小型MRC天然气液化装置板翅换热器动态特性仿真研究

摘要

在天然气液化装置设计过程中，对换热设备的选用大都依据流程静态计算得出的参数，而未对其动态性能及变工况的适应能力进行定量分析和评定。鉴于设备的实际运行工况并不能完全遵循设计工况，为更好地控制设备的运行，需要可靠的数学模型来预测其动态特性。本文以采用混合制冷剂液化流程的小型天然气液化装置中板翅式换热器为研究对象，对其建立动态数学模型并进行仿真研究，以达到预先判断设备的运行和控制性能的目的。首先，建立了天然气及混合制冷剂热物性计算模型。通过对多组分混合物的相平衡计算，确定不同压力、温度、成分下天然气及混合制冷剂的组成含量及相态。在此基础上，计算天然气及混合制冷剂的热力学参数及迁移性质参数，为动态建模工作提供物性计算支持，重点解决了工质在低温环境下热物性变化剧烈给模型计算精度带来的问题。随后，基于气液两相流理论及气液相平衡理论，建立了多股流、多组分、有相变情况下板翅式换热器的动态数学模型。利用质量方程、动量方程、能量方程、相平衡方程描述换热器内流体传热及流动过程。对时间项采用隐式格式、空间项采用二阶迎风格式离散上述控制方程并求解。根据模块化建模思想，采用C语言S函数将模型建立在Simulink仿真环境中。利用MATLAB软件提供的GUI功能，开发了板翅式换热器动态特性模拟软件。最后，利用上述模拟软件研究板翅式换热器的静、动态特性。通过对单台换热器降温过程的模拟，得出了在已知入口条件及换热器初始条件下，各股流体出口温度的变化及稳定后流体的压力温度分布、隔板的温度分布。通过给定制冷剂流量的阶跃扰动，获得了各股流体出口温度的响应。将上述稳定后结果与板翅式换热器模拟软件计算结果进行比较，两者一致。对两台换热器降温过程进行模拟，得出了各换热器内各股流体出口温度变化，并完成了多台板翅式换热器模型在系统级动态仿真时的软件测试。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 板翅式换热器的结构特点及制造工艺

1.2.2 板翅式换热器的传热及流动分析

1.2.3 板翅式换热器的建模与仿真研究

1.3 本文研究的主要内容

第2章 天然气及混合制冷剂热物性计算模型

2.1 引言

2.2 天然气及混合制冷剂热力学参数计算

2.2.1 气液相平衡计算

2.2.2 密度计算模型

2.2.3 比焓计算模型

2.2.4 比热计算模型

2.3 天然气及混合制冷剂迁移物性计算

2.3.1 粘度计算模型

2.3.2 导热系数计算模型

2.4 本章小结

第3章 板翅式换热器分布参数模型及仿真方法

3.1 引言

3.2 分布参数对象建模

3.2.1 分布参数建模的方法及特点

3.2.2 分布参数系统的仿真算法

3.3 板翅式换热器物理模型及简化条件

3.4 板翅式换热器动态数学模型描述

3.5 换热系数及摩擦压降计算

3.5.1 换热系数计算

3.5.2 摩擦压降计算

3.6 数值仿真方法

3.6.1 模型求解方法

3.6.2 模型在Simulink 中的实现

3.7 本章小结

第4章 板翅式换热器仿真软件设计及模拟结果分析

4.1 引言

4.2 板翅式换热器仿真软件开发

4.3 单台换热器动态特性仿真

4.4 多台换热器动态特性仿真

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢