2017,
Vol. 41
2. 中国石油大学山东省油气储运安全省级重点实验室, 山东青岛 266580;
3. 中海石油气电集团技术研发中心, 北京 100027
2. Shandong Provincial Key Laboratory of Oil and Gas Storage and Transportation Safety, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China;
3. CNOOC Gas & Power Group Research & Development Center, Beijing 100027, China
对能源需求的增加及陆上油气资源的日渐枯竭, 使得远洋油气田开发进程不断加快, 深海浮式液化天然气(FLNG)装置重要性凸显[1-3]。填料吸收塔是FLNG预处理工艺的核心设备, 其运行情况对气体净化效果、气体品质及其经济效益等具有重大影响[4-5]。目前关于海上晃动的研究主要是液仓、储罐类的, 关于塔器的研究较少[6-9]。传统的陆上塔器无法在海浪、台风等恶劣条件下保证较高工作性能, 因此分析填料塔在海洋晃动条件下的液体分布特征, 增加其在FLNG装置上的适用性, 促进中国深海气田、小型气田开发, 充分利用中国海洋天然气资源, 进而促进海上预处理关键技术国产化, 推动相关产业发展具有重要意义[10-12]。笔者研究采用的是工业中常用的Mellapak350Y型金属孔板波纹填料, 填料高度为2 m。首先对单自由度的影响进行试验分析, 得到横摇、纵摇、横荡以及纵荡4个工况对流体分布的影响较大, 以此为基础两两组合得到6组耦合试验工况。最终通过试验分析得出耦合晃动工况对规整填料塔流体分布性能的影响规律。
1 试验部分 1.1 试验流程该试验装置的核心设备包括泵、转子流量计、冷模填料塔、晃动平台以及收集装置。转子流量计的型号是LZB-100, 最小刻度为1 m3/h, 量程为15 m3/h, 获取数据的误差为6.8%, 在允许误差范围内, 满足试验精度要求。液相循环流程(图 1)为:水槽内的水经泵打入浮子流量计, 水流量的大小可通过调节阀门开度进行设定。水进入填料塔后, 依次经过液体分布器、填料以及取样收集装置, 最终重新流回水槽。晃动平台和控制电脑组成的晃动系统可以实现冷模填料塔在单自由度以及耦合自由度不同晃动工况下的晃动, 其中各单自由度晃动轨迹如图 2所示。
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图 1 试验流程 Fig.1 Experimental process |
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图 2 冷模塔晃动形式示意图 Fig.2 Sloshing type of cold model tower |
试验采用的泵为离心泵, 流量计为转子流量计, 阀门为闸阀。主要介绍收集取样以及晃动装置。
图 3为取液装置。由图 3可知, 收集装置主要包括塔底截面处焊接的取样漏斗、同时开关系统及收集容器。装置中共存在从1-1开始至5-3结束的19个塔截面内部液体取样点以及B-1至B-6的6个壁流量取样点。取样点处装有取样漏斗, 当开始取样时, 装置开关同时开启, 水流入收集容器, 取样结束时同时关闭, 停止取液, 再量取收集到的液体体积。根据水的体积以及时间得出流量数值。
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图 3 取液装置 Fig.3 Sampling device |
晃动装置如图 4所示, 主要包括晃动平台、控制柜以及控制电脑。控制电脑可以通过控制柜对晃动平台进行控制。控制平台的晃动是在伺服电机的驱动下通过液压装置实现的。该晃动平台可以实现的晃动工况为：频率0~10 Hz, 摇摆幅度0~10°, 平荡幅度0~150 mm。
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图 4 晃动平台示意图 Fig.4 Sloshing platform |
试验指标主要包括两部分：分布不均匀度指标以及流量分布指标。两指标的确定过程如下。
(1) 不均匀度指标。
不均匀度这一指标反映塔截面整体的分布均匀程度。其计算公式[13]为
| $ {M_{\rm{f}}} = {\left[{\frac{1}{n}\sum\limits_{n = 1}^n {{{\left( {\frac{{{l_i}-\bar l}}{{\bar l}}} \right)}^2}} } \right]^{0.5}}. $ | (1) |
式中, Mf为塔底截面上出口流量的不均匀度; n为塔底截面上计算取样点数, 个; li为塔底截面上i点的流量, m3/s; l为塔底截面上平均流量, m3/s。
(2) 流量分布指标。
本文中分析涉及的流量指标包括整体流量分布、环形流量分布、径向流量分布以及壁流量分布。整体流量分布是对19个塔底截面内部取样点的流量进行分析。
环形流量分布分析的是不同直径处环形区域内的流量分布情况, 图 2中内环取样点包括2-2、2-3、3-4、4-3、4-2、3-2, 外环取样点包括1-1、1-3、3-5、5-3、5-1、3-1。
为分析未晃动工况下对塔截面不同径向位置流量分布的影响, 引入径向流量分布曲线这一分布指标。其中3-1、3-2、3-3、3-4、3-5为AB向径向流量分布分析对象。1-2、2-2与2-3的均值、3-3、4-2与4-3的均值、5-2为CD向径向流量分布分析对象。
壁流量作为塔器分布性能分析的重要指标, 以塔底6个方位的壁面取样点的流量表征塔器壁面流量分布情况。
2 试验结果及其分析 2.1 耦合晃动工况确定根据前期资料调研, 海上大型LNG船舶受海浪影响的晃动周期约在10~30 s, 因此取中间值附近周期展开研究, 即晃动周期为16 s; 摇摆晃动幅度约在2°~6°, 因此晃动幅度主要选取2°和5°展开研究; 而平荡晃动幅度在1 m左右, 由于试验塔器装置与实际塔器直径比约为1:10, 因此选取平荡幅度为0.1 m。
为了更好地反映晃动形式对填料塔流体性能的影响, 减少试验误差, 取样时间设定为晃动平台中立位时开始, 至晃动平台到最大幅度处停止, 时间间隔为四分之一周期, 即4 s。本文中所提到的流量为这4 s内的累积流量, 单位:mL。
在单自由度晃动工况试验结果的基础上确定两自由度耦合工况。首先进行单自由度试验, 单自由度试验工况:液相流量为15 m3/h, 填料层高度为2 m, 晃动周期为16 s, 摇摆运动幅度为5°, 平荡运动幅度为100 mm。单自由度晃动试验的整体流量分布情况如图 5所示。
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图 5 单自由度晃动条件下整体流量分布 Fig.5 Overall flow distribution under single degree of freedom sloshing condition |
单自由度晃动条件下整体流量分布如图 5所示。横摇5°时, B侧取样点流量较大, 最高流量在300 mL左右, A侧取样点流量较少, 最少流量为100 mL左右, 整体呈现出一种AB方向分布不均的现象。这与塔器摇动轨迹有密切联系。由于摇动方向为AB向, 塔体产生倾斜, 液体受重力和加速度的影响, 导致液体向倾斜的方向累积, 使得此方向的流量大于相反方向, 产生流量分布不均匀。与之类似, 当纵摇5°时, 截面CD方向取样点的流量发生变化, 变化规律与横摇5°相类似。从图 5中可以看出, 艏摇5°时, 外部取样点的流量大于内部取样点的流量, 这是由于艏摇产生的离心力使液体向外部偏移的结果。
当晃动形式为横荡100 mm时, 塔内的流量分布出现了一定的波动, 塔B侧的流量略微大于A侧流量, 原因是横荡轨迹沿AB方向平动, 在运动过程中产生的加速度使得塔内流体向塔一侧聚集, 导致该侧流体较多, 流量也较另一侧高; 与之类似, 当纵荡100 mm时, CD方向流量也会出现同样的分布情况。当晃动形式为垂荡100 mm时, 塔内的流量分布较为均匀, 各点流量相差不大。各单一自由度工况对壁流分布性能的影响情况如图 6所示。
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图 6 单自由度晃动条件下壁流量分布 Fig.6 Wall-flow distribution under single degree of freedom sloshing condition |
由图 6可以看出, 横摇和纵摇工况下壁流量波动较大, 垂荡时各壁流取样点流量基本相同。横荡和纵荡时壁流量产生轻微波动, 波动幅度明显小于横摇和纵摇。横摇和纵摇运动时, 也是由于受到重力和加速度的影响, 使得液体向倾斜的方向累积。艏摇工况下, 壁流取样点流量均在300 mL左右, 为所有工况中壁流量最大的情况, 这是由其运动轨迹产生的离心力导致的。通过分析发现, 壁流量分布情况和整体流量分布试验结果吻合。
计算不同晃动形式下流量分布的不均匀度可知, 在摇摆幅度为5°时, 横摇和纵摇的不均匀度分别为0.243和0.248, 大于艏摇时的0.114, 因此对流体分布性能影响也更大; 同理在平荡幅度为100 mm时, 横荡和纵荡的不均匀度分别为0.063和0.067, 大于垂荡时的0.062, 即横荡和纵荡对流体分布性能的影响大于垂荡。
确定耦合工况的原则是找出对流体分布影响较大的单一晃动工况, 并以此为基础进行耦合, 得到更不利工况。通过分析更不利工况的流体分布, 为海上填料塔优化提供依据。基于上文分析, 摇摆运动中选取横摇与纵摇, 平荡运动中选取横荡和纵荡, 最终确定两自由耦合工况为3类, 摇摆+摇摆耦合、摇摆+平荡耦合以及平荡+平荡耦合。其中, 摇摆运动幅度为2°与5°, 平荡运动幅度为100 mm。
2.2 耦合晃动工况下填料流体分布性能 2.2.1 整体流量分布两自由度耦合试验条件及晃动周期与单自由度试验相同。通过试验得到的整体流量分布如图 7所示。
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图 7 耦合晃动条件下整体流量分布 Fig.7 Overall flow distribution under two degrees of freedom sloshing condition |
由图 7可知, 当横摇2°+纵摇2°耦合时, 其整体分布规律为BC部分流量明显大于AD部分流量。当横摇2°+纵摇5°耦合时, 其分布不均匀性较上一工况增加, 此时CD方向的不均匀程度比AB方向明显要大, 产生该现象的原因是纵摇幅度较大, 其晃动以纵摇为主, 导致其CD方向的不均匀程度大于AB方向。而当晃动工况变成横摇5°+纵摇5°时, 其分布不均匀程度最大, BC部分的最大流量已接近350 mL, AD部分流量约为100 mL。当晃动角度逐渐增加时, 整体流量不均匀度变化增加。耦合工况中, 如果横摇和纵摇角度不同, 晃动对整体分布性能的影响以摇摆角度较大的工况为主。
对于摇摆运动+平荡运动耦合工况, 当横摇5°+横荡100 mm耦合时, 其分布规律与横摇5°相类似, 出现了B多A少的情况, 但是其不均匀程度比横摇5°时增加。而横摇5°+纵荡100 mm耦合时, 其分布规律在B多A少的情况下也略微出现了D多C少的情况, 但总的来说纵荡对流量的影响不大。因此, 当耦合晃动为摇摆+平荡耦合时, 晃动对整体流量分布性能的影响以摇摆运动的影响为主。
最后分析平荡运动+平荡运动的耦合工况。从图 7中可以看出, 横荡和纵荡的整体流体分布比较均匀, 没有出现较高的流量波动点。平荡+平荡运动对整体流量分布性能的影响较小。
耦合晃动条件下塔底截面各取样点平均流量如下所示:横摇5°+横荡100 mm时为223 mL; 横摇5°+纵荡100 mm时为228 mL; 横摇2°+纵摇2°时为231 mL; 横摇2°+纵摇5°时为215 mL; 横摇5°+纵摇5°时为213 mL; 横荡100 mm+纵荡100 mm时为244 mL。相应的不均匀度分别为0.291、0.250、0.246、0.270、0.298和0.118。
摇摆+摇摆工况的不均匀度数值最大, 平均流量较小, 例如横摇5°+纵摇5°的平均流量最小, 只有213 mL, 不均匀度最大为0.298。这是由于晃动幅度较大, 壁流量增加, 导致横截面内的流量减少产生的。摇摆+平荡的平均流量大于摇摆+摇摆工况, 分布均匀性变好。当平荡+平荡时其平均流量最大, 不均匀度为0.12, 分布性能最好。
在耦合工况中对流体整体分布性能影响从大到小依次为:横摇5°+纵摇5°>横摇2°+纵摇5°>横摇5°+横荡100 mm>横摇5°+纵荡100 mm>横摇2°+纵摇2°>横荡100 mm+纵荡100 mm。
2.2.2 环形流量分布从环形流量分析指标入手, 探究各晃动形式对环形流量的影响。各晃动工况的内外环流量如图 8所示。
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图 8 耦合晃动条件下内外环流量分布 Fig.8 Flow distribution of inner and outer ring under two degrees of freedom sloshing condition |
由图 8可以看出, 横荡100 mm+纵荡100 mm耦合工况的内外环流量基本相同, 所以平荡+平荡的形式基本不影响环形流量分布。摇摆+摇摆运动的耦合工况中, 横摇2°+纵摇2°的内外环流量基本相同, 随着晃动幅度增加, 当横摇2°+纵摇5°时内外环流量差增加, 而当晃动角度达到横摇5°+纵摇5°时, 内外环流量差最大, 个别取样点的内外环流量差达到了150 mL。随着晃动角度增加, 内外环流量分布性能降低。当耦合工况为摇摆+平荡时, 其内外环流量差要大于横摇2°+纵摇5°的耦合工况, 接近横摇5°+纵摇5°耦合工况。
综上所述, 对环形流量分布影响较大的工况为:横摇5°+纵摇5°, 横摇5°+横荡100 mm, 横摇5°+纵荡100 mm。
2.2.3 径向流量分布径向流量分布用来表征晃动对塔截面不同径向位置流量分布的影响。从AB方向截面和CD方向截面分析, 具体分布结果如图 9所示。
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图 9 耦合晃动条件下径向流量分布 Fig.9 Radial flow distribution under two degrees of freedom sloshing condition |
由图 9可知, 在CD径向流量分布图中, 只有摇摆+摇摆运动曲线斜率较大, 径向各点的流量差距较大, 其他工况的曲线均与静止时分布情况相同, 由于纵摇和纵荡的运动方向均在CD方向上, 且只有纵摇对径向流量产生了较大影响, 可知横荡运动对径向流量的影响不大。在AB径向流量分布中, 横荡100 mm+纵荡100 mm的径向流量变化幅度稍微大于静止的幅度变化范围, 其余工况中, 由于横摇的存在, 其径向流量变化波动较大, 均出现了B多A少的现象, 并且以横摇5°+横荡5°和横摇5°+横荡100 mm变化幅度最大, 流量差达到200 mL。
综上所述, 摇摆运动比平荡运动对径向流量的分布影响大, 且在摇摆+平荡的耦合工况中, 对径向流量的分布影响以摇摆运动为主。
2.2.4 壁流量从6个壁流取样点的流量及总壁流量两个方面分析耦合晃动对壁流量分布的影响, 壁流取样点的具体结果见图 10。
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图 10 耦合晃动条件下壁流量分布 Fig.10 Wall-flow distribution under two degrees of freedom sloshing condition |
耦合晃动条件下总壁流量如下所示:横摇5°+横荡100 mm时为1 480 mL; 横摇5°+纵荡100 mm时为1 475 mL; 横摇2°+纵摇2°时为1 475 mL; 横摇2°+纵摇5°时为1 495 mL; 横摇5°+纵摇5°时为1 510 mL; 横荡100 mm+纵荡100 mm时为1 600 mL。
由图 10可知, 横荡+纵荡的耦合工况壁流量较大, 各取样点的流量波动幅度相对较大, 因此可认为平荡运动产生的横向加速度能够使壁流量加大, 横荡运动对填料塔最大的影响是壁流量较大, 会引起传质效果下降。
摇摆+摇摆耦合运动不均匀度较大, 流量分布均匀性较差, 但是通过壁流量可以看出, 摇摆运动的壁流总量不大, 壁流各点的流量随着晃动幅度增加, 不均匀性增大。例如横摇5度+纵摇5度的各壁流量最大差值为100 mL, 远大于横摇2°+纵摇2°时的50 mL。摇摆+平荡的各壁流点的流量变化规律与摇摆运动相类似, 均出现较大波动, 但其壁流总量并未明显增加。
综上所述, 摇摆+摇摆耦合运动能够产生较大的壁流波动, 但其壁流总量并未明显增加。平荡+平荡耦合运动壁流量波动不大, 但是其壁流总量较多。
3 结论(1) 单自由度晃动工况对填料塔流体分布性能的影响从大到小为:横摇5°=纵摇5°>艏摇5°>横荡100 mm=纵荡100 mm>垂荡100 mm。
(2) 两自由度耦合工况对填料塔流体分布性能影响从大到小为:横摇5°+纵摇5°>横摇2°+纵摇5°>横摇5°+横荡100mm>横摇5°+纵荡100 mm>横摇2°+纵摇2°>横荡100 mm+纵荡100 mm。
(3) 在摇摆+摇摆耦合工况中, 晃动对填料塔流体分布的影响以晃动幅度较大的摇摆工况为主; 在摇摆+平荡耦合工况中, 晃动对填料塔流体分布的影响以摇摆工况为主。
(4) 横摇、纵摇以及摇摆+摇摆耦合运动能够产生较大的壁流波动, 但其壁流总量并未明显增加。横荡、纵荡以及平荡+平荡耦合运动壁流量波动不大, 但其壁流总量较多。
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