极低温进气及超大温差条件下的气体压缩腔内非稳态传热规律与热力过程特征

液化天然气（LNG）的闪蒸气（BOG）回收与处理最关键的环节是对其增压，而低至-162℃的进气给BOG增压装置的结构、材料等设计带来全新的难题，解决这些难题需要掌握低温及超大温差下的传热、摩擦规律及热力过程特征等。本项目拟开展极低温度进气条件下压缩腔内传热规律及气体压缩热力学过程特征研究，通过数值模拟和试验研究极大温差下BOG压缩机关键部件内温度分布变化特征，掌握剧烈温度分布变化引起的应力及变形规律，获得极低温度进气条件下自润滑材料摩擦磨损特性，给出合理确定BOG压缩机设计参数和热力性能的理论依据。本项目的研究不仅能够揭示超大温差下气体压缩热力学过程的不同特征，补充对极低温度条件下自润滑材料特性的认识，也有助于发现极端工况下自润滑材料的新特性，更为自主研发在极低温度条件下工作的BOG处理设备提供理论指导和试验依据。

BOG压缩机是液化天然气（LNG）接收系统中的关键部件，用于LNG储罐中闪蒸气（BOG）的处理，以维持储罐的压力稳定。闪蒸气温度低至-162℃，极低的BOG进气温度与环境温度之间形成了巨大反差，低温气体与气缸、活塞等部件之间的换热量已不可忽略。因进气加热而带来的巨大容积效率损失，势必会给BOG压缩机的参数设计带来极大影响。因此，掌握低温进气条件下压缩机内部传热规律及热力学过程特性是BOG压缩机设计的前提和基础。本项目通过利用有限元分析方法对压缩机中与低温气体有热量交换的主要部件（包括气缸、活塞、缸盖和阀板等）进行了稳态传热计算，得到了各壁面的稳态温度分布。在此基础上，建立工作腔内流动与换热模型，将固体温度场作为其热边界条件，采用动网格技术，模拟进气过程的流动与换热，得到吸气过程中工作腔内温度随时间的变化规律。搭建了低温压缩机性能测试系统。在气缸、缸盖等处布置5个测温点，用热电偶测得了压缩机在不同进气温度下稳定运行时各测点的温度。通过流量计测得进排气流量，进而计算得到温度系数及容积效率等参数。通过与模拟结果对比，温度系数的最大误差为7%。理论与试验研究的结果表明：当压缩机内部换热过程稳定时，压缩机关键部件的温度整体呈现由缸盖到曲轴箱单向递增的分布状况，受进、排气的影响，靠近进气口的气缸壁面温度略低于排气侧缸壁。温度系数随进气温度的降低而下降，在进气温度低于-120℃时剧烈下降，高于-70℃后则趋于平缓；当进气温度低于-90℃时，温度系数会低于0.9，其数值范围已经与容积系数相当，应当给予充分重视。进气系数的变化趋势与温度系数相似；泄漏系数的变化则相反；容积效率受进气系数与泄漏系数的双重影响，在进气温度为-88℃左右时达到最大值。