Compatibility test of gas distributor in the FLNG packed tower
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摘要: 填料塔作为现代化工工艺生产中不可或缺的处理设备，其性能在一定程度上受到气体分布器的影响，均布效果优良的气体分布器可一定程度提高填料塔的吸收效果。双切向环流式气体分布器因其压降低、液沫夹带量小、气体分布效果较好等特性而被广泛应用于填料塔内。以双切向环流式气体分布器为研究对象，分别选取静止状态和16 s周期下横摇、纵摇、艏摇8°及横荡、纵荡、垂荡150 mm的工况进行实验研究，对海上晃动条件下FLNG填料塔内气体分布器适应性开展研究。结果表明：在6个自由度晃动中，除横荡工况下气体分布不均匀，其系数较静止时增加3.03%，其余晃动工况对气体均布有一定的促进效果，故气体分布器在FLNG填料塔内的设计可与陆上保持一致。
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关键词:
- FLNG /
- 填料塔 /
- 双切向环流式气体分布器 /
- 海上工况 /
- 晃动
Abstract: The packed tower is the indispensable processing equipment in modern chemical technique and production, and its performance is partly influenced by the gas distributor. The gas distributor with great uniform distribution effect can, in a way, enhance the absorption effect of packed tower. The twin-tangential annular flow gas distributor is widely applied in packed towers owing to its advantages of small pressure drop, little liquid entrainment and better gas distribution. In this paper, the twin-tangential annular flow gas distributor was taken as the study object to conduct the experimental study on the adaptability of gas distributor in the FLNG packed tower in the sea conditions of sloshing, including quiescent condition, rolling, pitching and yawing by 8 degrees and swaying, surging and heaving by 150 mm in the cycle of 16 s. It is shown that 6 freedom-degree sloshes except the swaying promote the uniform gas distribution. In the working condition of swaying, the gas distribution is not uniform and its coefficient is 3.03% higher than that of quiescent condition. Therefore, the design of gas distributor in the FLNG packed tower can be consistent with that on the land.-
Keywords:
- FLNG /
- packed tower /
- twin-tangential annular flow gas distributor /
- sea condition /
- sloshing
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新型远洋天然气开采设备浮式液化天然气船FLNG具有投资成本低、建设周期短、可重复使用的优点，能够有效解决深海天然气资源的开采问题[1-7]。为满足填料塔内良好的气体分布，已经研发出多种类型、不同功能的气体分布器[8-11]，包括切向号角式、多孔直管式、直管挡板式、单切向环流式、双切向环流式、双列叶片式及轴径向式。其中双切向环流式气体分布器压降小、气体分布效果好、液沫夹带量小，综合性能优良，应用广泛。
受海洋复杂多变环境的影响，FLNG船不可避免地会产生各种晃动[12-15]。为探索晃动对气体分布器性能的影响规律，针对双切向环流式气体分布器进行晃动条件下的实验研究，旨在为海上FLNG船的设计提供理论支持。
1. 分布器晃动实验
为准确模拟海上晃动工况，搭建双切向环流式气体分布器晃动实验平台（图 1），其主要由晃动平台、双切向环流式气体分布器塔段、风机、流量计、压力表及气速检测装置组成。实验选取介质为空气。实验流程如下：开启风机，调节入塔流量至气体分布器额定流量6 000 m3/h，使分布器内流场趋于稳定；利用晃动平台实现6个自由度海上晃动工况模拟，采用数字风速计测量分布器出口气速。
将双切向环流式气体分布器实验装置的6种单一自由度晃荡形式（图 2）定义为[16-17]：①横摇，即分布器以x轴为转动轴，在一定角度内做摇摆运动；②纵摇，即分布器以y轴为转动轴，在一定角度内做摇摆运动；③艏摇，即分布器以z轴为转动轴，在一定角度内做摇摆运动；④横荡运动为分布器沿y轴方向的直线运动；⑤纵荡运动为分布器沿x轴方向的直线运动；⑥垂荡运动为分布器沿z轴方向的直线运动。在实验中，横摇、纵摇、艏摇最大角度为8°，横荡、纵荡、垂荡最大运动幅度为150 mm。
2. 结果分析
2.1 评价指标
气体的均布性是评价分布器性能最重要的指标。采用分布不均匀系数Mf衡量气体分布器性能[18-19]，对出口各测点进行整体性评价，是目前对分布器均布性能较为常用的评价方法，Mf越大代表分布器的分布性能越差，其计算公式为：
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2018/7/href="yqcy-37-7-822-E1.png")
(1) 式中：n为测量平面内的测点个数；ui为i点轴向气速，m/s；u为平均轴向气速，m/s。
2.2 分布器性能
2.2.1 静止工况
设置气体分布器的入口流量分别为3 000 m3/h、4 000 m3/h、5 000 m3/h、6 000 m3/h、7 000 m3/h，为更好地体现其分布特性及在不同区域的气体分布效果，选取3条测量线A、B、C进行不同进气量下出口气速分析，每条测量线包含9个测点（图 3，其中测量点0为各条测量线的交点，位于分布器出口中心处）。
根据双切向环流式气体分布器静止工况的实验结果，得到不同进气量下3条测量线上气速分布曲线（图 4，其中q为气体分布器入口流量；v为气体分布器出口气速在竖直方向的分量）。根据不同气量下的气速分布曲线，可得到分布器内天然气的流动规律：气体入塔后距入口较远侧气速偏大，离入口较近处气速偏小；以气速最大处为中心，沿各方向气速呈现降低趋势。这是由于气体入塔后有水平方向的速度分量v1，受v1影响，气体在被导流板倒流向下至塔底后不会折而向上，而是沿塔底流向对面塔壁，v1在流动过程中因摩擦而损耗。当v1=0时，气体向上运动，导致离入口较远侧气速偏大；最大气速中心周围易产生回流，导致局部气速过小。
2.2.2 晃动工况
根据双切向环流式气体分布器的晃动形式，将出口划为4个区域（图 5），通过计算各区域气速平均值和出口分布不均匀系数，得出晃动对气体分布器性能的影响。为方便研究，在16 s晃动周期内，定义横摇、纵摇、艏摇4 s时刻为晃动8°，横摇、纵摇、艏摇12 s时刻为晃动—8°；同理，定义横荡、纵荡、垂荡4 s时刻为晃动150 mm，横荡、纵荡、垂荡12 s时刻为晃动—150 mm。考虑到分布器结构的不完全对称性及晃动影响最大化，选取横摇8°、纵摇±8°、艏摇8°、横荡150 mm、纵荡±150 mm、垂荡±150 mm进行研究。
2.2.2.1 横摇
根据双切向环流式气体分布器实验结果，当气量为6 000 m3/h（与额定流量相等）时，将横摇8°与静止工况下4个区域各测点气速平均值进行对比，并根据式（1）计算得到出口气体分布不均匀系数（表 1、图 6）。可见，当双切向环流式气体分布器横摇8°时，分布器出口气速分布与静止时刻规律相同，区域Ⅳ平均气速较静止时增大11.71%，各区域受晃动影响规律不明显，与气体流动性大、惯性小有关；气体分布不均匀系数较静止时降低—0.52%，对气体均布效果有一定促进作用，这是由于横摇使内部气流产生紊动，降低了分布不均匀性。因此，横摇对气体分布器的影响可以忽略。
表 1 横摇8°与静止时分布器出口不同区域气速平均值及整体分布不均匀系数
2.2.2.2 纵摇
根据双切向环流式气体分布器实验结果，当气量为6 000 m3/h时，将纵摇8°与静止工况下4个区域各测点气速平均值进行对比，并根据式（1）计算得到出口气体分布不均匀系数（表 2、图 7）。
表 2 纵摇8°与静止时分布器出口不同区域气速平均值及整体分布不均匀系数
根据双切向环流式气体分布器实验结果，当气量为6 000 m3/h时，将纵摇—8°与静止工况下4个区域各测点气速平均值进行对比，并根据式（1）计算得到出口气体分布不均匀系数（表 3、图 8）。
表 3 纵摇—8°与静止时分布器出口不同区域气速平均值及整体分布不均匀系数
当双切向环流式气体分布器纵摇至最大幅度处，分布器出口气速分布与静止时的变化规律相同，区域Ⅰ受纵摇影响最大，纵摇—8°时较静止增大9.34%，其余区域受纵摇影响较小，各区域受晃动影响规律不明显，这与气体流动性大、惯性小有关。气体分布不均匀系数较静止时分别降低—1.97%和—0.66%，对均布效果有一定促进作用，这是由于纵摇使内部气流产生紊动，降低了分布不均匀性。因此，纵摇对气体分布器的影响可以忽略。
2.2.2.3 艏摇
根据双切向环流式气体分布器实验结果，当气量为6 000 m3/h时，将艏摇8°与静止工况下4个区域各测点气速平均值进行对比，并根据式（1）计算得到出口气体分布不均匀系数（表 4、图 9）。
表 4 艏摇8°与静止时分布器出口不同区域气速平均值及整体分布不均匀系数
当双切向环流式气体分布器艏摇8°时，分布器出口气速分布与静止时刻规律相同，各区域受晃动影响较小且规律不明显，这与气体流动性大，惯性小有关；气体分布不均匀系数较静止时降低—0.13%，对均布效果有一定促进作用，这是由于艏摇使内部气流产生紊动，降低了分布不均匀性。因此，艏摇对气体分布器的影响可以忽略。
2.2.2.4 横荡
根据双切向环流式气体分布器实验结果，当气量为6 000 m3/h时，将横荡150 mm与静止工况下4个区域各测点气速平均值进行对比，并根据式（1）计算得到出口气体分布不均匀系数（表 5、图 10）。
表 5 横荡150 mm与静止时分布器出口不同区域气速平均值及整体分布不均匀系数
当双切向环流式气体分布器横荡150 mm时，分布器出口气速分布与静止时的变化规律相同，区域Ⅱ存在最大气速增幅10.95%，沿横荡方向区域Ⅰ、区域Ⅱ气速增大，其相对侧区域Ⅲ、区域Ⅳ气速降低，气速分布规律整体不变；气体分布不均匀系数较静止时小幅提高3.03%。因此，横荡对气体分布器性能影响可以忽略。
2.2.2.5 纵荡
根据双切向环流式气体分布器实验结果，当气量为6 000 m3/h时，将纵荡150 mm与静止工况下4个区域各测点气速平均值进行对比，并根据式（1）计算得到出口气体分布不均匀系数（表 6、图 11）。
表 6 纵荡150 mm与静止时分布器出口不同区域气速平均值及整体分布不均匀系数
根据双切向环流式气体分布器实验结果，当气量为6 000 m3/h时，将纵荡—150 mm与静止工况下出口处4个区域各测点气速平均值进行对比，并根据式（1）计算得到出口气体分布不均匀系数（表 7、图 12）。
表 7 纵荡—150 mm与静止时分布器出口不同区域气速平均值及整体分布不均匀系数
当双切向环流式气体分布器纵荡至最大幅度处分布器出口气速分布与静止时刻规律相同，各区域气速分布受横荡影响较小且规律不明显，这与气体流动性大，惯性小有关；当纵荡150 mm时，气体分布不均匀系数较静止时降低—0.26%，对均布效果有一定促进作用，这是由于纵荡使内部气流产生紊动，降低了分布不均匀性。因此，纵荡对气体分布器的影响可以忽略。
2.2.2.6 垂荡
根据双切向环流式气体分布器实验结果，当气量为6 000 m3/h时，将垂荡150 mm与静止工况下4个区域各测点气速平均值进行对比，并根据式（1）计算得到出口气体分布不均匀系数（表 8、图 13）。
表 8 垂荡150 mm与静止时分布器出口不同区域气速平均值及整体分布不均匀系数
根据双切向环流式气体分布器实验结果，当气量为6 000 m3/h时，将垂荡—150 mm与静止工况下4个区域各测点气速平均值进行对比，并根据式（1）计算得到出口气体分布不均匀系数（表 9、图 14）。
表 9 垂荡—150 mm与静止时分布器出口不同区域气速平均值及整体分布不均匀系数
当双切向环流式气体分布器垂荡至最大幅度处时，分布器出口气速分布与静止时变化规律相同，各区域气速受垂荡影响较小且规律不明显，这与气体流动性大、惯性小有关；垂荡—150 mm时刻气体分布不均匀系数较静止时降低—2.11%，对均布效果有一定的促进作用，这是由于垂荡使内部气流产生紊动，降低了分布不均匀性。因此，垂荡对气体分布器的影响可以忽略。
3. 结论
（1）设计了双切向环流式气体分布器，并应用于实验塔段内，通过实验方法得到静止条件下该分布器的规律：距入口较远侧气速偏大，离入口较近处气速偏小；以气速最大处为中心，沿各方向气速有降低趋势。
（2）借助双切向环流式气体分布器晃动平台，研究了横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡6种单自由度晃动形式对气体分布器性能的影响，其中横荡8°时分布不均匀系数存在最大增幅3.03%，较静止时偏差较小。综合考虑，海上晃动工况对双切向环流式气体分布器影响可以忽略，在FLNG中填料塔内气体分布器设计可与陆上设计一致。
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