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为满足世界天然气市场日益增长的需求和环境保护的需要,一些曾经被搁置的气田目前得到开发,包括海上或陆上分散的边远气田、油田伴生气、煤层气等,边际天然气的回收利用可有效降低气体放空量,减少环境污染,增加天然气生产能力。由于远离已建天然气管道或管道建设并不经济,边际天然气的有效集输是制约其快速发展的瓶颈。小型天然气液化装置是边际天然气的回收方式之一,液化流程及其关键设备的优化设计对提高我国天然气液化产业的市场竞争能力具有重要的实际意义。本文基于流体力学、工程热力学、传热学和最优化理论,采用实验、理论及数值模拟相结合的方法,围绕小型天然气液化流程的参数优化及板翅式换热器的结构优化问题,开展了天然气物性参数模型评价、小型天然气液化流程设计及优化、锯齿形翅片数值模拟方法、翅片流动传热关系式、板翅式换热器的结构优化等研究,为边际小气田、伴生气田的经济液化回收提供理论支持和技术支撑。具体的研究内容和取得的主要成果如下：(1)针对目前天然气液化过程基础物性参数模型的对比研究仅局限于某些参数或某种相态的不足,通过对富C1气、富N2气、富C02气等不同组分的天然气在低温至常温、低压至高压区间内物性参数实验数据与预测模型计算结果的对比分析,开展了SRK物性包、PENG-ROB物性包、LK-PLOCK物性包和GERG-2008物性包的综合对比评价研究。研究表明,SRK物性包对焓差、定压比热的预测精度不高；PENG-ROB物性包对气相密度和露点的预测结果与实验结果的偏差较大；LK-PLOCK物性包在混合物临界点附近区域的计算并不准确,在平衡闪蒸过程和饱和液密度的计算上偏差明显；GERG-2008物性包在不同工况条件和气质组分下,对气体密度、饱和液密度、焓、定压比热等热力学参数和相平衡性质均表现出较高的预测精度,确定采用该物性包作为天然气液化装置优化研究的基础物性参数计算模型。(2)结合天然气液化流程的特点开展了陆上撬装和海上使用的适应性研究,针对膨胀式液化流程和混合冷剂液化流程存在的不足,提出并设计了CO2预冷单级N2膨胀流程。基于ActiveX控件搭建了Aspen HYSYS软件与Matlab软件的混合仿真平台,以HYSYS作为服务器,Matlab作为客户,实现了数据的读取和传输。采用GERG-2008物性包计算流体物性参数,通过惩罚函数实现了约束条件的转化,构建了比功耗最低的单目标函数和比功耗最低、液化率最高的多目标函数,研究了采用遗传算法进行流程参数优化的方法。优化结果表明该方法弥补了数学规划法难以收敛的缺陷,使预冷换热器复合曲线有较高的匹配度,通用性强,可用于其他过程系统的参数优化。(3)以C02预冷单级N2膨胀流程的优化结果为基础,采用贴现现金流法对流程经济性进行了分析评价。分析表明,以主要目标法及带精英策略的快速非支配排序遗传算法得到的多目标优化结果经济性差异不大,多目标优化结果的经济效益显著高于单目标优化结果。天然气液化工厂的经济效益受市场影响较大,项目的初期投资是制约装置经济性的主要因素。从流程比功耗、紧凑性、制冷剂配比复杂程度等方面,开展了N2-CH4流程、丙烷预冷混合冷剂流程、节能新型混合冷剂液化流程、C02预冷单级N2膨胀流程的对比分析研究。研究表明,C02预冷单级N2膨胀流程以非碳氢化合物作为制冷剂,降低了流程作业风险和复杂度,结构简单、流程紧凑,弥补了膨胀式流程能耗较高的缺陷,对边际天然气的液化回收有较强的适应性。(4)针对高效能翅片数值模拟研究并不充分的现状,以ANSYS Workbench软件建立了翅片的几何模型,研究了控制壁面网格质量的方法,采用Fluent软件开展了流体在锯齿形翅片流动传热的数值模拟研究。以经验关系式的计算结果为基础,综合考虑模型的计算时间及预测精度,确定了不同雷诺数下的数值模拟方法：在300≤Re<1000时采用层流模型,在1000≤Re≤10000时采用考虑低雷诺效应的SST κ-ω模型研究流体在锯齿形翅片的流动传热特性。该方法对j因子的数值模拟结果与Manglik&Bergles关联式的平均相对偏差在13%以内,f因子的数值模拟结果与Manglik&B ergles关联式的平均相对偏差在8%以内,表现出较高的预测精度,验证了数值模拟方法的有效性和可靠性。(5)针对传统翅片经验关系式无法涵盖国产翅片常用规格的缺陷,以锯齿形翅片的数值模拟研究为基础,结合行业标准《铝制板翅式热交换器(NB/T 47006-2009)》,开展了翅片流动传热关系式的改进研究。将Manglik&Bergles关联式和ALEX关联式结合起来,提出了覆盖国产锯齿形翅片全范围的性能关系式。基于GERG-2008方程和REFPROP模型,得到了天然气和氮气的热力学参数及迁移性质,开展了不同介质在锯齿形翅片流动传热的数值模拟研究。结果表明,本文提出的锯齿形翅片关系式准确描述了无相变天然气冷却过程和氮气加热过程的性能表现。(6)基于本文提出的国产锯齿形翅片性能关系式,以惩罚函数实现了约束条件的转化,研究了基于遗传算法的板翅式换热器结构优化方法。与传统试凑法相比,该方法避免了重复计算带来的设计负担,提高了设计质量,缩短了设计周期。单目标优化和多目标优化的对比分析表明,以有效度为目标的优化结果相当于传热熵产的单目标考量,年总成本指标热力学性能表现较差的本质在于运行成本占据了总成本的较大比重,使优化过程侧重于阻力熵产的减小,改进熵产数提高了换热器在热力学和经济学性能的综合表现,NSGA-Ⅱ协调了目标函数的非占优性,使多目标优化实现了单目标指标的有效折中,优化结果提供多个方案以供生产实际的选择,具有较强的灵活性。