申请/专利权人：中国市政工程华北设计研究总院有限公司

申请日：2022-07-08

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN115292986B

主分类号：G06F30/23

分类号：G06F30/23;G06F30/10;G06Q50/06;G06T17/20;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2022.11.22#实质审查的生效;2022.11.04#公开

摘要：本发明公开了一种液化天然气空温式气化器的性能评价方法，包括以下步骤：步骤一、对某一实际在运行的在用LNG空温式气化器进行现场测试，在有限元分析软件中进行流‑热耦合计算模拟仿真，通过对比测试结果对模型进行修正；步骤二、在有限元分析软件中进行验证用空温式气化器的流‑热‑固整体耦合计算，并添加子模型模块进行优化，进行验证测试和系数修正；步骤三、对待评价LNG空温式气化器进行设计工作条件和在某地区待投入运行使用工作条件下的流‑热‑固整体耦合计算，根据输出的结果对气化器进行性能评价；使用本方法既能同时对LNG空温式气化器的气化性能和疲劳寿命性能进行评价，又具有高效的实际可操作性和经济性。

主权项：1.一种液化天然气空温式气化器的性能评价方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、对某一实际在运行的在用LNG空温式气化器进行现场测试和参数确定，在有限元分析软件中建立该在用LNG空温式气化器的流-热耦合计算方法，然后对所述的在用LNG空温式气化器进行模拟仿真和模型修正，输出在用LNG空温式气化器优化后的流-热耦合条件设置，具体过程如下：S10：对在用LNG空温式气化器进行现场测试的过程为：以所述的在用LNG空温式气化器为目标，以LNG为气化介质对在用LNG空温式气化器进行实际运行测试，得到在用LNG空温式气化器的翅片管温度场分布和气化器气化性能，所述的翅片管温度场分布为最外层各个翅片管的外壁温度Tpn,fin，所述的气化器气化性能包括气化器出口处的气化介质出口温度Tp,out、气化介质出口压力Pp,out、气化介质出口流速vp,out以及气化器在运行时的实际气化量Qout；S11：获取在用LNG空温式气化器参数，包括在用空温式气化器在几何建模过程中所需要的尺寸参数、在有限元分析软件的仿真平台中设置气化器材料属性所需的空温式气化器材料参数、在有限元分析软件的数值模拟分析平台中设置气化介质材料属性所需的气化介质物性参数以及设置边界条件所需的气化器运行环境参数和运行工作参数；S20：使用三维几何建模软件根据在用空温式气化器的结构参数以1:1的等比例建立在用空温式气化器的整体几何模型，然后通过有限元网格划分软件将整体几何模型进行网格划分，并将计算域分为气化介质流体域、气化器固体域和空气流体域三部分；所述的气化介质流体域为气化介质在气化器内部通道流动区域；所述的气化器固体域为气化器本体；所述的空气流体域为包裹在气化器本体外部的一个虚拟六面体内的空气流动区域，所述的虚拟六面体的顶部、底部和侧面距离气化器的最近距离至少为0.5米；S21：通过有限元分析软件进行流-热耦合模拟计算，得到在用空温式气化器本体的温度分布，具体过程为：S210：通过有限元分析软件中的仿真平台添加流体分析模块和热分析模块；S211：将进行网格划分后的在用空温式气化器的整体几何模型导入流体分析模块中，且计算域采用所述的气化介质流体域、气化器固体域和空气流体域；在所述气化介质流体域与气化器固体域之间，以及空气流体域与气化器固体域之间分别采用热连接面进行数据传递，实现热通量和温度的守恒传递；在所述流体分析模块中选择多相流模型、湍流模型、沸腾相变模型、连续性方程、动量方程和能量方程，近壁面处理采用标准壁面函数法；所述的多相流模型采用Mixture模型，湍流模型采用Realizablek-ε湍流模型，沸腾相变模型采用蒸发冷凝Lee模型；S212：对流体分析模块进行边界条件设置：气化介质流体域出口设置为压力出口边界，压力的大小采用运行工作参数中的气化介质出口压力；气化介质流体域进口设置为速度进口边界，速度和温度的大小采用运行工作参数中的气化介质进口流速、气化介质进口温度；空气流体域顶部和空气流体域顶部侧面设置为压力进口边界，压力和温度的大小采用运行环境参数中的大气压力、环境温度，空气流体域底部设置为绝热壁面；气化介质流体域的流体材料设置为LNG，材料参数采用现有的LNG的物性参数数据；空气流体域的流体材料设置为空气，材料参数采用仿真软件中的材料数据库中的数据；S213：通过流体分析模块对在用空温式气化器进行流体换热仿真分析，获得在用空温式气化器固体域的内壁面上的温度分布和压力分布数据以及在用空温式气化器固体域的外壁面上的温度分布数据；输出在用空温式气化器的气化介质出口温度Tout和气化介质出口流速vout；S214：将流体分析模块中的整体几何模型传递到热分析模块中，在热分析模块中输入在用空温式气化器的材料参数，所述的材料参数采用步骤S11中的气化器材料参数，计算域采用所述的气化器固体域；然后将通过流体分析模块模拟计算得到空温式气化器固体域的内壁面上的温度分布数据和空温式气化器固体域的外壁面的温度分布数据传递到热分析模块之中，作为热分析模块的边界条件，通过热分析模块对在用空温式气化器本体进行热仿真分析获得气化器本体的温度分布数据；将热分析模块输出的计算结果数据导入CFD结果可视化软件中，然后输出在用空温式气化器本体温度分布云图；S30：验证流-热耦合计算结果的准确性，修改相关模型，具体过程为：将步骤S213计算输出的气化介质出口温度Tout与步骤S10运行测试得到的气化介质出口温度Tp,out进行对比计算得到第一误差值δ1，计算公式为δ1＝|Tout-Tp,out|Tp,out*100％；并通过CFD结果可视化软件在在用空温式气化器本体温度分布云图中选取和步骤S10中翅片管温度场相同的点位，确定各点位的温度Tn,fin，然后和步骤S10翅片管温度场测试的结果Tpn,fin进行对比计算得到第二误差值δ2，计算公式为δ2＝|ΣTn,fin-ΣTpn,fin|ΣTpn,fin*100％，公式中ΣTpn,fin对步骤S10翅片管温度场测试的结果中气化器最外层的各个翅片管外壁中间部位的温度进行求和，ΣTn,fin对温度分布云图中选取和步骤S10中翅片管温度场相同的点位后得到的各点位的温度大小进行求和；如果第一误差值δ1或者第二误差值δ2超过5％，则对步骤S211中的流体分析模块中的Mixture模型、Realizablek-ε湍流模型、蒸发冷凝Lee模型进行修改，直到模型修改后的模拟计算输出的第一误差值δ1和第二误差值δ2均≤5％，然后将优化后的流体分析模块中的Mixture模型、Realizablek-ε湍流模型、蒸发冷凝Lee模型作为优化后的流-热耦合条件设置用于下一步骤的流-热-固整体耦合计算；步骤二、在有限元分析软件中采用步骤一中修正后的流-热耦合条件设置，建立验证用空温式气化器的流-热-固耦合计算方法，然后进行流-热-固整体耦合计算，并添加子模型模块进行优化和验证测试，求解得到在用空温式气化器的最终应力集中区的应力值大小，具体过程如下：S40：确定验证用空温式气化器的材料参数，所述验证用空温式气化器的材料应与待评价空温式气化器材料相同；S41：获取验证用空温式气化器的材料的应力-寿命曲线；对验证用空温式气化器的材料取样，然后进行材料拉伸试验和疲劳试验拟合出应力S-寿命N曲线并得到关系式LogN＝a+b*LogS，公式中a、b为常数项；S50：按照步骤S20的方法，对验证用空温式气化器进行几何建模、网格划分和计算域确定；S51：通过有限元分析软件进行流-热-固耦合模拟计算，得到验证用空温式气化器本体的温度分布和应力分布云图，具体过程为：S511：采用验证用空温式气化器模型代替在用空温式气化器模型并运行步骤S210，将S30中优化后的流-热耦合条件替代步骤S211的流-热耦合条件，并将气化介质流体域的流体材料设置为液氮，材料参数采用现有液氮的物性参数数据，然后运行步骤S211-S214，得到验证用空温式气化器的气化介质出口温度Tout、气化介质出口流速vout和验证用空温式气化器本体的温度分布；S512：通过有限元分析软件中的仿真平台添加力学分析模块，将步骤S511中采用的热分析模块中的验证用几何模型、网格划分和计算域传递到力学分析模块之中；材料参数采用步骤S40获取的气化器材料参数；然后将步骤S511中采用的流体分析模块和力学分析模块进行数据传递，将流体分析模块模拟计算的验证用空温式气化器固体域的内壁面上的压力分布数据传递到力学分析模块中，作为力学分析模块的边界条件；同时热分析模块和力学分析模块进行数据传递，将热分析模块通过模拟计算得到的验证用空温式气化器本体的温度分布数据传递到力学分析模块中，作为力学分析模块的边界条件；最后将验证用空温式气化器最外层的各个翅片管设定为力学分析模块中的固定约束，验证用空温式气化器的进口端和出口端设定为力学分析模块中的无摩擦约束，然后通过力学分析模块计算得到验证用空温式气化器本体的应力数据，并输出验证用空温式气化器应力分布云图；S52：对验证用空温式气化器在以液氮为气化介质情况下，在某一运行工况和环境条件下的结构应力大小进行试验测试，得到验证用空温式气化器的应力集中区和大小；气化器结构应力试验测试方法为：在气化器工作之前采用应变片粘贴在气化器进气总管和支管焊接处、支管和位于进气总管侧的各个翅片管焊接处附近，然后测量气化器工作时的各个应变片点位的应力大小；S60：通过有限元分析软件中的仿真平台添加子模型模块，对子模型模块的几何模型进行网格细化处理和特征处理，然后对材料属性中的系数进行修正，具体步骤为：S601：采用步骤S512的力学分析模块输出的应力分布云图中最大应力点位置和步骤S52的结构应力试验测试结果中最大应力点位置，均作为验证用空温式气化器的初始应力集中区，然后通过在有限元分析软件中的仿真平台添加子模型模块；所述子模型模块以力学分析模块为本体，将力学分析模块的材料属性参数传递到子模型模块，子模型模块中的几何模型取初始应力集中区周围的部分几何体，并进行网格细化处理，且将进气总管和进气支管、出气总管和出气支管的连接处进行焊接部位特征处理，特征处理是将总管和支管的直角连接在几何模型创建过程中变为圆弧过渡连接，得到优化后的子模型；然后将力学分析模块和子模型模块进行数据传递，将通过力学分析模块计算得到的步骤S512中验证用空温式气化器本体的应力数据传递到子模型模块中，作为子模型模块的边界条件，求解得到验证用空温式气化器的最终应力集中区的应力值大小；S602：采用子模型模块输出的最终应力集中区的最大应力值Smax与步骤S52的结构应力试验测试结果中应力点最大值Sp,max进行对比计算得到第三误差值δ3，计算公式为δ3＝|Smax-Sp,max|Sp,max*100％，如果第三误差值δ3超过5％则对步骤S512中的材料参数的设置进行修正，包括材料参数中的热传导系数、弹性模量、热膨胀系数、张力强度和屈服强度等，直到第三误差值δ3在5％以内；然后将修正后的热传导系数、弹性模量、热膨胀系数、张力强度和屈服强度作为优化后的流-热-固耦合计算设置条件用于下一步骤的待评价空温式气化器流-热-固整体耦合计算设置条件；步骤三、建立待评价LNG空温式气化器几何模型，在有限元分析软件中采用步骤二中优化后的流-热-固整体耦合计算设置条件，对待评价LNG空温式气化器进行设计工作条件和在某地区待投入运行使用工作条件下的流-热-固整体耦合计算，输出待评价LNG空温式气化器的出口温度Tout、出口流速vout和最终应力集中区的应力值大小，并进行价LNG空温式气化器的气化性能和疲劳寿命性能评价，具体过程如下：S70：确定待评价空温式气化器的设计气化量Qs、设计压力Ps和结构参数，以及待评价LNG空温式气化器待投入应用地区历史环境最高温度Ta,max、最低温度Ta,min、平均温度Ta,ave和待投入运行使用气化量Qr、运行使用压力Pr和每日启停频率f；然后按照步骤S20的方法，对待评价LNG空温式气化器进行几何建模、网格划分和计算域确定；S71：通过有限元分析软件中的仿真平台对待评价LNG空温式气化器进行流-热-固整体耦合计算，输出待评价LNG空温式气化器气化介质出口温度Tout、气化介质出口流速vout和待评价空温式气化器最终应力集中区，具体过程如下：S711：采用待评价LNG空温式气化器模型代替步骤S511中的验证用空温式气化器模型，然后对步骤S511中的流体分析模块的边界条件进行修改：气化介质流体域出口压力大小修改为待评价气化器的设计压力Ps；气化介质流体域进口速度vs的大小的计算公式为vs＝Qs*ρn*Pn*Tn3600*B*ρin*Pin*Tin；公式中B为气化器进口截面积，ρin为气化介质在压力为Pin时的密度，Pin为气化介质进口压力，Tin为气化介质进口温度，其中Qs采用待评价空温式气化器设计气化量；空气流体域气化介质出口温度的大小为标况下的温度20℃，介质流体域材料属性设置为LNG；然后运行步骤S511，输出得到设计工作条件下的待评价LNG空温式气化器的气化介质出口温度Tout和气化介质出口流速vout；S712：采用优化后的流-热-固耦合条件替代步骤S512中的流-热-固耦合条件运行步骤S512；S713：运行步骤S601，输出设计工作条件下的待评价LNG空温式气化器的最终应力集中区的应力值大小；S714：在完成设计工作条件下的模拟计算后，还应对待投入运行使用工作条件下的待评价气化器进行模拟计算，将气化介质流体域出口压力大小设置为运行使用压力Pr，气化介质流体域进口速度vs大小的计算公式为vs＝Qr*ρn*Pn*Tn3600*B*ρr*Pr*Tin；公式中ρr为气化介质在压力Pr时的密度，其中Qr采用待评价空温式气化器运行使用气化量；空气流体域温度的大小分别设置为待评价气化器应用的地区历史环境最高温度Ta,max、最低温度Ta,min和平均温度Ta,ave；然后重复步骤S711-S714分别进行模拟计算并输出运行使用工作参数下的待评价空温式气化器出口温度Tout、出口流速vout和最终应力集中区，直至完成在不同的历史环境温度Ta条件下的耦合模拟计算；S80：对LNG空温式气化器在设计工作条件和待投入运行使用工作条件下的气化性能和疲劳寿命性能进行评价。

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