LNG绕管式换热器,由于具有结构紧凑、可以多种介质同时换热、操作压力高、热膨胀可自行补偿以及易于实现大型化的优势,是大型陆基天然气液化工厂和海上浮式平台的天然气液化流程的首选主低温换热器。LNG绕管式换热器,作为液化流程中的关键设备,其性能直接决定了整个液化流程的液化天然气的产量,这就需要一种快速有效的方法对应用于陆基天然气液化工厂和海上浮式平台的LNG绕管式换热器进行优化设计。基于计算机仿真的优化设计方法,由于具有效率高、占用资源少、能够避免反复样机制造和大量重复实验的优势,被广泛应用于换热器的优化和设计中,尤其适用于如LNG绕管式换热器这类的大型低温换热器。基于分布参数模型的换热器仿真方法,则常常作为基于计算机仿真的优化设计方法的核心和基础。因此,需要针对应用于陆基天然气液化工厂和海上浮式平台的LNG绕管式换热器开发高效的基于分布参数模型的仿真方法。尽管目前已有一些LNG绕管式换热器的模型研究,但在天然气混合工质热力性质的快速计算方法、能够反映陆基工况下LNG绕管式换热器的平行绕管中流体的质量流量分配不均和多股流的复杂流路布置的分布参数模型、能够反映海上晃荡工况下LNG绕管式换热器的壳侧冷剂分配不均的分布参数模型以及基于分布参数模型的优化设计方法这四个方面仍然需要进一步的研究。本文取得的研究成果如下:(1)建立了天然气混合工质热力性质的快速计算模型。采用分区拟合的方法,将靠近临界温度线的物性变化特别剧烈的拟合区间单独划分成一个子区间进行拟合,避免了整个拟合区间采用统一隐式拟合公式造成的拟合精度不高的问题;基于固定配比的天然气混合工质的隐式拟合模型,通过拟合天然气混合工质的热力性质随天然气配比的变化规律,开发适用于变配比的天然气混合工质的隐式拟合模型;通过对比GERG-2008状态方程,本文开发的天然气混合工质在超临界压力区域的快速物性计算方法的计算速度提高了约104倍,平均计算误差控制在0.5%以内。(2)建立了陆基工况下LNG绕管式换热器的分布参数模型。基于图论的概念开发了LNG绕管式换热器逐层计算模型,能够考虑平行管内流体的质量流量分布不均和多股流的复杂流路布置的影响。通过引入图论的概念来进行管路描述,建立了平行管束流量分配模型,并开发了换热和压降交替迭代计算算法。该模型预测的小型LNG绕管式换热器的各股流体的换热量与实验值的最大误差在5%以内,平均误差为3.5%;预测的各股流体的压降与实验值的最大误差在80 k Pa以内,平均误差为22 k Pa。(3)建立了海上晃荡工况下LNG绕管式换热器的分布参数模型。模型考虑了横摇工况中壳侧冷剂的质量流量分布不均,建立了任意倾斜角度下壳侧冷剂的质量流量分布模型;考虑了气体富集区和液体富集区传热机制的不同,针对气体富集区和液体富集区分别建立了传热模型;采用基于瞬时换热量计算横摇周期内时均换热量的方法,建立了海上晃荡工况下LNG绕管式换热器的评价模型;开发了质量流量分布计算和传热计算交替迭代的算法。该模型预测的晃荡平台上的小型测试样件的换热量与实验值的误差为5.0%以内,壳侧出口温度的误差在2.0 oC以内;预测的倾斜角度下LNG绕管式换热器的壳侧冷剂分布与实验值的平均偏差在16.3%以内,仿真结果能够与实验数据吻合。通过仿真结果可知,随着倾斜角度的增加,LNG绕管式换热器的性能持续下降,但下降的幅度逐渐减小;与横摇幅度为0o时的换热性能比较,当横摇幅度从3o增加到15o时,绕管式换热器的时均换热量从下降2.2%到下降6.7%。(4)开发了LNG绕管式换热器的设计方法。基于仿真的换热器设计理念,以换热面积最小为优化目标,确定了基于分段计算的流股演化模型得到优化结构、再用逐层计算的三维分布参数模型进行约束条件校核再调整结构参数的设计优化思路;分别开发了针对采用分段计算的流股演化模型的结构优化过程和采用逐层计算的三维分布参数模型的性能校核结构再调整过程的算法。研究结果表明:采用分段计算的流股演化模型进行优化,由于模型复杂程度介于集中参数模型和逐层计算的三维分布参数模型之间,结构优化过程的速度较快,采用逐层计算的三维分布参数模型进行性能校核和结构调整过程的精度较高。本文取得的研究成果能够为陆基和海况下LNG绕管式换热器的国产化生产提供设计依据和设计方法。