LNG工廠換熱技術(shù)的研究進(jìn)展

陳永東 周 兵 程 沛

1.合肥通用機(jī)械研究院 2.國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心

LNG工廠換熱技術(shù)的研究進(jìn)展

陳永東1，2周 兵1，2程 沛1，2

1.合肥通用機(jī)械研究院 2.國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心

對比分析適用于多股流傳熱的纏繞管式換熱器（SWHE）和板翅式換熱器（PFHE）的應(yīng)用效果，指出PFHE具有結(jié)構(gòu)相對緊湊、傳熱效率較高等特點(diǎn)，但其在可靠性、抗熱沖擊負(fù)荷、浮式LNG的適應(yīng)性等方面表現(xiàn)較差，國際上存在著PFHE大型化和SWHE小型化的趨勢。介紹了新型核狀沸騰強(qiáng)化管（GEWA－PB）和冷凝強(qiáng)化管（GEWA－KS）的應(yīng)用，論述了采用海水一次通過的直接冷卻法的優(yōu)點(diǎn)：可靠性高、易維護(hù)、電耗低、生產(chǎn)穩(wěn)定性好、安全性高；從全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性和可靠性角度指出選擇鈦材作為主制冷劑冷凝器和壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器具有明顯的優(yōu)勢。還介紹了實(shí)際混合物制冷劑的冷凝過程及Hammerfest LNG工廠基于實(shí)際冷凝過程和機(jī)械可靠性對使用的螺旋折流板換熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)的措施。最后建議，中國在LNG工廠的換熱技術(shù)上應(yīng)著手以下幾個(gè)方面的研究工作：①開展基于SWHE、處理規(guī)模為106m3／d LNG裝置MCHE的研究；②開展基于實(shí)際工質(zhì)下高效冷凝管和蒸發(fā)管的傳熱與流動(dòng)研究；③系統(tǒng)研究直接冷卻法和間接冷卻法對LNG裝置的影響，加大整個(gè)裝置范圍內(nèi)材料及設(shè)備對海水的適應(yīng)性研究；④加大鈦高效管的研究，結(jié)合殼程縱向流動(dòng)的研究和高效傳熱元件的利用，開發(fā)出具有良好熱力性能和機(jī)械可靠性的實(shí)際混合物制冷劑冷凝器。

LNG 換熱器 SWHE PFHE GEWA－PB GEWA－KS 直接冷卻法 螺旋折流板換熱器

1 LNG裝置主低溫?fù)Q熱器的對比及研究進(jìn)展

LNG工廠的主低溫?fù)Q熱器（MCHE）是其關(guān)鍵設(shè)備，它對整個(gè)裝置的能效影響很大［1－3］。目前應(yīng)用最廣泛的是纏繞管式換熱器（SWHE）和板翅式換熱器（PFHE）兩類［4－5］。究竟選用哪種MCHE，主要取決于裝置的規(guī)模和不同的天然氣液化工藝路線。SWHE和PFHE的對比如表1所示。

林德公司是目前世界上唯一能夠同時(shí)提供SWHE和PFHE作為MCHE的供貨商。林德公司結(jié)合工藝流程和制冷劑特點(diǎn)，按照表2選擇中小型LNG工廠的MCHE［6］。

從表2可以看出，500 t／d生產(chǎn)規(guī)模以下的LNG工廠一般采用PFHE作為MCHE，這類LNG工廠通常應(yīng)用膨脹式或級(jí)聯(lián)式小型液化工藝。從設(shè)計(jì)上看，針對穩(wěn)定操作工況，PFHE是一種熱效率很高的換熱器，但對于非陸地運(yùn)行的LNG工廠（如浮式LNG工廠，簡稱FLNG），由于常存在啟停或瞬態(tài)工況，其PFHE需要適應(yīng)更多的熱力循環(huán)。熱力循環(huán)次數(shù)的增多、非平衡冷卻或加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能造成PFHE及連接管路的泄漏。而PFHE集成安裝在冷箱內(nèi)，其維修難度和成本非常高。

隨著LNG工廠規(guī)模的增大，SWHE的優(yōu)勢越來越明顯，漸漸成為基本負(fù)荷型LNG工廠MCHE的標(biāo)準(zhǔn)［7］。但是由于國際上能提供作為MCHE的SWHE的廠商只有兩家，因此，美國的BV公司、我國的杭氧股份有限公司和四川空分設(shè)備集團(tuán)有限責(zé)任公司都在致力研究PFHE在中大型LNG工廠上的應(yīng)用，通過MCHE的模塊化設(shè)計(jì)來克服PFHE的不足。

表1 SWHE和PFHE的對比表

表2 林德公司中小型LNG工廠MCHE選擇參考表

世界MCHE第一供貨商的美國Air products［8］也正在關(guān)注小型LNG工廠的設(shè)計(jì)，尤其關(guān)注中國非常規(guī)天然氣（如煤層氣、焦?fàn)t煤氣）的利用市場。因此，國際上存在著PFHE的大型化趨勢以及將SWHE推向中小型LNG工廠和FLNG的趨勢。

在采用中國自主液化技術(shù)的LNG工廠內(nèi)，SWHE作為MCHE還是空白，主要有2個(gè)方面的原因：①中國LNG工廠生產(chǎn)規(guī)模很小，基于小型裝置的SWHE和PFHE相比無明顯優(yōu)勢；②基于實(shí)際多組分混合烴在SWHE管程和殼程傳熱與流動(dòng)特性的研究未見報(bào)道。采用國外技術(shù)已建和在建的中國LNG項(xiàng)目中共有3套裝置采用SWHE作為MCHE，其中2套裝置處理量為150×104m3／d，另外1套裝置處理量為2×150×104m3／d。是否選擇SWHE作為MCHE不僅由工廠的液化規(guī)模決定，同時(shí)還基于相應(yīng)的液化流程。目前的關(guān)鍵就是盡快研究和突破（100～150）× 104m3／d處理量的LNG工廠以國產(chǎn)SWHE作為MCHE的設(shè)計(jì)制造技術(shù)。

2 高效傳熱元件在LNG工廠的應(yīng)用

1996年，Technip和Wieland合作開發(fā)出新型核狀沸騰強(qiáng)化管（GEWA－PB）和冷凝強(qiáng)化管（GEWAKS）（圖1）。這種由低翅管（LF）發(fā)展而來的雙面強(qiáng)化管大量應(yīng)用于沸騰、冷凝及單相傳熱場合，特別針對低傳熱溫差工況具有較好效果［9］。

圖1 GEWA－PB和GEWA－KS結(jié)構(gòu)示意圖

對于采用C3／MR液化工藝的基本負(fù)荷型LNG工廠，強(qiáng)化傳熱技術(shù)在丙烷預(yù)冷循環(huán)里具有十分誘人的應(yīng)用前景。GEMA－PB主要應(yīng)用于丙烷冷劑的蒸發(fā)流程，天然氣在管側(cè)冷卻或者混合冷劑在管側(cè)冷凝。GEWA－KS主要應(yīng)用于丙烷冷凝器，丙烷制冷劑在殼側(cè)冷凝，冷卻水在管側(cè)流動(dòng)。

在丙烷預(yù)冷流程里，當(dāng)丙烷在殼側(cè)沸騰時(shí)，使用GEWA－PB的沸騰換熱系數(shù)可達(dá)普通光管的2～3倍。當(dāng)丙烷在管側(cè)從單相到兩相的流動(dòng)工況下，管側(cè)換熱系數(shù)增加因子從1.6到2.4不等，進(jìn)而可以大幅提高總傳熱系數(shù)。雖然管側(cè)壓降增大，但通常不會(huì)超過傳熱能力相應(yīng)的提高幅度，在不超過允許壓降的情況下管殼式換熱器的綜合傳熱性能得到了強(qiáng)化。GEWAPB的主要優(yōu)點(diǎn)在于在當(dāng)傳熱溫差低至2℃時(shí)仍具有良好的傳熱性能，此時(shí)普通光管和低翅管（LF）都不再適合。

由APCI授權(quán)的帶有氮?dú)膺^冷循環(huán)的C3／MR工藝已在Qatar得到成功應(yīng)用，該工藝的單套LNG處理量為780×104t／a。與標(biāo)準(zhǔn)光管和低翅管（LF）相比，雙面強(qiáng)化管的使用大大減小了設(shè)備的尺寸和重量。對于大型設(shè)備來說，綜合考慮包括制造、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行和維護(hù)等因素，帶來的效益更加明顯。

表3、4對比了3種換熱管分別應(yīng)用于低壓混合制冷劑（丙烷蒸發(fā)器）和丙烷冷凝器后帶來的設(shè)備尺寸和重量的變化情況。

表3 低壓混合冷劑（丙烷蒸發(fā)器）應(yīng)用3種換熱管后設(shè)備尺寸和重量的變化情況對比表

表4 丙烷冷凝器應(yīng)用3種換熱管后設(shè)備尺寸和重量的變化情況對比表

在過去15年間，Technip和Wieland為LNG和乙烯工廠50臺(tái)關(guān)鍵換熱器提供了標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用方案（表5），這些換熱器表現(xiàn)出了良好的安全性能和傳熱性能。

表5 GEWA－PB和GEWA－KS高效換熱管在LNG、乙烯工廠的應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)表

3 LNG工廠冷卻方法的影響

目前全世界24個(gè)LNG工廠的77套裝置都全部或部分采用了海水冷卻方法，其中54套裝置全部采用了海水一次通過的冷卻方法［10］，這其中48套采用了海水一次通過的直接冷卻方法，另外6套采用了海水一次通過的間接冷卻方法。直接冷卻方法是指大熱負(fù)荷的換熱設(shè)備（包括制冷劑冷凝器、過冷器和壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器等）都采用海水直接冷卻，而小型的換熱設(shè)備通常先使用PFHE實(shí)現(xiàn)海水和淡水之間的換熱，再建立一個(gè)淡水的冷卻循環(huán)系統(tǒng)。間接冷卻方法是指對于所有的水冷卻器都事先通過PFHE實(shí)現(xiàn)海水和淡水之間的換熱，再建立一個(gè)淡水的冷卻循環(huán)系統(tǒng)，使用淡水作為冷卻介質(zhì)。

另外一些LNG裝置采用了海水冷卻塔，避免了一次吸入和排放大量的海水。一般情況下，海水的補(bǔ)水量不超過海水總循環(huán)量的1／10。

冷卻方法的選擇是一個(gè)復(fù)雜的過程，應(yīng)考慮包括當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件、資金成本、運(yùn)行消耗、設(shè)備供貨、維護(hù)、可靠性、能效和操作穩(wěn)定性等一系列因素。

針對LNG裝置的丙烷冷凝器和壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器，從5個(gè)方面分析了海水一次通過的直接冷卻法和間接冷卻方法、循環(huán)海水的直接冷卻法和間接冷方法以及空氣冷卻法的特點(diǎn)（表6）。

表6 LNG工廠冷卻方法的比較表（丙烷冷凝器和壓縮機(jī)冷卻器）

從表6可以看出，采用海水一次通過的直接冷卻法的傳熱性能和經(jīng)濟(jì)性都是最好的。但某些國家考慮到海水一次通過對環(huán)境的影響，開始采用海水循環(huán)通過的冷卻方法或者空冷方法。

冷卻方法的選擇固然重要，但要保證LNG工廠的可靠運(yùn)行，最重要的還是基于整個(gè)裝置壽命的選材問題，尤其是換熱器的選材問題。目前使用海水直接冷卻的換熱器材料主要是銅合金和鈦。

對LNG運(yùn)營商而言，維持20～30年可靠的投資回報(bào)是至關(guān)重要的。銅合金換熱器的成本比鈦材便宜25%～50%，但基于整個(gè)壽命周期的維護(hù)開支卻非常大。隨著海水品質(zhì)的變化及操作條件的變化（泵的壓力和流速的變化），在整個(gè)壽命周期內(nèi)，由銅合金帶來的故障問題出現(xiàn)的幾率非常高。例如，如果因?yàn)橛?jì)劃外停工造成的減產(chǎn)損失是＄400 000／d，使用鈦管的成本增加值是＄4 000 000／d，那么10 d的停工期即可收回增加的成本，這還不包括修復(fù)或更換失效換熱器的成本。

表7列出了一些LNG工廠采用海水直接冷卻的換熱器換熱管情況。

從表7可以看出，換熱器材料的適應(yīng)性受當(dāng)?shù)氐暮Ｋ|(zhì)及操作條件影響很大。但為了降低LNG裝置運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，從總投資的角度出發(fā)，使用鈦管仍是最保險(xiǎn)的選擇。

表7 一些海水直接冷卻LNG裝置換熱管材料的使用情況表

4 基于混合物實(shí)際冷凝機(jī)理的設(shè)計(jì)研究與開發(fā)

鑒于海洋生物污垢的影響，選用管殼式換熱器時(shí)優(yōu)先選擇管程走海水。隨著殼程冷凝的進(jìn)行，介質(zhì)體積流量迅速減小造成速率衰減，進(jìn)而可能造成氣液分離。對于混合制冷劑冷凝過程來說，相態(tài)分離造成的局部冷凝將使基于整體冷凝假設(shè)的混合物冷凝設(shè)計(jì)產(chǎn)生偏差。局部冷凝和整體冷凝的最大區(qū)別就是不斷有液相從相平衡中析出，不僅造成氣液兩相之間產(chǎn)生滑移，在冷凝器的出口還可能形成冷凝物的液相和不凝的氣相，這主要是由混合組分中的低沸點(diǎn)介質(zhì)特性所致。

圖2給出了丙烷（乙烷）混合物整體和局部冷凝的曲線［11］。從圖2可以看出整體冷凝和局部冷凝的差異在冷凝器出口處非常明顯。如果海水的入口溫度為5℃，局部冷凝過程僅可以冷凝介質(zhì)的90%，在出口會(huì)留下10%的輕組分未凝氣體。

實(shí)際的混合物冷凝過程介于整體冷凝和局部冷凝之間。流體入口段，工藝條件保證了較高的流速，剪切力起主導(dǎo)作用，截面的氣液兩相混合較好，近似整體冷凝過程。而出口處的工藝條件會(huì)造成兩相分層，重力起明顯作用，接近局部冷凝過程。

冷凝器設(shè)計(jì)軟件主要基于冷凝側(cè)當(dāng)?shù)貍鳠崮は禂?shù)的準(zhǔn)則方程，并對氣相擴(kuò)散阻力進(jìn)行簡單修正。由于氣液兩相界面附近的氣相濃度梯度，擴(kuò)散阻力降低了有效傳熱膜系數(shù)。尤其在低熱通量條件下，當(dāng)?shù)貍鳠崮は禂?shù)準(zhǔn)則方程的不確定度很高，因此，設(shè)計(jì)軟件不能反映混合物冷凝的實(shí)際傳熱過程。

另外設(shè)計(jì)過程一般不考慮殼程冷凝流體的不均勻性。對于混合物冷凝過程，諸如回流、渦旋、旁路及流動(dòng)死區(qū)等現(xiàn)象造成實(shí)際流場與理想流場的偏離。非理想流場的影響可顯著降低混合物冷凝器的性能。

基于上述分析，在大型LNG工廠選擇何種換熱器作為冷凝器是研究的主要內(nèi)容。在分析了管內(nèi)冷凝、板式冷凝、立式冷凝器以及普通弓形折流板式臥式冷凝器存在的問題之后，最終采用了殼程螺旋流動(dòng)的螺旋折流板換熱器作為制冷劑預(yù)冷換熱器。Hammerfest LNG工廠整個(gè)的冷凝負(fù)荷是170 MW，由1臺(tái)換熱器完成，換熱管采用鈦制低翅管。此螺旋折流板換熱器是目前該類換熱器最大規(guī)模的一個(gè)（圖3）。

圖3 螺旋折流板換熱器組裝現(xiàn)場照片

為了更好地對預(yù)冷換熱器進(jìn)行分析，提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，穿透絕熱層對殼體外表面溫度進(jìn)行了測量（測量位置覆蓋換熱器軸向全長度和周向角度），并對沿?fù)Q熱器頂部中心線的12個(gè)接管中取出的氣體樣本進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，實(shí)際混合物的冷凝過程如圖4所示，包括整體冷凝的入口區(qū)域、相分離區(qū)域、滑移的氣相和液相區(qū)域、出口處的直接接觸冷凝區(qū)域。

圖4 主冷凝器流動(dòng)狀態(tài)簡化模型圖

因此，Hammerfest LNG工廠基于整體冷凝機(jī)理設(shè)計(jì)的螺旋折流板換熱器在熱力性能上也不盡完美，同時(shí)，冷凝器還會(huì)因?yàn)檎T導(dǎo)振動(dòng)引起折流板處的管束破裂泄漏。

Hammerfest LNG工廠對螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些改進(jìn)，包括微量減小了折流板間距、額外增加了支持板、增加了管壁厚度、改變了布管方式、改進(jìn)了密封條形狀、使用了進(jìn)口氣體分布器等。所有的改進(jìn)措施都委托了第三方進(jìn)行評(píng)估，包括基于CFD的流場分析和管束振動(dòng)評(píng)估等。此外，針對可能對傳熱和流動(dòng)特性產(chǎn)生的影響重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)修正。

5 結(jié)論和建議

1）對適用于多股流傳熱的SWHE和PFHE進(jìn)行了應(yīng)用對比分析，PFHE具有結(jié)構(gòu)相對緊湊、傳熱效率較高等特點(diǎn)，但在可靠性、抗熱沖擊負(fù)荷、浮式LNG的適應(yīng)性等方面表現(xiàn)較差。國際上存在著PFHE大型化和SWHE小型化的趨勢。在我國的中小型LNG裝置中，使用SWHE作為MCHE尚屬空白。

2）以Technip和Wieland合作開發(fā)的GEWA－PB和GEWA－KS日益成為LNG工廠關(guān)鍵換熱器的優(yōu)選方案。過去10年共有超過50臺(tái)套強(qiáng)化傳熱管換熱器在應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的熱力性能和安全性能。

3）對直接冷卻法和間接冷卻法進(jìn)行了技術(shù)對比，證明了直接海水冷卻法的優(yōu)勢，同時(shí)從全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性和可靠性來看，選擇鈦材作為主制冷劑冷凝器和壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器具有明顯的優(yōu)勢。

4）分析了實(shí)際混合物制冷劑的冷凝過程，介紹了Hammerfest LNG工廠基于實(shí)際冷凝過程和機(jī)械可靠性對使用的螺旋折流板換熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)的措施。

5）中國在LNG工廠的換熱技術(shù)上應(yīng)著手以下幾個(gè)方面的研究工作：①開展基于SWHE、處理規(guī)模為106m3／d LNG裝置MCHE的研究；②開展基于實(shí)際工質(zhì)下高效冷凝管和蒸發(fā)管的傳熱與流動(dòng)研究；③系統(tǒng)研究直接冷卻法和間接冷卻法對LNG裝置的影響，加大整個(gè)裝置范圍內(nèi)材料及設(shè)備對海水的適應(yīng)性研究；④加大鈦高效管的研究，結(jié)合殼程縱向流動(dòng)的研究和高效傳熱元件的利用，開發(fā)出具有良好熱力性能和機(jī)械可靠性的實(shí)際混合物制冷劑冷凝器。

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Research progress in heat transfer technology in LNG plants

Chen Yongdong1，2，Zhou Bing1，2，Cheng Pei1，2
（1.Hefei General Machinery Research Institute，Anhui，Hefei 230088，China；2.National Engineering Research Center on Safety of Pressure Vessels and Pipes，Anhui，Hefei 230031，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 10，pp.80－85，10／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

A comparative analysis is made on the application results of plate－fin heat exchangers（PFHE）and spiral wound heat exchangers（SWHE），both of which are adaptable to multiple stream heat transfer.It is pointed out that PFHE are better with compact structure and high heat transfer efficiency but with poor reliability and worse performance in impact heat influx and adaptability of offshore floating LNG terminals.In the global trend，the PFHE are applied on a large scale but the SWHE on a small scale.Then，the application of dual－enhanced tubes（GEWA－PB and GEWA－KS）is introduced and the advantages of the once－through seawater cooling system are demonstrated：high reliability，easy maintenance，low electricity consumption，stability in production and high safety.In terms of its life span economy and reliability，titanium is chosen as the preferred dominant refrigerant for the intermediate cooler between a condenser and a compressor.Furthermore，the actual condensing process by use of the mixture refrigerant is introduced，based on that and the mechanical stability，the innovative measures made for the structure of the helical－baffle exchangers adopted by the Hammerfest LNG Plant are also presented herein.In the end，this paper puts forward the following proposals for further studies of heat transfer technology in LNG plants in China.（1）The SWHE－based main cryogenic heat exchanger（MCHE）with the dealing capacity of 1000000 m3per day should be studied.（2）Research of heat transfer and flow should be conducted on the high－efficiency condense tubes and evaporating pipes under actual working conditions.（3）A systematic analysis should be made of the impact of direct and indirect cooling methods on an LNG plant and the studies of the adaptability of materials and equipments in the whole plant to sea water should be made as well.（4）The titanium－made tubes with high efficiency should be further studied and in combination with the research of shell－side longitudinal flow and the utilization of high－efficiency heat transfer components，the condenser adopting actual mixture refrigerant with satisfactory thermal performance and mechanical stability should be developed.

LNG，heat exchanger，SWHE，PFHE，GEWA－PB，GEWA－KS，direct cooling method，helical－baffle heat exchanger

陳永東等.LNG工廠換熱技術(shù)的研究進(jìn)展.天然氣工業(yè)，2012，32（10）：80－85.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.020

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：2009AA044802）。

陳永東，1968年生，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士；壓力容器學(xué)會(huì)換熱器委員會(huì)常務(wù)副主任委員，全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)熱交換器分委會(huì)委員；長期從事石油、化工、天然氣等領(lǐng)域換熱設(shè)備的傳熱與結(jié)構(gòu)研究工作。地址：（230088）安徽省合肥市高新區(qū)天湖路29號(hào)合肥通用機(jī)械研究院。電話：（0551）5335412，13805692930。E－mail：cyd＿h(yuǎn)f＠yahoo.cn

（修改回稿日期 2012－08－06 編輯 何 明）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.020

Chen Yongdong，professor－level senior engineer，born in 1968，holds an M.Sc.Degree and has long been engaged in research of heat exchange and structure of heating exchangers in oil，natural gas and petrochemical fields.

Add：No.29，Tianhu Rd.，Gaoxin District，Hefei，Anhui 230088，P.R.China

E－mail：cyd＿h(yuǎn)f＠yahoo.cn