海水-混合冷劑換熱器設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

霍中雪 陳永東 李 超

（合肥通用機械研究院有限公司）

海洋蘊藏著豐富的天然氣資源。 浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸（LNG-FPSO）裝置作為一座浮動的液化天然氣生產(chǎn)接收終端，直接系泊于海上氣田進行天然氣提取和處理作業(yè)［1，2］。 LNG-FPSO 裝置利用混合冷劑作為冷源來冷卻和液化天然氣，混合冷劑置于一定壓力、 溫度下進入主低溫換熱器，低壓、低溫的混合冷劑經(jīng)壓縮后溫度上升，需要利用溫度較低的海水來冷卻， 海水-混合冷劑換熱器就是完成此種介質(zhì)熱量轉(zhuǎn)換的設(shè)備。

1 背景介紹

國際上使用LNG-FPSO 裝置和海水-混合冷劑換熱器進行海上天然氣開發(fā)的項目如雨后春筍般出現(xiàn)。 挪威Hammerfest 液化天然氣工廠2007 年投產(chǎn)，年產(chǎn)430 萬噸，共采用7 臺海水-混合冷劑換熱器。 Royal Dutch Shell（荷蘭殼牌石油公司）的Prelude FLNG 是全球最大的浮式液化天然氣裝置，投入運營后在澳大利亞油氣田上進行天然氣開發(fā)作業(yè)，每年至少生產(chǎn)530 萬噸液態(tài)油氣，Prelude FLNG 裝置中采用的海水-混合冷劑換熱器每小時需耗用5 000 萬升海水來冷卻液化天然氣［3］。

國內(nèi)對LNG-FPSO 的研究還處于起步階段，尤其是海水-混合冷劑換熱器尚無應(yīng)用業(yè)績。 為滿足我國深海大型氣田開發(fā)和海上液化天然氣接收站建設(shè)的緊迫需求，工信部專門立項開展深海LNG-FPSO 的技術(shù)研究。 筆者主要對LNGFPSO 海水-混合冷劑換熱器設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題進行研究。

2 LNG-FPSO 海水-混合冷劑換熱器

2.1 操作參數(shù)

LNG-FPSO 海水-混合冷劑換熱器比例樣機的工作能力是實現(xiàn)天然氣20 萬標方/天的換熱量，其相關(guān)設(shè)計條件見表1。該換熱器采用管殼式結(jié)構(gòu)，因混合冷劑以氣相組分為主，混合冷劑側(cè)采用強化傳熱措施， 可有效降低換熱器造價、節(jié)省空間，滿足LNG-FPSO 設(shè)備緊湊的要求。

表1 海水-混合冷劑換熱器設(shè)計條件表

2.2 主體結(jié)構(gòu)特點

換熱器的可靠性是海水冷卻面臨的主要挑戰(zhàn)，而其中最重要的就是換熱器的合理設(shè)計。 海水-混合冷劑換熱器比例樣機的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 該換熱器采用固定管板式結(jié)構(gòu)，主要由管箱、管板、管束及殼程筒體等組成，管板與殼程筒體連為整體，管板延長部分兼作法蘭，通過螺柱與管箱法蘭連接。 換熱管與管板的連接采用強度焊加貼脹，保證了換熱器的結(jié)構(gòu)強度。

圖1 LNG-FPSO 海水-混合冷劑換熱器主體結(jié)構(gòu)圖

2.3 設(shè)計關(guān)鍵點

為保證海水-混合冷劑換熱器在惡劣海水條件下的可靠性，同時降低制造維護成本，一方面進行換熱器的選材研究，另一方面利用強化傳熱措施進行換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.3.1 換熱器用材

海水-混合冷劑換熱器殼程介質(zhì)為混合冷劑，管程介質(zhì)為海水。 混合冷劑對大多數(shù)金屬不具有腐蝕性，海水是具有很強腐蝕性的天然電解質(zhì)。 因此，耐腐蝕選材是首要考慮因素。

鈦對海水和海洋環(huán)境具有優(yōu)異的耐腐蝕性，因為在空氣中鈦表面會形成一層厚度不超10nm的保護性氧化膜，使鈦處于鈍化狀態(tài)，且鈦在海水環(huán)境下溶出離子極少、無毒性、無環(huán)境污染，被認為是目前最能適應(yīng)各種海洋環(huán)境的材料［4～6］。

鈦制換熱器通常比較昂貴，從經(jīng)濟性和耐腐蝕性兩方面綜合評估，采用較經(jīng)濟的低合金鋼和鈦材結(jié)合使用。 管箱內(nèi)充滿海水，為減小海水對管箱和管板的腐蝕，管箱封頭采用Q345R，內(nèi)表面設(shè)置鈦襯層，左、右管板采用Q345R+TA2 爆炸焊接復(fù)合板， 海水-混合冷劑換熱器的選材方案見表2。

表2 海水-混合冷劑換熱器設(shè)計條件表

2.3.2 換熱管形式

海水-混合冷劑換熱器共計采用179 根鈦管作為換熱管。 鈦管對海水腐蝕具有免疫力，又具有優(yōu)良的力學(xué)性能和工藝性能，采用鈦管比采用其他合金（如銅管）管壁薄得多。

換熱管采用內(nèi)波外螺紋的高效管，該高效管是在光滑基管的基礎(chǔ)上經(jīng)過滾軋加工成形的內(nèi)表面呈波紋狀、外表面呈螺紋狀的換熱管（圖2），兩端保留原有光滑管表面，便于脹接。 內(nèi)波外螺紋管的基管為規(guī)格φ19mm×1.5mm 的TA2 冷拔（軋）無縫管。 與光滑管相比，采用內(nèi)波外螺紋高效管，提高了紊流的脈沖性，強化了傳熱［7］，管子單位長度的表面積增加可減少管子數(shù)量、減小所 需管殼的尺寸。

圖2 內(nèi)波外螺紋高效管

2.3.3 雙螺旋折流板形式

海水-混合冷劑換熱器采用雙螺旋折流板結(jié)構(gòu)。 螺旋折流板由若干個互成一定角度的扇形板拼接而成，每4 塊折流板形成一個螺旋周期。 雙螺旋是在單螺旋螺距1/2 處， 平行布置一組同樣的螺旋折流板，如圖3 所示。 雙螺旋結(jié)構(gòu)殼程流道被分割成兩個相互獨立、 平行的螺旋形通道，雙螺旋結(jié)構(gòu)可以在殼程布置更多的折流板，減少流體在扇形板拼接處的漏流，使殼程流體流動更接近于平推流，具有比單螺旋結(jié)構(gòu)更好的性能。

圖3 螺旋折流板的排列結(jié)構(gòu)

該換熱器共計采用132 塊折流板，為保證折流板的穩(wěn)定，每塊折流板上布置3 根拉桿。 雙螺旋結(jié)構(gòu)具有更強的導(dǎo)流作用，單位壓降的傳熱性能提高，有利于減小換熱器尺寸，實現(xiàn)了換熱器的緊湊型設(shè)計，并為薄壁鈦管提供更緊密的支撐間距，最大程度降低管束振動［8，9］。

2.3.4 螺旋角和螺距

螺旋角和螺距是影響殼程流體流動和傳熱特性的重要參數(shù)［10，11］。螺旋角是殼程介質(zhì)流動方向與管束橫截面之間的夾角（圖4）。 海水-混合冷劑換熱器中平均每個螺距分布4 塊折流板（圖5）。

圖4 螺旋折流板的螺旋角示意圖

圖5 螺旋折流板的單個螺距排列

其中，螺旋角和螺距確定了殼程可布置的折流板數(shù)量和排列位置， 根據(jù)數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)果，該換熱器的螺旋角為20°， 螺距B=4×92=368mm時，傳熱效果最佳。

3 結(jié)束語

海水-混合冷劑換熱器作為LNG-FPSO 裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，每次停車都會帶來巨大的經(jīng)濟損失， 海水-混合冷劑換熱器設(shè)計關(guān)乎其安全可靠的長周期運行，對LNG 生產(chǎn)至關(guān)重要。 筆者闡述了海水-混合冷劑換熱器設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，針對海水腐蝕問題，在換熱器的選材上采用特種材料鈦材；對換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用一些強化傳熱措施，換熱器管束采用內(nèi)波外螺紋的高效鈦管，并引用雙螺旋折流板結(jié)構(gòu)、優(yōu)化的螺旋角和螺距， 能更有效地利用可用壓力降進行傳熱，并且抗振動效果好，實現(xiàn)了LNG-FPSO 裝置緊湊型設(shè)計。LNG-FPSO 海水-混合冷劑換熱器的設(shè)計對推動我國海洋資源開發(fā)和加快海洋工程裝備制造業(yè)發(fā)展起到了重要作用。