一种浮式天然气液化系统海上适应性的试验平台的制作方法

本发明属于油气集输技术领域，具体涉及一种浮式天然气液化系统海上适应性的试验平台。

背景技术

随着我国能源消费结构的调整，以天然气为代表的清洁能源在能源供给中的比例将不断提高。尽管我国海上天然气储量丰富，但相当一部分位于深海和边远气田。为满足如此庞大的天然气需求，开发海上天然气资源成为国家能源战略的重要方面。传统的开发输送方式主要有海底管道、转化为甲醇等方式。这些方法不仅成本高，维护代价大，安全性也较差，这都制约了海上天然气资源的开发利用。

近年来，海洋工程界提出了一种浮式液化天然气生产储卸装置(lng-fpso)的技术。然而，天然气液化工艺在海上lng-fpso应用时，受波浪晃荡的影响，分离器、换热器、塔器等存在两相的设备可能存在分离不完全或者换热不充分的现象，从而影响液化工艺的性能指标，目前世界上关于lng-fpso的很多技术并不成熟，因此，需要研究一种测试浮式天然气液化系统中关键设备海上适应性的试验平台。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种浮式天然气液化系统海上适应性的试验平台，用来测试海上倾斜晃动对天然气液化系统中板翅式换热器、绕管式换热器、塔器、气液分离器等核心设备的流动与传热传质过程的影响；本发明为实现其目的的总体思路是：将液化系统中的关键设备安装在摇摆平台上，利用摇摆平台模拟fpso船体的晃动工况，通过试验测试设备的流动与传热传质特性，评价与优化flng工艺中关键设备的海上适应性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种浮式天然气液化系统海上适应性的试验平台，包括介质循环模块、氟利昂预冷模块、液氮冷却模块、测试单元、晃动单元、高速摄像系统；

所述介质循环模块的输出端依次与氟利昂预冷模块、液氮冷却模块、测试单元进行连接，所述测试单元的输出端与介质循环模块的输入端进行连接；

所述氟利昂预冷模块用于介质的预冷降温；

所述液氮冷却模块用于介质的深冷降温；

所述测试单元为待检测设备的实验模型，待检测设备为分离器、绕管式换热器、板翅式换热器、塔器等两相设备中的一种，待检测设备的实验模型均由透明材料制成；

所述测试单元和高速摄像系统设置在晃动单元上，所述晃动单元用于模拟海上倾斜晃荡条件；

所述高速摄像系统用于实时记录测试单元内气液相界面。

优选的，所述介质循环模块包括分离器，所述分离器的气相出口连接风机，所述风机的出口依次连接气相质量流量计、气相截止阀，所述气相截止阀与氟利昂预冷模块进行连接；所述分离器的液相出口连接泵，所述泵的出口依次连接液相体积流量计、液相进口截止阀，所述液相进口截止阀与测试单元的入口进行连接；所述测试单元的出口依次连接后调温装置、入口截止阀，所述入口截止阀与分离器的入口端进行连接。

优选的，所述风机的入口端设有风机进口调节阀，所述风机的出口端设有风机出口调节阀，所述风机进口调节阀的入口端与风机出口调节阀的出口端之间设有风机旁通回路，所述风机旁通回路上设有风机旁通调节阀。

优选的，所述泵的入口端设有泵进口调节阀，所述泵的出口端设有泵出口调节阀，所述泵进口调节阀的入口端与泵出口调节阀的入口端之间设有泵旁通回路，所述泵旁通回路上设有泵旁通调节阀。

优选的，所述氟利昂预冷模块包括氟利昂制冷机、氟利昂换热器，所述氟利昂制冷机的出口端连接液态氟利昂循环调节阀，所述液态氟利昂循环调节阀与氟利昂换热器的冷剂入口端连接，所述氟利昂换热器的冷剂出口端与气态氟利昂循环调节阀连接，所述气态氟利昂循环调节阀与氟利昂制冷机的入口端连接；所述氟利昂换热器的介质入口端与气相截止阀连接，所述氟利昂换热器的介质出口端与换热器间调节阀连接，所述换热器间调节阀与液氮冷却模块相连；所述氟利昂换热器的介质入口端和介质出口端之间设有氟利昂换热器旁通回路，所述氟利昂换热器旁通回路上设有氟利昂换热器旁通调节阀。

优选的，所述液氮冷却模块包括液氮罐、液氮浸没式换热器；所述液氮罐的出口端连接液氮进口调节阀，所述液氮进口调节阀与液氮浸没式换热器的冷剂入口端相连，所述液氮浸没式换热器的冷剂出口端上设有液氮出口调节阀；所述液氮浸没式换热器的介质入口端与换热器间调节阀连接，所述液氮浸没式换热器的介质出口端依次与气相进口调节阀、前调温装置连接，所述前调温装置与测试单元的入口端连接；

所述液氮浸没式换热器的介质入口端和介质出口端之间设有液氮制冷旁通回路，所述液氮制冷旁通回路上设有液氮制冷旁通调节阀。

优选的，所述液氮浸没式换热器的介质出口端还连接有气相旁通阀，所述气相旁通阀与测试单元的出口端连接。

优选的，所述液相体积流量计还与液相旁通阀连接，所述液相旁通阀与测试单元的出口端连接。

优选的，所述晃动单元为六自由度摇摆平台。

优选的，所述测试单元内设有压力传感器、差压传感器、温度传感器。

本发明试验平台能够进行两个试验：测试单元冷态可视化实验、测试单元传热传质实验。

(1)测试单元冷态可视化实验

实验目的：由于海上晃荡先影响工艺中的关键设备流动，再影响关键设备的传热传质性能，因此两相流设备在晃荡过程中气液相波动的研究尤为重要，可以从机理上对flng中的关键设备进行优化。

实验介质：气相介质为氮气，液相介质为戊烷。

测试单元：是指分离器、换热器、塔器等存在两相的设备，这些设备极易受到海况的影响，通过观察其流动特性，优化设备结构。

实验过程：

在该过程中，关闭氟利昂预冷模块和液氮冷却模块。

常温、压力为1bar的氮气由风机从分离器抽出，经风机进口调节阀节流调节后，压力降为0bar，流经风机，增压至1bar，经风机出口调节阀节流调节后，经气相质量流量计计量后，流经气相截止阀、氟利昂换热器旁通调节阀、气相进口截止阀、液氮制冷旁通调节阀、气相进口调节阀、前调温装置，进入测试单元；

常温、压力为1bar的戊烷由泵从分离器抽出，经泵进口调节阀节流调节后，压力降为0bar，流经泵，增压至1mpa，经泵出口调节阀节流调节后，压力降为1bar，经液相体积流量计计量后，流经液相进口截止阀，进入测试单元；

氮气与戊烷分别进入测试单元进行混合；

混合介质经测试单元出口，流经后调温装置、入口截止阀进入分离器，经过分离器分离后分别进入泵与风机，实现气液相介质的循环；

上述过程中，测试单元放于晃动单元上，来模拟海浪倾斜晃荡工况，通过压力传感器与差压传感器实时记录监控测试单元内部压力参数随晃荡变化情况，通过温度传感器实时记录监控测试单元内部温度参数随晃荡变化情况，通过高速摄像系统实时记录监控气液相界面。

(2)测试单元传热传质实验

实验目的：通过前期的测试单元冷态可视化实验，研究晃荡下测试但愿吧内部两相流内部变化情况，而真实情况下分离器、换热器、塔器等存在两相的设备内都存在传热传质过程，为了进一步提高关键设备海上适应性，需要进行传热传质实验。

实验介质：只有气相介质，为氮气、甲烷、乙烯、丙烷和丁烷混合组分组成。

测试单元：是指分离器、换热器、塔器等存在两相的设备。

实验过程：

在该过程中，只有气相介质，关闭泵以及液相流通管路。

常温、压力为1bar的气相介质由风机从分离器抽出，经风机进口调节阀节流调节后，压力降为0bar，流经风机，增压至1bar，经风机出口调节阀节流调节流量，并经气相质量流量计计量后，流经气相截止阀，进入氟利昂换热器冷却至-30℃，通过换热器间调节阀进入液氮浸没式换热器，通过调节液氮浸没式换热器液氮液位，氮浸没式换热器出口的介质温度可以实现-30℃至-120℃的连续变化；

之后介质流经气相进口调节阀，进入前调温装置进行温度的微调后，进入测试单元；

从测试单元出来的介质经过后调温装置升温气化为常温介质，经过入口截止阀节流降压，压力降为0bar，进入分离器，进而实现气相介质的循环；

上述过程中，测试单元放于晃动平台上模拟海浪晃荡条件，通过压力传感器与差压传感器实时记录监控测试单元内部压力参数随晃荡变化情况，通过温度传感器实时记录监控测试单元内部温度参数随晃荡变化情况；

上述过程中，在氟利昂预冷模块中，从氟利昂制冷机出来的液态氟利昂冷剂温度为-35℃，经过液态氟利昂循环调节阀控制流量后，进入氟利昂换热器与实验介质换热后气化为温度5℃的气态氟利昂冷剂，经过气态氟利昂循环调节阀，进入氟利昂制冷机液化；

上述过程中，在液氮冷却模块中，从液氮罐出来的液氮温度为-180℃，经过液氮进口调节阀控制流量后，进入液氮浸没式换热器，与实验介质换热，气化为-30℃的氮气，通过调节浸没式换热器的液位，调节实验介质的出口温度。

本发明的有益效果是：

本发明浮式天然气液化系统海上适应性的试验平台整个实验装置具有紧凑、节能、运行稳定等优点；可以研究flng工艺中分离器、换热器、塔器等多种设备的海上适应性；本发明依托高速摄像技术，通过微观与介观流动机理研究解释宏观实验现象的跨尺度实验研究方法揭示晃荡对flng关键设备的流动影响机理，通过高速摄像系统实时记录监控气液相界面，来达到对两相流设备在晃荡过程中气液相波动的研究；本发明还可以研究晃荡对flng关键设备传热传质过程的影响机理，将测试单元放于晃动平台上，通过压力传感器与差压传感器实时记录监控测试单元内部压力参数随晃荡变化情况，通过温度传感器实时记录监控测试单元内部温度参数随晃荡变化情况，以此实现通过调节晃荡平台晃荡形式、晃荡周期、幅度得到flng工艺中关键设备运行稳定性的晃荡边界条件。

附图说明

图1为本发明浮式天然气液化系统海上适应性的试验平台的流程示意图；

其中，1-风机，2-风机出口调节阀，3-风机旁通调节阀，4-风机进口调节阀，5-气相质量流量计，6-气相截止阀1，7-氟利昂换热器旁通调节阀，8-氟利昂制冷机，9-气态氟利昂循环调节阀，10-液态氟利昂循环调节阀,11-氟利昂换热器，12-泵出口调节阀，13-液相体积流量计，14-高速摄像系统，15-晃荡平台，16-压力传感器，17-差压传感器，18-温度传感器，19-测试装置，20-测试装置前调温装置，21-液氮制冷旁通调节阀，22-换热器间调节阀，23-液相进口截止阀，24-液氮出口调节阀，25-液氮浸没式换热器，26-液氮罐，27-液氮进口调节阀，28-气相进口调节阀，29-液相旁通阀，30-气相旁通阀，31-测试装置后调温装置，32-入口截止阀，33-分离器，34-泵进口调节阀，35-泵旁通调节阀，36-泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种浮式天然气液化系统海上适应性的试验平台，包括介质循环模块、氟利昂预冷模块、液氮冷却模块、测试单元19、晃动单元15、高速摄像系统14；

所述介质循环模块的输出端依次与氟利昂预冷模块、液氮冷却模块、测试单元19进行连接，所述测试单元19的输出端与介质循环模块的输入端进行连接；

所述氟利昂预冷模块用于介质的预冷降温，即氟利昂预冷模块通过氟利昂冷剂对实验介质进行预冷液化，同时还能实现氟利昂冷剂的循环使用；

所述液氮冷却模块用于介质的深冷降温，即液氮冷却模块通过液氮冷剂对实验介质进行深冷液化；

所述测试单元为待检测设备的实验模型，待检测设备为分离器、绕管式换热器、板翅式换热器、塔器等两相设备中的一种，待检测设备的实验模型均由透明材料制成；

所述测试单元19和高速摄像系统14设置在晃动单元15上，所述晃动单元15用于模拟海上倾斜晃荡条件，晃动单元15能够实现不同晃荡型式、周期和幅值，来模拟flng船受海上晃荡影响情况；

所述高速摄像系统14用于实时记录测试单元19内气液相界面；

高速摄像系统14包括高速摄像机以及与高速摄像机相连的计算机，相较于普通相机，高速摄像机拍摄的照片清晰度更高，且拍摄速度更快，便于准确捕捉测试单元内部流型变化；高速摄像机拍摄的照片传到计算机中对捕捉的图像进行处理。

优选的，所述介质循环模块包括分离器33，所述分离器33的气相出口连接风机1，所述风机1的出口依次连接气相质量流量计5、气相截止阀6，所述气相截止阀6与氟利昂预冷模块进行连接；所述分离器33的液相出口连接泵36，所述泵36的出口依次连接液相体积流量计13、液相进口截止阀23，所述液相进口截止阀23与测试单元19的入口进行连接；所述测试单元19的出口依次连接后调温装置31、入口截止阀32，所述入口截止阀32与分离器33的入口端进行连接；

后调温装置31采用空温式汽化器和电加热丝等现有技术，由于在测试单元中可能会存在低温液体，后调温装置31用来加热低温介质，防止风机进口带液。

优选的，所述风机1的入口端设有风机进口调节阀4，所述风机1的出口端设有风机出口调节阀2，所述风机进口调节阀4的入口端与风机出口调节阀2的出口端之间设有风机旁通回路，所述风机旁通回路上设有风机旁通调节阀3。

优选的，所述泵36的入口端设有泵进口调节阀34，所述泵36的出口端设有泵出口调节阀12，所述泵进口调节阀34的入口端与泵出口调节阀12的入口端之间设有泵旁通回路，所述泵旁通回路上设有泵旁通调节阀35。

优选的，所述氟利昂预冷模块包括氟利昂制冷机8、氟利昂换热器11，所述氟利昂制冷机8的出口端连接液态氟利昂循环调节阀10，所述液态氟利昂循环调节阀10与氟利昂换热器11的冷剂入口端连接，所述氟利昂换热器11的冷剂出口端与气态氟利昂循环调节阀9连接，所述气态氟利昂循环调节阀9与氟利昂制冷机8的入口端连接；所述氟利昂换热器11的介质入口端与气相截止阀6连接，所述氟利昂换热器11的介质出口端与换热器间调节阀22连接，所述换热器间调节阀22与液氮冷却模块相连；所述氟利昂换热器11的介质入口端和介质出口端之间设有氟利昂换热器旁通回路，所述氟利昂换热器旁通回路上设有氟利昂换热器旁通调节阀7；

氟利昂制冷机8作为氟利昂预冷模块中的主制冷装置，可以提供稳定安全的制冷量，将实验介质冷却到0℃～-30℃，满足天然气液化工艺中预冷循环温度范围。

优选的，所述液氮冷却模块包括液氮罐26、液氮浸没式换热器25；所述液氮罐26的出口端连接液氮进口调节阀27，所述液氮进口调节阀27与液氮浸没式换热器25的冷剂入口端相连，所述液氮浸没式换热器25的冷剂出口端上设有液氮出口调节阀24；所述液氮浸没式换热器25的介质入口端与换热器间调节阀22连接，所述液氮浸没式换热器25的介质出口端依次与气相进口调节阀28、前调温装置20连接，所述前调温装置20与测试单元19的入口端连接；

前调温装置20采用电加热丝等现有技术，为了测试测试单元在不同进口温度下的海上适应性，来液通过前调温装置20来控制进口温度；

所述液氮浸没式换热器25的介质入口端和介质出口端之间设有液氮制冷旁通回路，所述液氮制冷旁通回路上设有液氮制冷旁通调节阀21；

液氮浸没式换热器25作为液氮冷却模块中的主制冷装置，液氮浸没式换热器25采用多层缠绕真空绝热方式，保证液氮损耗最低；液氮浸没式换热器25中安装差压式液位计，通过调节阀和控制系统调节容器内液氮液位；由于在氟利昂预冷模块的降温液化，进入液氮浸没式换热器25内实验介质分气液两相，液相介质直接利用液氮潜热，冷量较大，有助于所述的液氮浸没式换热器25内实验介质快速降温；气相介质利用低温氮气显热，冷量较小，因此通过调整所述的液氮浸没式换热器25内的液氮液位可以改变容器内部气相与液相换热的比例，进而实现对实验介质出液氮冷却模块温度的调节，液氮冷却模块出口处实验介质温度范围可达到-30℃～-120℃，满足天然气液化工艺中深冷循环温度范围。

优选的，所述液氮浸没式换热器25的介质出口端还连接有气相旁通阀30，所述气相旁通阀30与测试单元19的出口端连接。

优选的，所述液相体积流量计13还与液相旁通阀29连接，所述液相旁通阀29与测试单元19的出口端连接。

优选的，所述晃动单元15为六自由度摇摆平台.

优选的，所述测试单元19内设有压力传感器16、差压传感器17、温度传感器18。

一种油气水三相静电聚结分离器，其具体实施方式为：

本发明试验平台能够进行两个试验：测试单元冷态可视化实验、测试单元传热传质实验。

(1)测试单元冷态可视化实验

实验目的：由于海上晃荡先影响工艺中的关键设备流动，再影响关键设备的传热传质性能，因此两相流设备在晃荡过程中气液相波动的研究尤为重要，可以从机理上对flng中的关键设备进行优化。

实验介质：气相介质为氮气，液相介质为戊烷。

测试单元：是指分离器、换热器、塔器等存在两相的设备，这些设备极易受到海况的影响，通过观察其流动特性，优化设备结构。

实验过程：

在该过程中，关闭氟利昂预冷模块和液氮冷却模块。

常温、压力为1bar的氮气由风机1从分离器33抽出，经风机进口调节阀4节流调节后，压力降为0bar，流经风机1，增压至1bar，经风机出口调节阀2节流调节后，经气相质量流量计5计量后，流经气相截止阀6、氟利昂换热器旁通调节阀7、气相进口截止阀22、液氮制冷旁通调节阀21、气相进口调节阀28、前调温装置20，进入测试单元19；

常温、压力为1bar的戊烷由泵36从分离器33抽出，经泵进口调节阀34节流调节后，压力降为0bar，流经泵36，增压至1mpa，经泵出口调节阀12节流调节后，压力降为1bar，经液相体积流量计13计量后，流经液相进口截止阀23，进入测试单元19；

氮气与戊烷分别进入测试单元19进行混合；

混合介质经测试单元19出口，流经后调温装置31、入口截止阀32进入分离器33，经过分离器分离后分别进入泵与风机,，实现气液相介质的循环；

上述过程中，测试单元19放于晃动单元15上，来模拟海浪倾斜晃荡工况，通过压力传感器16与差压传感器17实时记录监控测试单元19内部压力参数随晃荡变化情况，通过温度传感器18实时记录监控测试单元内部温度参数随晃荡变化情况，通过高速摄像系统14实时记录监控气液相界面。

(2)测试单元传热传质实验

实验目的：通过前期的测试单元冷态可视化实验，研究晃荡下测试但愿吧内部两相流内部变化情况，而真实情况下分离器、换热器、塔器等存在两相的设备内都存在传热传质过程，为了进一步提高关键设备海上适应性，需要进行传热传质实验。

实验介质：只有气相介质，为氮气、甲烷、乙烯、丙烷和丁烷混合组分组成。

测试单元：是指分离器、换热器、塔器等存在两相的设备。

实验过程：

在该过程中，只有气相介质，关闭泵36以及液相流通管路。

常温、压力为1bar的气相介质由风机1从分离器33抽出，经风机进口调节阀4节流调节后，压力降为0bar，流经风机1，增压至1bar，经风机出口调节阀2节流调节流量，并经气相质量流量计5计量后，流经气相截止阀6，进入氟利昂换热器11冷却至-30℃，通过换热器间调节阀22进入液氮浸没式换热器25，通过调节液氮浸没式换热器25液氮液位，氮浸没式换热器25出口的介质温度可以实现-30℃至-120℃的连续变化；

之后介质流经气相进口调节阀28，进入前调温装置20进行温度的微调后，进入测试单元19；

从测试单元19出来的介质经过后调温装置31升温气化为常温介质，经过入口截止阀32节流降压，压力降为0bar，进入分离器33，进而实现气相介质的循环；

上述过程中，测试单元19放于晃动平台15上模拟海浪晃荡条件，通过压力传感器16与差压传感器17实时记录监控测试单元内部压力参数随晃荡变化情况，通过温度传感器18实时记录监控测试单元内部温度参数随晃荡变化情况；

上述过程中，在氟利昂预冷模块中，从氟利昂制冷机8出来的液态氟利昂冷剂温度为-35℃，经过液态氟利昂循环调节阀10控制流量后，进入氟利昂换热器11与实验介质换热后气化为温度5℃的气态氟利昂冷剂，经过气态氟利昂循环调节阀9，进入氟利昂制冷机8液化；

上述过程中，在液氮冷却模块中，从液氮罐26出来的液氮温度为-180℃，经过液氮进口调节阀27控制流量后，进入液氮浸没式换热器25，与实验介质换热，气化为-30℃的氮气，通过调节浸没式换热器25的液位，调节实验介质的出口温度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。