一种多种烃混合冷剂换热器传热与流动特性测试系统

摘要

本发明涉及一种多种烃混合冷剂换热器传热与流动特性测试系统，该系统包括混合冷剂配比单元以及混合冷剂、热水、冷却水循环回路，主要包括烃物料罐、混合冷剂汽化器、配比罐、气体组分分析仪、压缩机、真空泵、冷热水箱、冷热水循环泵、冷却塔、测量仪表等。本发明根据试验工况要求按配比将烃物料汽化升温后送入配比罐，通过气体组分分析仪对配比罐出口混合冷剂组分进行分析，修正初始充装的烃物料剂量，满足试验工况的混合冷剂经压缩机增压后构成测试样机的混合冷剂，与来自冷水箱的循环冷却水完成换热。本试验系统实现混合冷剂精确配比，再现混合冷剂换热器的真实操作工况，同时具有流量调节功能可以满足不同流量及压力条件下的试验工况。

说明书

技术领域

本发明涉及换热器热工性能测试系统，具体是涉及一种多种烃混合冷剂换热器传热与流动特性测试系统。

背景技术

近年来，随着能源需求的快速增长，煤和石油短缺以及所带来的环境污染和生态破坏问题，控制污染物排放，保护生态环境，实现可持续发展，已成为全世界各国必然的选择。天然气作为一种优质清洁能源，在能源、交通等领域具有广阔应用前景，已经成为世界各国优化能源结构的首选产品。目前，南海油气田开发已成为我国重要的能源线路，由于天然气的产地远离能源消费区，特别是海上天然气的开发，必须解决运输问题，而低温液化后的天然气体积仅为原体积的1/625，十分有利于运输和储存，因此开展天然气液化技术研究对发展我国国民经济具有重要意义。天然气液化主要通过制冷实现，大致分为级联式、氮膨胀循环和混合冷剂循环3种方式。与前两者相比，混合冷剂循环具有流程简单、机组设备少、投资少、能耗低等特点，目前世界上80％的基本负荷型天然气液化装置都采用了混合冷剂液化流程。

换热器又称热交换器，是冷热流体间进行热量交换的热备，是实现石油、化工、天然气生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在基本负荷型的LNG工厂中，热交换是重要的工艺过程，在冷却、冷凝和液化流程中，混合冷换热器是最重要的换热设备。

混合冷剂换热器作为天然气液化流程中的关键设备，主要用于冷却/冷凝多级压缩介质(混合冷剂)，具有负荷大、能耗影响大等特点，由于换热过程混合冷剂部分冷凝与全部冷凝的过程和机理尚未明晰、可靠性高效换热元件尚未实现国产化等问题，该产品研发在国内尚属空白，且由于涉及敏感的能源安全主题，西方发达国家一直对我国进行技术封锁，因此相关混合冷剂换热器传热流动特性、设计、制造等关键技术研究工作亟待开展。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种多种烃混合冷剂换热器传热与流动特性测试系统。

为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：

一种多种烃混合冷剂换热器传热与流动特性测试系统，包括混合冷剂配比单元、混合冷剂循环回路、热水循环回路以及冷却水循环回路；

所述混合冷剂配比单元包括多个与配料管路连接的烃物料罐，所述烃物料罐内的烃物料分别通过所述配料管路按比例输送至所述混合冷剂循环回路中；

所述混合冷剂循环回路包括顺次连接的混合冷剂汽化器、混合冷剂配比罐、压缩机以及试验样机，所述配料管路出口以及试验样机出口均与所述混合冷剂汽化器进口连接，所述试验样机进出口管路上设有用于测量混合冷剂温度与压力的测量仪表A；所述混合冷剂配比罐出口管路连接有用于测量混合冷剂组成的气体组分分析仪；

所述热水循环回路包括顺次安装的电加热水箱、热水循环泵以及所述混合冷剂汽化器、混合冷剂配比罐，其中所述混合冷剂汽化器壳程、混合冷剂配比罐管程并连在所述热水循环回路上；

所述冷却水循环回路包括顺次连接的冷却塔、冷水箱、冷水循环泵、所述混合冷剂配比罐、压缩机以及试验样机，其中所述混合冷剂配比罐管程、试验样机管程及压缩机冷却系统并连在所述冷却水循环回路上，所述试验样机管程进出口管路上设有用于测量冷却水温度与压力的测量仪表B。

进一步的，所述烃物料罐分别为重烃物料罐、轻烃物料罐以及烯烃物料罐，所述重烃物料罐、轻烃物料罐以及烯烃物料罐与配料管路之间分别安装有手动阀门一、手动阀门二、手动阀门三，所述配料管路上安装有第一质量流量计以及在所述第一质量流量计达到设定值时关闭的气动开关阀，所述配料管路出口端安装有手动阀门四。

进一步的，所述混合冷剂循环回路中：所述压缩机与试验样机之间安装有在测试前对混合冷剂循环回路进行抽真空处理的真空泵，所述压缩机与试验样机之间还安装有第二质量流量计以及配合所述第二质量流量计来控制混合冷剂进入试验样机内流量的旁通管路，所述旁通管路内混合冷剂返回至所述混合冷剂配比罐进口端。

进一步的，所述测量仪表A包括位于试验样机进口端管路上的第六温度变送器与第六压力变送器以及位于试验样机出口端管路上的第七温度变送器与第七压力变送器；所述测量仪表B包括位于试验样机管程进口端管路上的第九温度变送器与第九压力变送器以及位于试验样机管程出口端管路上的第十温度变送器与第十压力变送器。

进一步的，所述混合冷剂循环回路中：所述混合冷剂汽化器进口端安装有手动阀门五，所述混合冷剂配比罐进口端安装有手动阀门六，所述混合冷剂配比罐出口端安装有手动阀门七，所述压缩机进口端安装有手动阀门八，所述气体组分分析仪进口端安装有手动阀门九，所述压缩机出口端安装有手动阀门十，所述旁通管路上安装有手动阀门十一，所述真空泵进口端安装有手动阀门十二，所述试验样机进口端安装有手动阀门十三，所述试验样机出口端安装有手动阀门十四；所述混合冷剂汽化器出口端管路上顺次安装有第二压力变送器、第二温度变送器以及第二止回阀，所述混合冷剂配比罐上安装有第三温度变送器与第三压力变送器，所述手动阀门七与手动阀门八之间顺次安装有第一减压阀以及第四压力变送器与第四温度变送器，所述压缩机与手动阀门十之间安装有第三止回阀，所述旁通管路上顺次安装有第五压力变送器与第五温度变送器、所述手动阀门十一、流量调节阀以及第四止回阀，所述第二质量流量计与所述手动阀门十三之间安装有所述第六压力变送器与第六温度变送器，所述试验样机与手动阀门十四之间安装有管道视镜，所述管道视镜与试验样机之间安装有所述第七压力变送器与第七温度变送器，所述手动阀门十四与手动阀门五之间顺次安装有第二减压阀、第一止回阀，所述第二减压阀、第一止回阀之间安装有第八压力变送器与第八温度变送器。

进一步的，所述热水循环回路中：所述电加热水箱出口端安装有手动阀门二十一，所述热水循环泵出口端安装有手动阀门二十二，所述混合冷剂汽化器进口端安装有手动阀门二十三，所述混合冷剂汽化器出口端安装有手动阀门二十四，所述混合冷剂配比罐换热管程进口端安装有手动阀门二十五，所述混合冷剂配比罐换热管程出口端安装有手动阀门二十六，所述电加热水箱进口端安装有手动阀门二十七；所述手动阀门二十二与手动阀门二十三之间安装有第一电磁流量计，所述混合冷剂汽化器上安装有第一温度变送器与第一压力变送器。

进一步的，所述冷却水循环回路中：所述冷水箱出口端安装有手动阀门三十一，所述冷却水循环泵出口端安装有手动阀门三十二，所述压缩机进口端安装有手动阀门三十五，所述压缩机出口端安装有手动阀门三十六，所述试验样机管程进口端安装有手动阀门三十七，所述试验样机管程出口端安装有手动阀门三十八，所述冷水箱进口端安装有手动阀门三十九；所述手动阀门三十二与手动阀门三十五之间连接有与所述混合冷剂配比罐进口端连通的第一分管，所述第一分管上安装有手动阀门三十三，所述手动阀门三十六与冷却塔之间连接有与所述混合冷剂配比罐出口端连通的第二分管，所述第二分管上安装有手动阀门三十四；所述手动阀门三十七的进水前端安装有第二电磁流量计。

进一步的，所述压缩机采用隔膜压缩机。

本发明的有益效果在于：

(1)所述混合冷剂配比控制单元由设置在烃物料罐与混合冷剂汽化器之间管路上的第一质量流量计及气动开关阀连锁控制，以实现多种烃物料按设定配比混合构成混合冷剂。所述气体组分分析仪对混合冷剂配比罐出口混合冷剂实际组分配比进行检测，根据检测结果对混合冷剂配比进行修正，实现混合冷剂的精确配比。所述压缩机进口端设置的混合冷剂配比罐，可实现混合冷剂的二次稳压及配比再均衡。即本发明具备实现混合冷剂的精确配比的功能，能够再现混合冷剂换热器的真实操作工况，可以开展不同组分配比下混合冷剂对换热器传热特性影响的测试工作。

(2)所述混合冷剂配比罐采用储罐外加装盘管构成换热管程，当需要对压缩机出口混合冷剂流量进行调节时，高温高压混合冷剂进入混合冷剂配比罐，此时通过第一分管向所述混合冷剂配比罐的换热管程通入循环冷却水对混合冷剂配比罐内混合冷剂进行冷却，保证压缩机进口处所需的混合冷剂的状态。当试验终止后需再次重启试验时，此时向所述混合冷剂配比罐的换热管程内通入循环热水对混合冷剂配比罐内混合冷剂进行加热使其汽化，实现混合冷剂的循环利用，避免试验介质的浪费。

(3)所述混合冷剂循环回路上设置了真空泵，对混合冷剂循环回路抽真空，保证回路内混合冷剂的纯度，同时排除不凝气体对试验结果的影响。

所述压缩机出口设置了旁通管路，通过试验样机进口端管路上的第二质量流量计与旁通管路上的流量调节阀进行连锁配合控制，同时配合混合冷剂配比罐出口端管路上的第一减压阀的调节，可实现试验样机在不同流量及压力条件下的试验工况。

(4)本发明中一套所述冷却水循环回路可满足试验样机性能测试的同时，还可以用于对压缩机出口混合冷剂温度的调节以及混合冷剂配比罐内混合冷剂的冷却，本发明实现以最少的设备投资，实现整套系统的稳定运行，提高资源利用率，降低试验台建造成本。

(5)所述试验样机出口端设置了管道视镜，配合试验样机出口端的第七压力变送器以及第七温度变送器，可监测试验样机出口混合冷剂的相态。

(6)所述压缩机采用隔膜压缩机，隔膜压缩机的气缸不需要润滑，密封性能好，压缩介质不与任何润滑剂接触，在压缩过程中不会产生任何污染，保证混合冷剂的纯度。

(7)本发明可以用于开展低翅管、螺纹管、扭曲管等多种类型混合冷剂换热器传热和流动阻力性能的试验研究。

本发明通过节流产生低压混合冷剂可作为主低温换热器的冷源，为液化天然气装置混合冷剂换热器及主低温换热器传热与流动阻力性能的研究提供数据支持。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

附图中标记的含义如下：

1-重烃物料罐；2-轻烃物料罐；3-烯烃物料罐；4-混合冷剂汽化器；5-混合冷剂配比罐；6-压缩机；7-试验样机；8-电加热水箱；9-冷水箱；10-冷却塔；X1-气体组分分析仪；Z1-真空泵；P11-热水循环泵；P12-冷水循环泵；

CV1-第一截止阀；CV2-第二截止阀；CV3-第三截止阀；CV4-第四截止阀；

XV1-气动开关阀；RV1-第一减压阀；RV2-第二减压阀；FV1-流量调节阀；

V1-手动阀门一；V2-手动阀门二；V3-手动阀门三；V4-手动阀门四；V5-手动阀门五；V6-手动阀门六；V7-手动阀门七；V8-手动阀门八；V9-手动阀门九；V10-手动阀门十；V11-手动阀门十一；V12-手动阀门十二；V13-手动阀门十三；V14-手动阀门十四；

V21-手动阀门二十一；V22-手动阀门二十二；V23-手动阀门二十三；V24-手动阀门二十四；V25-手动阀门二十五；V26-手动阀门二十六；V27-手动阀门二十七；

V31-手动阀门三十一；V32-手动阀门三十二；V33-手动阀门三十三；V34-手动阀门三十四；V35-手动阀门三十五；V36-手动阀门三十六；V37-手动阀门三十七；V38-手动阀门三十八；V39-手动阀门三十九；

F1-第一质量流量计；F2-第二质量流量计；F3-第一电磁流量计；F4-第二电磁流量计；

T1-第一温度变送器；T2-第二温度变送器；T3-第三温度变送器；T4-第四温度变送器；T5-第五温度变送器；T6-第六温度变送器；T7-第七温度变送器；T8-第八温度变送器；T9-第九温度变送器；T10-第十温度变送器；

P1-第一压力变送器；P2-第二压力变送器；P3-第三压力变送器；P4-第四压力变送器；P5-第五压力变送器；P6-第六压力变送器；P7-第七压力变送器；P8-第八压力变送器；P9-第九压力变送器；P10-第十压力变送器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明技术方案做出更为具体的说明：

如图1所示，该试验样机选取DMR液化天然气工艺流程中压缩机级后冷却器比例样机，其结构为内波外螺纹管+螺旋折流板换热器，管程内介质为水，壳程介质为乙烯、丙烷、异戊烷构成的混合冷剂，试验工况参数如下：

下表1为本实施例中混合冷剂参数：

类别组分(摩尔比)乙烯C₂H₄0.410449丙烷C₃H₈0.498986异戊烷i-C₅H₁₂0.090565

其中上述异戊烷i-C₅H₁₂灌装在重烃物料罐1中，丙烷C₃H₈灌装在轻烃物料罐2中，乙烯C₂H₄灌装在烯烃物料罐3中；

试验样机进口混合冷剂压力：3.2MPa；温度：105℃；

混合冷剂流量：250kg/h；

试验样机冷却水进口温度：25℃；冷却水流量：6m³/h。

以下为该测试系统的测试方法：

试验开始前，开启手动阀门四V4、手动阀门五V5、手动阀门六V6、手动阀门七V7、手动阀门八V8、手动阀门十V10、手动阀门十一V11、手动阀门十二V12、手动阀门十三V13、手动阀门十四V14、气动开关阀XV1、第一减压阀RV1、第二减压阀RV2、流量调节阀FV1，采用旋片真空泵Z1对混合冷剂循环回路抽真空，待真空度达到10Pa左右，关闭手动阀门七V7、手动阀门八V8、手动阀门十V10、手动阀门十一V11、手动阀门十二V12、手动阀门十三V13、手动阀门十四V14、气动开关阀XV1、第一减压阀RV1、第二减压阀RV2、流量调节阀FV1。开启电加热水箱8、热水循环泵P11及手动阀门二十一V21、手动阀门二十二V22、手动阀门二十三V23、手动阀门二十四V24、手动阀门二十七V27，观察第一温度变送器T1测量的混合冷剂汽化器4内的热水温度值，调整电加热水箱8的功率，维持混合冷剂汽化器4内热水温度在80℃左右。根据试验工况要求，计算异戊烷、乙烯、丙烷初始充装量分别为1.63kg、2.87kg、5.49kg，开启重烃物料罐1(戊烷罐)出口端手动阀门一V1进行充装，待第一质量流量计F1读数达到1.63kg后，气动开关阀XV1迅速关闭，同时关闭重烃物料罐1出口端手动阀门一V1，进入管道的异戊烷经混合冷剂汽化热器4充分汽化后进入混合冷剂配比罐5，按此方式依次充装丙烷5.49kg、乙烯2.87kg，待充装完毕关闭手动阀门四V4，此时混合冷剂配比罐5内的混合冷剂已均匀混合并处于完全气态。开启混合冷剂配比罐5顶部的手动阀门七V7，调整第一减压阀RV1开度使第四压力变送器P4读数为0.2MPa左右，开启手动阀门九V9，采用气体组分分析仪X1对混合冷剂配比罐5内混合冷剂组分进行检测，根据检测结果，计算偏差值并按上述充装方式合理修正各组分充装量，待检测结果满足试验工况后关闭手动阀门九V9。

此时开启冷却塔10、冷水循环泵P12及手动阀门三十一V31、手动阀门三十二V32、手动阀门三十五V35、手动阀门三十六V36、手动阀门三十七V37、手动阀门三十八V38、手动阀门三十九V39，使冷却水在试验样机7管程及压缩机6冷却系统内循环。开启手动阀门八V8、手动阀门十V10、手动阀门十三V13、手动阀门十四V14，调整第一减压阀RV1开度使第四压力变送器P4读数为0.8MPa左右，启动压缩机6对混合冷剂进行增压，增压后的混合冷剂进入试验样机7，观察试验样机7进口端第六压力变送器P6及第六温度变送器T6读数，调整压缩机6内冷却水流量对混合冷剂进行降温，使试验样机7进口混合冷剂温度维持在105℃；开启手动阀门十一V11，调整压缩机6出口端旁通管路上的流量调节阀FV1，使第二质量流量计F2读数维持在250kg/h，同时调整手动阀门三十三V33、手动阀门三十四V34开度对混合冷剂配比罐5内混合冷剂进行降温；调整冷却塔10风机及冷水循环泵P12功率，使第一电磁流量计F3读数维持在6m³/h，试验样机7管程进口温度维持在25℃。满足工况参数的混合冷剂经过试验样机7与来自冷水箱9的冷却水充分换热，经第二减压阀RV2减压后进入混合冷剂汽化热器4汽化完成下一个试验循环。试验过程中，观察管道视镜S1及第七温度变送器T7、第七压力变送器P7读数，监测混合冷剂所处状态，待试验工况稳定后，记录第六温度变送器T6、第六压力变送器P6、第七温度变送器T7、第七压力变送器P7、第九温度变送器T9、第九压力变送器P9、第十温度变送器T10、第十压力变送器P10的读数，对试验样机7进行热平衡计算。

当试验终止再次重启试验时，首先开启电加热水箱8、热水循环泵P11及手动阀门二十一V21、手动阀门二十二V22、手动阀门二十五V25、手动阀门二十六V26、手动阀门二十七V27，调整电加热水箱的功率，采用循环热水对混合冷剂配比罐5内的混合冷剂进行加热，监测混合冷剂配比罐5处第三温度变送器T3、第三压力变送器P3的读数，待混合冷剂配比罐5内混合冷剂完全汽化后，开启手动阀门二十三V23、手动阀门二十四V24，关闭手动阀门二十五V25、手动阀门二十六V26，观察混合冷剂汽化器4处第一温度变送器T1的读数，调整电加热水箱的功率，维持混合冷剂汽化器4内水温在80℃左右。开启冷却塔10、冷水循环泵P12及手动阀门三十一V31、手动阀门三十二V32、手动阀门三十五V35、手动阀门三十六V36、手动阀门三十七V37、手动阀门三十八V38、手动阀门三十九V39，使冷却水在试验样机7管程及压缩机6冷却系统内循环。开启手动阀门五V5、手动阀门六V6、手动阀门七V7、手动阀门八V8、手动阀门十V10、手动阀门十三V13、手动阀门十四V14，调整第一减压阀RV1开度使第四压力变送器P4读数为0.8MPa左右，启动压缩机6对混合冷剂进行增压，增压后的混合冷剂进入试验样机7，观察试验样机7进口端第六压力变送器P6及第六温度变送器T6的读数，调整压缩机6内冷却水流量对混合冷剂降温，使试验样机7进口混合冷剂温度维持在105℃；开启手动阀门十一V11，调整旁通管路上的流量调节阀FV1，使第二质量流量计读数维持在250kg/h，同时调整手动阀门三十三V33、手动阀门三十四V34开度对混合冷剂配比罐5内混合冷剂进行降温；调整冷却塔10风机及冷水循环泵P12功率，使第一电磁流量计F3读数维持在6m³/h，第九温度变送器T9读数维持在25℃。混合冷剂经过试验样机7与来自冷水箱9的冷却水充分换热，经第二减压阀RV2减压后进入混合冷剂汽化热器4汽化完成下一个试验循环。试验过程中观察管道视镜S1及第七温度变送器T7、第七压力变送器P7的读数，监测混合冷剂所处状态，待试验工况稳定后，记录第六温度变送器T6、第六压力变送器P6、第七温度变送器T7、第七压力变送器P7、第九温度变送器T9、第九压力变送器P9、第十温度变送器T10、第十压力变送器P10的读数，对试验样机7进行热平衡计算。