唐建峰楊 帆崔 健褚 潔張豪杰修云飛

1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院 2.中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心

唐建峰等.晃動(dòng)對(duì)FLNG排管式液體分布器性能的影響.天然氣工業(yè)，2016，36（1）：123-128.

?

晃動(dòng)對(duì)FLNG排管式液體分布器性能的影響

唐建峰1楊 帆1崔 健1褚 潔2張豪杰1修云飛1

1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院 2.中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心

唐建峰等.晃動(dòng)對(duì)FLNG排管式液體分布器性能的影響.天然氣工業(yè)，2016，36（1）：123-128.

摘 要隨著海洋油氣開(kāi)發(fā)的推進(jìn)，填料塔被廣泛應(yīng)用于海上浮式液化天然氣設(shè)備(FLNG)，對(duì)天然氣進(jìn)行預(yù)處理。填料塔的重要元器件為液體分布器，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響到填料性能和全塔效率的發(fā)揮。排管式液體分布器因其驅(qū)動(dòng)力為液體壓力，能更好地適應(yīng)海上晃動(dòng)。為了研究海上晃動(dòng)對(duì)其液體分布性能的影響，使用可以實(shí)現(xiàn)橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、縱蕩、垂蕩6種單一自由度晃動(dòng)的六自由度晃動(dòng)平臺(tái)，對(duì)排管式液體分布器進(jìn)行靜止、不同晃動(dòng)形式和不同晃動(dòng)幅度工況下的實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量各種工況下各孔口的出口流量，分析各種晃動(dòng)形式和晃動(dòng)幅度對(duì)其液體分布性能的影響效果。結(jié)果表明：①6種單一晃動(dòng)形式中，橫搖、縱搖對(duì)排管式液體分布器的孔口流量分布影響較大，橫搖5°和縱搖5°使其整體不均勻度（Mo）值分別增大了35%和15%，其余晃動(dòng)形式對(duì)其性能影響較??；②隨著晃動(dòng)幅度的增大，排管式液體分布器的液體分布性能變差，橫搖8°比橫搖5°的Mo值增大30%，縱搖8°比縱搖5°的Mo值增大20%左右，艏搖運(yùn)動(dòng)下的Mo值變化不明顯。該研究成果，為排管式液體分布器在海上的應(yīng)用及優(yōu)化提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞FLNG 排管式液體分布器 靜止 晃動(dòng) 六自由度晃動(dòng)平臺(tái) 橫搖 縱搖 分布性能 不均勻度

隨著海洋油氣開(kāi)發(fā)的推進(jìn)，填料塔被廣泛應(yīng)用于海上浮式液化天然氣設(shè)備(FLNG)，對(duì)天然氣進(jìn)行預(yù)處理[1-10]。排管式液體分布器作為一種壓力式液體分布器，抗干擾性好，運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定[11]，適于海上特殊的工況，適用于FLNG填料塔對(duì)液體進(jìn)行預(yù)分布。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1所示。

圖1 晃動(dòng)條件下排管式液體分布器流體分布性能實(shí)驗(yàn)研究流程圖

實(shí)驗(yàn)中使用的晃動(dòng)平臺(tái)如圖2所示。排管式液體分布器的晃動(dòng)形式如圖3所示，其6種單一自由度晃蕩形式可定義為[12-13]：①橫搖為液體分布器以X軸為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，在一定角度內(nèi)做搖擺運(yùn)動(dòng)；②縱搖為液體分布器以Y軸為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，在一定角度內(nèi)做搖擺運(yùn)動(dòng)；③艏搖為液體分布器以Z軸為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，在一定角度內(nèi)做搖擺運(yùn)動(dòng)；④橫蕩運(yùn)動(dòng)為沿Y軸方向的直線運(yùn)動(dòng)；⑤縱蕩運(yùn)動(dòng)為沿X軸方向的直線運(yùn)動(dòng)；⑥垂蕩運(yùn)動(dòng)為沿Z軸放向的直線運(yùn)動(dòng)。

圖2 晃動(dòng)平臺(tái)示意圖

圖3 排管式液體分布器晃動(dòng)形式圖

1.2 實(shí)驗(yàn)分析方法及指標(biāo)

文獻(xiàn)中用不均勻度（Mo值）表示分布器的分布均勻程度[14]，其定義為：

式中N為計(jì)算流速點(diǎn)數(shù)；Qoi為第i孔口的出口流量，m3/s；為所有孔口的平均流量，m3/s。

根據(jù)式（1）可以得出液體分布器整體及各支管的Mo值，Mo值越大代表液體分布器的分布性能越差，反之則代表液體分布器的分布性能越好。通過(guò)比較不同工況下排管式液體分布器整體及各支管的不均勻度，可以分析每種工況對(duì)液體分布器整體及各支管分布性能的影響[15-16]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 靜止條件下排管式液體分布器流體分布性能實(shí)驗(yàn)

靜止條件下，實(shí)驗(yàn)進(jìn)液量為15 m3/h，取排管式液體分布器各出口流量作圖（圖4）。

圖4 進(jìn)液量為15 m3/h時(shí)的流量分布圖

從圖4可以看出，靜止條件下，排管式液體分布器各支管距離主管相同位置的孔口流量基本相同，支管上靠近主管的孔口流量較小，其他位置的孔口流量較為均勻。靜止條件下排管式液體分布器各支管孔口流量Mo值如表1所示。

表1 靜止工況下分布器整體Mo值表

從表1可以看出，在靜止條件下，進(jìn)液量為15 m3/h時(shí)，各支管孔口流量的Mo值相差不大，整體Mo值在0.26左右，液體分布較為均勻。

2.2 晃動(dòng)條件下排管式液體分布器流體分布性能實(shí)驗(yàn)

2.2.1 晃動(dòng)形式對(duì)排管式液體分布器流體分布性能的影響

2.2.1.1 橫搖工況

在周期為16 s、流量為15 m3/h、橫搖5°的條件下，取排管式液體分布器各出口流量作圖（圖5）。

從圖5可以看出，橫搖對(duì)排管式液體分布器的流量分布有一定的影響，在晃動(dòng)的2個(gè)1/4周期中，各支管上的孔口流量分布相對(duì)于主管對(duì)稱。橫搖運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致排管式液體分布器的每根支管上各個(gè)孔口流量存在差異，由于橫搖使支管傾斜后液體的部分重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為壓能，使位于支管低端的孔口流量會(huì)略高于位于支管高端的孔口流量。各支管出口流量的Mo值如表2所示。

從表2可以看出，橫搖不僅使得分布器的整體分布效果變差，也使各支管分布效果變差，橫搖運(yùn)動(dòng)較靜止條件下Mo值變大，即液體分布器的分布效果變差。

表2 橫搖5°工況下孔口流量的Mo值表

2.2.1.2 縱搖工況

在周期為16 s、流量為1 5 m3/h、縱搖5°的條件下，取排管式液體分布器各出口流量作圖（圖6）。

圖6 縱搖5°工況下的流量分布圖

從圖6可以看出，每根支管的流量分布和靜止時(shí)的規(guī)律基本一樣，即靠近主管處的流量略低于其他位置處的流量；縱搖運(yùn)動(dòng)時(shí)，在取樣的前1/4周期內(nèi)，處于低端的5～7號(hào)支管的流量略高于高端的1～3號(hào)支管，分析是由于縱搖造成分布器各支管沿著晃動(dòng)方向產(chǎn)生高度差，主管傾斜后液體在重力作用下有向低端堆積的趨勢(shì)，造成位于低處的支管總流量略高于位于高處的支管總流量。各支管出口流量的Mo值如表3所示。

表3 縱搖5°工況下孔口流量的Mo值表

從表3可以看出，縱搖使得分布器的各支管及整體的Mo值較靜止條件下變大，即液體分布器的分布效果變差，但與橫搖工況相比，變差程度小一些。

2.2.1.3 艏搖工況

在周期為16 s、流量為15 m3/h、艏搖5°的條件下，取排管式液體分布器各出口流量作圖（圖7）。

圖7 艏搖5°工況下的流量分布圖

從圖7可以看出，艏搖對(duì)排管各支管口流量分布效果影響很小，其分布與靜止條件下相比無(wú)明顯差別。各支管出口流量的Mo值如表4所示。

從表4可以看出，艏搖5°時(shí)與靜止條件時(shí)的Mo值基本相同，各支管流量曲線和不均勻度都沒(méi)有明顯變化，即艏搖對(duì)分布器的分布效果無(wú)明顯影響。

表4 艏搖5°工況下孔口流量的Mo值表

2.2.1.4 橫蕩、縱蕩、垂蕩工況

在周期為16 s、流量為15 m3/h、橫蕩150 mm、縱蕩150 mm、垂蕩150 mm的條件下做排管式液體分布器水力學(xué)實(shí)驗(yàn)，各支管出口流量的Mo值如表5所示。

從表5可以看出，橫蕩150 mm、縱蕩150 mm、垂蕩150 mm時(shí)與靜止條件時(shí)的Mo值差別很小，即在本實(shí)驗(yàn)艏蕩運(yùn)動(dòng)幅度范圍內(nèi)橫蕩、縱蕩、垂蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)分布器的分布效果無(wú)明顯影響。

表5 橫蕩、縱蕩、垂蕩運(yùn)動(dòng)工況下孔口流量的Mo值表

2.2.2 晃動(dòng)幅度對(duì)排管式液體分布器流體分布特性的影響

本節(jié)主要研究不同的晃動(dòng)幅度對(duì)排管式液體分布器各支管口流量分布均勻性的影響，現(xiàn)對(duì)兩種影響排管式液體分布器分布性能較大的搖擺運(yùn)動(dòng)形式分別做不同晃動(dòng)幅度的研究。

2.2.2.1 橫搖工況

開(kāi)展周期為16 s，流量為15 m3/h，橫搖5°和8°條件下排管式液體分布器晃動(dòng)實(shí)驗(yàn)，各出口流量如圖5、圖8所示。

從圖5、圖8中可以看出，橫搖8°時(shí)排管式液體分布器各支管孔口的流量分布規(guī)律與橫搖5°時(shí)基本相同，即流量分布相對(duì)于主管對(duì)稱，出液孔運(yùn)動(dòng)到最低位置時(shí)的流量總體大于位于高處孔口的流量。隨著橫搖幅度的增大，各支管最高和最低端的高度差增大，從而使得兩端的流量差增大。作兩種橫搖幅度下各支管出口流量的Mo值如表6所示。

從不同橫搖角度各支管和整體的不均勻度值可以看出，橫搖使得分布器的分布效果變差，且其不均勻度隨橫搖度數(shù)的增大而增大，即橫搖度數(shù)的增大，使各支管和整體的分布效果均變差。

圖8 橫搖8°工況下的流量分布圖

表6 橫搖5°、8°工況下孔口流量的Mo值表

2.2.2.2 縱搖工況

開(kāi)展周期為16 s，流量為15 m3/h，縱搖5°和8°條件下排管式液體分布器晃動(dòng)實(shí)驗(yàn)，各出口流量如圖6、圖9所示。

從圖6、圖9中可以看出，縱搖8°時(shí)排管式液體分布器各支管口的流量分布規(guī)律和縱搖5°時(shí)的規(guī)律基本相同，即在取樣的前1/4周期內(nèi)，5～7號(hào)支管的流量略高于1～3號(hào)支管，后1/4周期內(nèi)1～3號(hào)支管的流量略高于5～7號(hào)支管。隨著縱搖幅度的增大，各支管之間的高度差增大，從而使得流量差增大。作兩種縱搖幅度下各支管出口流量的Mo值如表7所示。

圖9 縱搖8°工況下的流量分布圖

從表7可以看出，縱搖使得分布器的分布效果變差，且不均勻度隨橫搖度數(shù)的增大而增大，但增大相同的角度其不均勻度增大程度較橫搖小。

表7 縱搖5°、8°工況下孔口流量的Mo值表

3 結(jié)論

1）6種單一晃動(dòng)形式中，橫搖、縱搖對(duì)排管式液體分布器的孔口流量分布影響較大，橫搖5°和縱搖5°使分布器整體Mo值分別增大了35%和15%，其余晃動(dòng)形式對(duì)分布器影響很小。

2）隨著晃動(dòng)幅度的增大，分布器整體分布質(zhì)量下降，橫搖8°比橫搖5°的Mo值增大30%，縱搖8°比縱搖5°的Mo值增大20%左右，艏搖運(yùn)動(dòng)下的Mo值變化不明顯。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 喻西崇, 謝彬, 鄔亞玲, 李玉星, 王武昌, 朱建魯. 大型FLNG/ FLPG裝置上部模塊二氧化碳預(yù)冷雙氮膨脹液化工藝方法[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2014, 33(1): 89-94. Yu Xichong, Xie Bin, Wu Yaling, Li Yuxing, Wang Wuchang, Zhu Jianlu. Liquefaction technology of CO2-precooled dinitrogen expansion for large FLNG/FLPG device top module[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2014, 33(1): 89-94.

[2] 朱建魯, 李玉星, 王武昌, 劉永浩, 謝彬, 喻西崇. 海上天然氣液化工藝流程優(yōu)選[J]. 天然氣工業(yè), 2012, 32(3): 98-104. Zhu Jianlu, Li Yuxing, Wang Wuchang, Liu Yonghao, Xie Bin, Yu Xichong. Optimal selection of natural gas liquefaction process for an LNG-FPSO unit[J]. Natural Gas Industry, 2012, 32(3): 98-104.

[3] 秦總根, 涂偉萍. 填料塔液體分布器的設(shè)計(jì)與選型[J]. 現(xiàn)代化工, 2003(增刊1): 221-224. Qin Zonggen, Tu Weiping. Design and type selection of liquid distribution in filling layers of filling column[J]. Modern Chemical Industry, 2003(S1): 221-224.

[4] 劉新立. 船載液體晃蕩載荷特性研究[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2009. Liu Xinli. The sloshing characteristics research of the liquid in ship tank[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2009.

[5] 董誼仁. 填料塔液體分布器的設(shè)計(jì)[J]. 化工生產(chǎn)與技術(shù), 19 98, 17(1): 1-10. Dong Yiren. The design of liquid distribution in packed columns[J]. Chemical Production and Technology, 1998, 17(1): 1-10.

[6] Abramson HN. The dynamic behavior of liquids in moving containers[J]. Applied Mechanics Review, 1966, 16(7): 106.

[7] 徐世民, 張艷華, 任艷軍. 塔填料及液體分布器[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程, 2006, 23(1): 75-80. Xu Shimin, Zhang Yanhua, Ren Yanjun. Packings and liquid distributor in packed column[J]. Chemical Industry and Engineering, 2006, 23(1): 75-80.

[8] 孫希瑾, 陳建娟, 秦嶺. 大型填料塔液體分布器的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J]. 石油化工設(shè)計(jì), 2002, 19(1): 10-15. Sun Xijin, Chen Jianjuan, Qin Ling. Design and application of liquid distributor in large-sized packing tower[J]. Petrochemical Design, 2002, 19(1): 10-15.

[9] 朱菊香, 胡松平, 姚克儉. 排管式液體分布器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與應(yīng)用研究[J]. 林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè), 2002, 22(3): 1-5. Zhu Juxiang, Hu Songping, Yao Kejian. Study on structural improvement and application of ladder liquid distributor[J]. Chemistry and Industry of Forest Products, 2002, 22(3): 1-5.

[10] Faltinsen OM. A numerical nonlinear method of sloshing in tanks with two-dimensional flow[J]. Journal of Ship Research, 1978, 22(3): 193-202.

[11] 賴志昌. U型減搖水艙及實(shí)驗(yàn)搖擺臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué), 2001. Lai Zhichang. Research on U-tube anti-rolling tank and test rolling table experimentation[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2001.

[12] Hwang Y, Jung J, Kim D, Ryu M. An experimental study and numerical simulation on sloshing impact pressures with two identically shaped rectangular 2-dimensional model tanks with different sizes[C]//The 18thInternational Offshore and Polar Engineering Conference, 6-11 July 2008, Vancouver, Canada.

[13] Lund-Johansen ?, ?stvold T, Berthon CF, et al. Full scale measurements of sloshing in LNG tanks[C]//GASTECH Conference, 2011.

[14] 林秀鋒, 陳桂珍. 液體分布器分布質(zhì)量評(píng)價(jià)體系綜述[J]. 化學(xué)工程, 2008, 36(12): 74-78. Lin Xiufeng, Chen Guizhen. Overview on evaluation system of liquid distributor quality[J]. Chemical Engineering (China), 2008, 36(12): 74-78.

[15] Rafiee A, Pistani F, Thiagarajan K. Study of liquid sloshing: N-umerical and experimental approach[J]. Computational Mechanics, 2011, 47(1): 65-75.

[16] Chen YG, Djidjeli K, Price WG. Numerical simulation of liquid sloshing phenomena in partially filled containers[J]. Computers & Fluids, 2009, 38(4): 830-842.

（修改回稿日期 2015-11-11 編輯 何 明）

Effects of sloshing on the performance of FLNG calandria liquid distributors

Tang Jianfeng1, Yang Fan1, Cui Jian1, Chu Jie2, Zhang Haojie1, Xiu Yunfei1
(1. College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum , Qingdao, Shandong 266580, China; 2. CNOOC Gas & Power Group Research & Development Center, Beijing 100028, China)
NATUR．GAS IND．VOLUME 36，ISSUE 1，pp.123-128， 1/25/2016．(ISSN 1000-0976；In Chinese)

Abstract:With offshore oil and gas development, packed columns are widely used in offshore floating liquefied natural gas equipments (FLNG) for natural gas pretreatment. Liquid distributor is the key component of packed columns, so its design quality has direct effect on the packing performance and efficiency of the whole packed column. Calandria liquid distributor is driven by liquid pressure, so it can better suit for offshore sloshing. For the analysis of offshore sloshing effect on liquid distribution performance, a six-DOF (degree of freedom) sloshing platform which can generate six kinds of single-freedom-degree sloshing (e.g. rolling, pitching, yawing, swaying, surging and heaving) was used to perform experimental studies on calandria liquid distributors in the working conditions of static, different sloshing forms and different sloshing amplitudes. Besides, the flow rates of each liquid outlet were measured under different operating conditions, and the effects of different sloshing forms and amplitudes on the performance of liquid distributors were investigated. It is shown that among six single sloshing forms, rolling and pitching have more effects on the flow rate at the outlets of calandria liquid distributors, and the others have less effects on the distribution performance. The overall uneveness (Mo) rises by 35% and 15% respectively corresponding to rolling 5° and pitching 5°. With the increasing of sloshing amplitude, the distribution performance of calandria liquid distributors gets worse. The Moof rolling 8° is 30% higher than that of rolling 5°. The Moof pitching 8° is about 20% higher than that of pitching 5°. The Mois less influenced by the shaking movement of stems. These research results provide technical support for the application and optimization of calandria liquid distributors on the sea.

Keywords:FLNG; Calandria liquid distributor; Sloshing; Six-DOF sloshing platform; Rolling; Pitching; Distribution performance; Uneveness

作者簡(jiǎn)介：唐建峰，1973年生，教授，博士；現(xiàn)任中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院燃?xì)夤こ滔抵魅?；主要從事天然氣預(yù)處理、LNG關(guān)鍵技術(shù)等方面的研究工作。電話：（0532）86983173。ORCID:0000-0002-9159-2317。E-mail:tangpaper@126. com

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.01.016