海上液化天然氣及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

孫崇正， 李玉星， 韓 輝， 朱建魯， 王 碩， 劉 亮

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580）

0 引 言

隨著我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，天然氣和氫氣在能源供給中的比例將不斷提高［1-3］。為滿足如此龐大的需求，開(kāi)發(fā)海上資源成為國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要方面。走向深水是世界石油工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展的重要舉措［4-5］。隨著氫能技術(shù)，特別是制氫技術(shù)的發(fā)展［6］，利用深海天然氣或風(fēng)電制備氫氣，并通過(guò)各類(lèi)儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)送到氫能源市場(chǎng)，為海上能源低碳發(fā)展提供了可行的思路，對(duì)實(shí)現(xiàn)國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)具有重要的意義。

天然氣與氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)海上能源高效利用的關(guān)鍵，相較于氣態(tài)天然氣和氫氣儲(chǔ)運(yùn)，液化天然氣和液氫儲(chǔ)運(yùn)具有單位體積密度高、純度高和輸送效率高等優(yōu)勢(shì)，便于大規(guī)模天然氣與氫氣的運(yùn)輸和利用［7-8］。海洋工程界提出了液化天然氣浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置（LNG-FPSO）［9］、浮式LNG 儲(chǔ)存和再氣化裝置（LNGFSRU）［10］以及參考LNG-FPSO和FSRU的浮式氫氣液化裝置。浮式液化裝置簡(jiǎn)化了深海天然氣與風(fēng)電的儲(chǔ)能過(guò)程，具有成本低、建造周期短、資金回收快等優(yōu)點(diǎn)［11］。但在海上生產(chǎn)作業(yè)需要考慮到一些復(fù)雜的因素，比如臺(tái)風(fēng)、波浪、船舶空間等，使得海上液化工藝流程的設(shè)計(jì)具有其獨(dú)特性，其主低溫?fù)Q熱器等存在氣液共存區(qū)域的設(shè)備會(huì)存在液體偏流導(dǎo)致?lián)Q熱不充分，進(jìn)而影響液化工藝的性能指標(biāo)［12-14］。天然氣的液化溫度為-162 ℃左右，其液化工藝中混合制冷劑組成為甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和氮?dú)猓粴錃獾囊夯瘻囟葹?253 ℃左右，混合制冷劑組成較為復(fù)雜，包括：甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、氫氣、氮?dú)?、氦氣和乙烯等工質(zhì)［15-17］。相較于天然氣液化工藝，氫氣液化工藝的關(guān)鍵設(shè)備有相似之處，但氫氣液化工藝中混合制冷劑組成更為復(fù)雜，復(fù)雜的混合制冷劑導(dǎo)致了較長(zhǎng)的氣液共存區(qū)域，易受到海上晃蕩工況的影響。我校于2009 年起在油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)開(kāi)設(shè)了液化天然氣利用技術(shù)專業(yè)課程，目前已建立了較為齊全的課程體系，涵蓋了LNG的性質(zhì)、液化、儲(chǔ)存、氣化等方面的內(nèi)容。研究海上液氫關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)液化天然氣利用技術(shù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)知識(shí)的拓展和補(bǔ)充。將海上液化天然氣及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的相關(guān)實(shí)驗(yàn)融入課程開(kāi)放實(shí)驗(yàn)中，幫助學(xué)生結(jié)合液化和氣化過(guò)程理解換熱設(shè)備的工作機(jī)制和存在的問(wèn)題，指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展設(shè)備性能測(cè)試和改進(jìn)研究，促進(jìn)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決工程問(wèn)題的能力。

1 海上液化天然氣及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的換熱與可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了加深學(xué)生對(duì)海上晃蕩條件下LNG 產(chǎn)業(yè)鏈中關(guān)鍵設(shè)備內(nèi)部換熱過(guò)程和流動(dòng)機(jī)理的理解，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于海上液化天然氣及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的混合制冷劑換熱實(shí)驗(yàn)與可視化實(shí)驗(yàn)裝置。

1.1 海上液化天然氣及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

搭建了一套研究海上液化天然氣及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的復(fù)雜混合制冷劑相變換熱實(shí)驗(yàn)裝置，可以進(jìn)行晃蕩條件下單一組分、簡(jiǎn)單組分（FLNG）和復(fù)雜多組分的制冷劑相變換熱實(shí)驗(yàn)研究，流程圖如圖1 所示。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由高速攝像與數(shù)據(jù)采集、低溫制冷、流體控制、晃蕩平臺(tái)和氣體加注系統(tǒng)5 部分組成，能夠模擬天然氣和氫氣液化工藝中混合制冷劑的冷凝和沸騰換熱過(guò)程。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)氣體加注系統(tǒng)向流體控制系統(tǒng)的緩沖罐中加注需要研究的多種氣體，混合后形成組分復(fù)雜的混合制冷劑。制冷劑經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入壓縮機(jī)增壓，水冷器冷卻至常溫后進(jìn)入低溫制冷系統(tǒng)。低溫制冷系統(tǒng)包括氟利昂制冷系統(tǒng)和液氮低溫制冷系統(tǒng)，混合制冷劑在液氮低溫制冷系統(tǒng)的冷凝測(cè)試段中冷凝換熱同時(shí)進(jìn)行流動(dòng)圖像采集。高壓制冷劑經(jīng)過(guò)低溫節(jié)流閥組降溫降壓后，進(jìn)入沸騰測(cè)試段內(nèi)部沸騰換熱同時(shí)進(jìn)行流動(dòng)圖像采集，沸騰測(cè)試段的熱量由電加熱棒提供。換熱后的制冷劑經(jīng)過(guò)氣化器氣化升溫后再次進(jìn)入壓縮機(jī)入口緩沖罐，實(shí)現(xiàn)制冷劑的循環(huán)。在冷凝和沸騰測(cè)試段中分別對(duì)制冷劑的組分、壓力、溫度和差壓參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試儀表連接中控系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化。壓縮機(jī)配有變頻系統(tǒng)，通過(guò)頻率變換來(lái)調(diào)節(jié)循環(huán)制冷劑的流量參數(shù)。冷凝和沸騰測(cè)試段安裝在晃蕩平臺(tái)上，通過(guò)控制系統(tǒng)控制平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，模擬海上晃蕩工況。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配有高性能氣相色譜儀，色譜儀可用于檢測(cè)海上液化天然氣及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈中混合制冷劑的成分，對(duì)烷烴類(lèi)組分和氮?dú)獾冉M分進(jìn)行定性和定量分析，色譜儀使用氫火焰離子化檢測(cè)器（Flame Ionization Detector，F(xiàn)ID）和熱導(dǎo)池檢測(cè)器（Thermal Conductivity Detector，TCD）串聯(lián)方式檢測(cè)靈敏度較高?；旌现评鋭┙M分測(cè)試流程如圖2 所示，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中首先打開(kāi)氣瓶中的閥門(mén)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要填充不同類(lèi)型的氣體，在緩沖罐中混合不同組分的氣體，通過(guò)在緩沖罐旁邊取樣口取樣，將氣相混合制冷劑充入取樣袋，最后進(jìn)行氣相色譜儀組分分析。

圖1 海上液化天然氣及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的換熱與壓降測(cè)試系統(tǒng)

圖2 基于高性能氣相色譜儀的混合制冷劑組分測(cè)試流程示意圖

1.2 海上液化天然氣及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

海上晃蕩工況會(huì)對(duì)FLNG 主低溫?fù)Q熱器及FSRU中間介質(zhì)氣化器等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行性能造成影響。通過(guò)開(kāi)展可視化實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)晃蕩工況下主低溫?fù)Q熱器及中間介質(zhì)氣化器內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)的直接觀察，得到晃蕩對(duì)設(shè)備運(yùn)行性能的影響程度。海上液化天然氣及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3 所示。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，液化實(shí)驗(yàn)裝置樣機(jī)與氣化實(shí)驗(yàn)裝置樣機(jī)安裝在晃蕩平臺(tái)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)中的晃蕩平臺(tái)操作系統(tǒng)調(diào)節(jié)晃蕩幅度、晃蕩周期和晃蕩類(lèi)型，模擬浮式液化工藝與浮式氣化工藝中的流動(dòng)過(guò)程，并基于高速顯微攝像機(jī)與數(shù)碼攝像機(jī)對(duì)晃蕩過(guò)程中流體的微觀和宏觀流動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)捕捉。

1.2.1 浮式液化工藝中主低溫?fù)Q熱器可視化實(shí)驗(yàn)裝置

浮式液化工藝中主低溫?fù)Q熱器可視化實(shí)驗(yàn)裝置由制冷劑循環(huán)系統(tǒng)、晃蕩平臺(tái)與高速攝像圖像采集系統(tǒng)3 部分組成，如圖4（a）所示。由于戊烷與烷烴類(lèi)制冷劑黏度等性質(zhì)較為相似，且保冷要求較低，因此實(shí)驗(yàn)液相工質(zhì)采用戊烷。制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中，戊烷與氮?dú)夥謩e通過(guò)泵與壓縮機(jī)增壓，經(jīng)流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入液化實(shí)驗(yàn)裝置樣機(jī)，分別由液相均布器與氣相均布器均布后在液化實(shí)驗(yàn)裝置樣機(jī)中流動(dòng)，并通過(guò)高速顯微攝像系統(tǒng)對(duì)流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行微觀流動(dòng)圖像采集，流出測(cè)試段后進(jìn)入分離器，分離出的戊烷與氮?dú)饫^續(xù)通過(guò)泵與壓縮機(jī)增壓實(shí)現(xiàn)循環(huán)。液化實(shí)驗(yàn)裝置樣機(jī)固定在晃蕩平臺(tái)上，隨晃蕩平臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，改變平臺(tái)晃蕩的形式、幅值與周期，以實(shí)現(xiàn)不同的海上工況。液化實(shí)驗(yàn)裝置樣機(jī)外殼采用亞克力塑料以實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)過(guò)程的可視化。戊烷進(jìn)入樣機(jī)經(jīng)液相均布器分配后滴落至穩(wěn)液管，流過(guò)穩(wěn)液管后滴落至換熱管上，換熱管可采用圓管或異形管。換熱管的管徑、管間距等參數(shù)均可調(diào)節(jié)，進(jìn)而研究海上工況不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的流體流動(dòng)特征。微觀流動(dòng)可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4（b）～（e）所示。

圖3 海上液化天然氣及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖4 浮式液化工藝主低溫?fù)Q熱器流動(dòng)可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

降膜流動(dòng)流型與流體的雷諾數(shù)Re有關(guān)，隨著雷諾數(shù)的增大，降膜流動(dòng)流型依次呈現(xiàn)滴狀流流型、滴柱狀流流型、柱狀流流型、扇柱狀流以及扇狀流流型。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)不同雷諾數(shù)Re的降膜流動(dòng)流型進(jìn)行區(qū)分，并判斷流型轉(zhuǎn)變的臨界雷諾數(shù)。相鄰流型之間的臨界雷諾數(shù)與無(wú)量綱參數(shù)伽利略數(shù)Ga有關(guān)，

式中：a和b為常數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到；雷諾數(shù)Re和伽利略數(shù)Ga的計(jì)算關(guān)系式為

式中：Γ 為單位管長(zhǎng)的液體質(zhì)量流量，kg/（m·s）；μ為液體的動(dòng)力黏度，Pa·s；σ 為液體的表面張力，N/m；ρ為液體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

1.2.2 浮式氣化工藝中主低溫?fù)Q熱器可視化實(shí)驗(yàn)裝置

中間介質(zhì)氣化器的蒸發(fā)器與冷凝器殼側(cè)存在自由界面，其內(nèi)部流體分布狀態(tài)受海上晃蕩工況的影響較為劇烈，影響其工作性能。實(shí)驗(yàn)通過(guò)自主設(shè)計(jì)的氣化實(shí)驗(yàn)樣機(jī)模擬海況下蒸發(fā)器與冷凝器殼側(cè)流體的分布狀態(tài)。中間介質(zhì)氣化器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的模型圖與實(shí)物圖如圖5 所示。

圖5 中間介質(zhì)氣化器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

氣化實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用亞克力制作，便于數(shù)碼攝像機(jī)記錄晃蕩工況下其內(nèi)部流體的變化情況，同時(shí)亞克力塑料具有便于加工、強(qiáng)度與剛度大的優(yōu)點(diǎn)，可能保證在液體晃動(dòng)沖擊下能正常工作。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)由殼體、固定法蘭、換熱管（由法蘭上凹槽固定）、橫向隔板（由殼體內(nèi)壁上的固定吸盤(pán)固定）、縱向隔板（由法蘭上凹槽固定）、進(jìn)液口與出液球閥構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。此外，殼體與法蘭上設(shè)置刻度標(biāo)尺以實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的觀察與記錄。

表1 中間介質(zhì)氣化器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

2 教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性

該實(shí)驗(yàn)裝置包含了海上FLNG裝置中混合制冷劑傳熱特性研究、海上浮式氫氣液化裝置中復(fù)雜混合制冷劑傳熱特性研究、混合制冷劑組分測(cè)定研究、FLNG

裝置中主低溫?fù)Q熱器流動(dòng)特性可視化研究、FSRU 裝置中氣化器流動(dòng)特性可視化研究、FSRU 中間介質(zhì)氣化器海上適應(yīng)性強(qiáng)化研究多個(gè)功能模塊。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完整、功能性較強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)海上LNG 及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈多場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)，裝置本身又具有快速啟動(dòng)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀可視等優(yōu)勢(shì)，具有非常好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)用性。

2.2 擬開(kāi)設(shè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置涵蓋了海上LNG 及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈中的低溫工質(zhì)性質(zhì)、液化、氣化等方面的研究?jī)?nèi)容，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以全面理解海上LNG 及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵設(shè)備裝置的流動(dòng)與換熱特性，符合我校油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)方案和液化天然氣利用技術(shù)專業(yè)課程教學(xué)大綱的相關(guān)要求，并對(duì)其進(jìn)行了拓展和深化，可利用本裝置設(shè)計(jì)如下主要教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：

（1）海上FLNG 裝置中混合制冷劑傳熱特性實(shí)驗(yàn)?；旌现评鋭┰谙嘧儞Q熱過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)氣液兩相區(qū)，海上晃蕩條件會(huì)影響氣液兩相制冷劑的分布，一方面導(dǎo)致局部制冷劑不足管壁“干燒”，另一方面導(dǎo)致局部制冷劑過(guò)剩，冷量浪費(fèi)，進(jìn)而惡化FLNG主低溫?fù)Q熱器的傳熱性能?；诖耍瑢⒅评鋭﹤鳠釋?shí)驗(yàn)裝置與晃蕩平臺(tái)相結(jié)合，用于研究溫度和壓力等參數(shù)隨著海上晃蕩條件變化情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生掌握晃蕩平臺(tái)的使用方法，對(duì)比陸上靜態(tài)與海上晃蕩條件下FLNG中混合制冷劑的傳熱傳質(zhì)特性，充分了解晃蕩對(duì)FLNG中混合制冷劑傳熱特性的影響。

（2）海上浮式氫氣液化裝置中復(fù)雜混合制冷劑傳熱特性實(shí)驗(yàn)。相較于混合制冷劑天然氣液化工藝，氫氣液化工藝中混合制冷劑組成更為復(fù)雜，復(fù)雜的非共沸制冷劑具有明顯不同的組分遷移特性，相變換熱過(guò)程中制冷劑的流型、液膜厚度、氣泡與液滴尺寸等參數(shù)變化對(duì)液化工藝性能的影響不能忽略。研究氫氣液化工藝中復(fù)雜制冷劑的換熱是對(duì)液化天然氣課程的深入拓展。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生充分了解晃蕩對(duì)浮式氫氣液化裝置中復(fù)雜多組分制冷劑傳熱特性的影響。

（3）混合制冷劑組分測(cè)定研究實(shí)驗(yàn)。結(jié)合多功能氣相色譜儀裝置，對(duì)簡(jiǎn)單組分和復(fù)雜組分混合制冷劑進(jìn)行組分測(cè)定，可以使學(xué)生掌握多功能氣相色譜儀的使用方法，同時(shí)使學(xué)生充分理解海上液化天然氣及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈中制冷劑組成和配比。

（4）FLNG裝置中主低溫?fù)Q熱器流動(dòng)特性可視化研究實(shí)驗(yàn)。海上晃蕩條件先影響制冷劑的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)而影響整體換熱器的換熱過(guò)程，通過(guò)搭建可視化實(shí)驗(yàn)裝置可以對(duì)比陸上靜態(tài)與海上晃蕩條件下FLNG中主低溫?fù)Q熱器的微觀與宏觀流動(dòng)特性。學(xué)生通過(guò)組裝FLNG裝置中主低溫?fù)Q熱器，可以掌握主低溫?fù)Q熱器裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

（5）FSRU裝置中氣化器流動(dòng)特性可視化研究實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置可以模擬海上晃蕩條件下FSRU氣化模塊中液位的變化過(guò)程，有助于學(xué)生深入理解晃蕩過(guò)程與特點(diǎn)，學(xué)生通過(guò)組裝FSRU 裝置中的中間介質(zhì)氣化器，將課堂所學(xué)的知識(shí)得到應(yīng)用，加深學(xué)生對(duì)晃蕩影響更為直觀的理解，善于總結(jié)現(xiàn)象和提出問(wèn)題，了解氣化器的內(nèi)部構(gòu)造。

（6）FSRU 中間介質(zhì)氣化器海上適應(yīng)性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)。通過(guò)在中間介質(zhì)氣化器中增加擋板等措施提高其海上適應(yīng)性，有助于學(xué)生拓展思維，增加學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，能靈活運(yùn)用基礎(chǔ)理論和基本知識(shí)，提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力，力求通過(guò)科學(xué)分析解決實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

3 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要完成實(shí)驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變、晃蕩平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置、高速顯微攝像機(jī)與數(shù)碼攝像機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)內(nèi)流動(dòng)過(guò)程的記錄。實(shí)驗(yàn)前要熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用方法與操作步驟。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）選定實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)與所需對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)材料，按照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式安裝實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，完成密封后固定在晃蕩平臺(tái)上。

（2）將高速攝像機(jī)或數(shù)碼攝像機(jī)固定在平臺(tái)的另一側(cè)，保持與實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在同一高度并進(jìn)行對(duì)焦。

（3）對(duì)晃蕩平臺(tái)的水平度進(jìn)行校正，連接好控制器，打開(kāi)計(jì)算機(jī)上控制器軟件，設(shè)置實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)，啟動(dòng)晃蕩平臺(tái)。

（4）啟動(dòng)泵與壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)制冷劑循環(huán)流動(dòng)，同時(shí)使用高速顯微攝像機(jī)或數(shù)碼攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，溫度與壓力等傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

（5）實(shí)驗(yàn)完成后，關(guān)閉泵與壓縮機(jī)，停止晃蕩平臺(tái)運(yùn)動(dòng)并恢復(fù)至初始狀態(tài)，依次關(guān)閉控制機(jī)與計(jì)算機(jī)，最后導(dǎo)出所采集的圖像等數(shù)據(jù)。

（6）進(jìn)行多組不同晃蕩與結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的關(guān)鍵設(shè)備海上適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)研究，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

海上晃蕩工況對(duì)中間介質(zhì)氣化器的影響如圖6 所示。由圖可見(jiàn)，晃蕩條件下，1 個(gè)周期（T）內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生明顯波動(dòng)，且波動(dòng)幅度隨著晃蕩幅度的增大而增大，導(dǎo)致中間介質(zhì)氣化器的換熱性能逐漸惡化。當(dāng)晃蕩幅度為6°時(shí)，液位波動(dòng)導(dǎo)致?lián)Q熱管裸露，發(fā)生“干燒”，導(dǎo)致中間介質(zhì)氣化換熱性能發(fā)生明顯惡化；當(dāng)晃蕩幅度增加到9°時(shí)，換熱管“干燒”區(qū)域增大，且“干燒”時(shí)間變長(zhǎng)，導(dǎo)致性能進(jìn)一步惡化。

圖6 晃蕩角度對(duì)中間介質(zhì)氣化器的影響

為提高中間介質(zhì)氣化器的海上抗晃蕩性，在其內(nèi)部增加橫向擋板。通過(guò)對(duì)增加不同數(shù)量橫向擋板的氣化實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的液位變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究其抗晃蕩效果。不同隔板數(shù)量下晃蕩（幅度3°、6°、9°）對(duì)中間介質(zhì)氣化器的影響如圖7 所示。從圖7（a）可見(jiàn)，不設(shè)置擋板條件下中間介質(zhì)氣化器液位的變化情況與上述描述一致；當(dāng)設(shè)置1 個(gè)橫向擋板時(shí)，中間介質(zhì)氣化器的液位波動(dòng)明顯降低，最大降低了22.47%，改善了中間介質(zhì)氣化器液位的穩(wěn)定性，提高了其海上抗晃蕩性。然而當(dāng)晃蕩幅度為9°時(shí)液面波動(dòng)幅值的變化了9.38%，液位的穩(wěn)定性仍較差，第1 排換熱管仍有部分裸露，發(fā)生“干燒”，其抗晃蕩性仍不能滿足中間介質(zhì)氣化器的高效運(yùn)行。當(dāng)設(shè)置2 個(gè)橫向擋板時(shí)，中間介質(zhì)氣化器的液面波動(dòng)如圖7（b）所示?？梢?jiàn)液面穩(wěn)定性進(jìn)一步改善，液面波動(dòng)進(jìn)一步平緩，液面波動(dòng)幅度又降低6.88%。晃蕩幅值為9°時(shí)，最低液位也能覆蓋換熱管，且有一定的安全余量，不會(huì)發(fā)生“干燒”。1 個(gè)晃蕩周期內(nèi)液化變化幅值低于1.39%。由此可見(jiàn)，設(shè)置兩個(gè)橫向擋板可以抑制晃蕩工況下對(duì)中間介質(zhì)氣化器換熱性能的惡化，實(shí)現(xiàn)其高效運(yùn)行。

圖7 晃蕩角度對(duì)中間介質(zhì)氣化器的影響

海上晃蕩周期對(duì)中間介質(zhì)氣化器的影響如圖8 所示?；问幏禐?°，晃蕩周期分別為6、10、20 s，初始液位為100 mm。由圖8 可見(jiàn)，隨著晃蕩周期的增加，中間介質(zhì)氣化器內(nèi)部液位波動(dòng)幅度逐漸減小，當(dāng)設(shè)置1 個(gè)橫向擋板時(shí)，液位波動(dòng)幅度減小，且不同晃蕩周期對(duì)液位波動(dòng)幅度的影響減??；當(dāng)橫向擋板數(shù)量增加至2 個(gè)時(shí)，在不同晃蕩周期下，中間介質(zhì)氣化器內(nèi)部液位波動(dòng)幅度基本重合，晃蕩周期對(duì)液位波動(dòng)幅度無(wú)影響。設(shè)置橫向擋板不僅能減小液面波動(dòng)幅度，還能弱化晃蕩周期的影響。

圖8 晃蕩周期對(duì)中間介質(zhì)氣化器的影響

4 結(jié) 論

基于海上液化天然氣及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的換熱與可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了浮式液化天然氣和液化氫氣產(chǎn)業(yè)鏈中流體流動(dòng)與換熱特征實(shí)驗(yàn)，并探討了其用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性，主要得出以下結(jié)論：

（1）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完整，能夠?qū)崿F(xiàn)海上LNG產(chǎn)業(yè)鏈多場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)拓展了海上液化氫氣產(chǎn)業(yè)鏈的實(shí)驗(yàn)研究；實(shí)驗(yàn)裝置可進(jìn)行陸上靜止與海上晃蕩工況、兼顧換熱與可視化流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究、兼顧微觀與宏觀流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究，功能性較強(qiáng)；實(shí)驗(yàn)裝置拆裝方便，具有快速啟動(dòng)、費(fèi)用低等特點(diǎn)，具有較好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)用性。

（2）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含了海上FLNG裝置中混合制冷劑傳熱特性研究、海上浮式氫氣液化裝置中復(fù)雜混合制冷劑傳熱特性研究、混合制冷劑組分測(cè)定研究、FLNG 裝置中主低溫?fù)Q熱器流動(dòng)特性可視化研究、FSRU裝置中氣化器流動(dòng)特性可視化研究、FSRU 中間介質(zhì)氣化器海上適應(yīng)性強(qiáng)化研究多個(gè)功能模塊等內(nèi)容，可幫助學(xué)生全面理解海上LNG及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵設(shè)備裝置的流動(dòng)與換熱特性；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容符合我校油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)方案和液化天然氣利用技術(shù)專業(yè)課程教學(xué)大綱的相關(guān)要求，并對(duì)其進(jìn)行了拓展和深化。

（3）通過(guò)將科研探索與課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)研究創(chuàng)新點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與獨(dú)立思考，解決實(shí)際問(wèn)題的能力，從流動(dòng)與傳熱機(jī)理入手提高海上LNG產(chǎn)業(yè)鏈中關(guān)鍵設(shè)備的海上適應(yīng)性，激發(fā)學(xué)生對(duì)科研探索的興趣并了解科研探索的方法。