验系统的运行工况调至设计状态；
监测所述天然气液化试验系统的运行参数，待系统稳定后记录天然气传输组件，液氮传输组件和换热试验组件的测量数据；
对测量数据进行处理分析，获得天然气液化过程流动压降与传热系数，建立适用于天然气液化过程的流动和传热经验关联式。
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