纏繞管式換熱器在LNG工業領域的研究進展

張家楷，高文忠，齊登宸，齊家業

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

將天然氣冷卻至-162 ℃并液化可獲得LNG[1]，經過液化后的LNG由遠洋運輸或者陸地傳輸至接收站，經過再氣化后打入天然氣管網。中國LNG產業地位日益提高，目前國內超過50座LNG工廠已建成并運營，在建、調試工廠超過60座。

主低溫換熱器是LNG工廠的關鍵設備，它能夠對已開發的天然氣進行氣液轉換，其性能決定了氣化工廠LNG的生產能力[2]。目前常用的兩種主要低溫換熱器是板翅式換熱器(PFHE)和螺旋纏繞式換熱器(SWHE)[3]。由于擴大SWHE的尺寸比PFHE更容易，SWHE成為大型陸上LNG裝置的首選，也是針對高容量的FLNG平臺上主要低溫換熱器的首選。纏繞管式SWHE因其多流能力強、緊湊度高、傳熱效率高、靈活性強、魯棒性好的特點[4]，被廣泛應用于90%的陸上液化天然氣工廠和浮式生產儲油和卸油裝置(FPSO)[5]。

1 LNG纏繞管式換熱器技術

工藝條件的變化對SWHE結構產生較大的影響，通過合理布置管束分布及選定換熱管尺寸可調配液化段及過冷段的換熱量[6]，從而達到氣體充分液化的目的。考慮到LNG液化工廠熱負荷均超過數十兆瓦以及低溫下運行，通常采用奧氏體不銹鋼及鋁合金作為換熱管材料，同時滿足其耐低溫及高換熱能力的材料特性[7]。SWHE廣泛應用于LNG液化工藝，相比于其他形式的換熱器，優勢十分明顯：管、殼程介質以純逆流方式進行傳熱，換熱器效率相對較高。其中每層繞管均程反向互相纏繞，管程內介質以螺旋方式流動，殼程介質以逆流方式流經換熱管外壁，即使在雷諾數較低的工況下，流動形態也為湍流。流體流動時受螺旋狀換熱管的引導使得流動方向不斷改變，邊界層厚度降低。此外，管外流體因殼程內部流動通道變化、產生軸向渦流，使得邊界層分層，這提高了管、內外的傳熱系數，有效提高了換熱器的熱交換能力[8]。

耐高溫高壓、多股流動性強、整體焊接不易泄露。當一臺SWHE存在多種介質共同傳熱時，由于其傳熱元件為螺旋形纏繞管，任意一根換熱管均程螺旋盤狀規則排列，相當于換熱器內部存在無數膨脹節，管頭溫差受力小，伸縮性強，換熱器可承受的不同介質間壓差和溫差更大，這提高了生產單元的可操作性，保證設備的安全性。

易實現多流股、多相流、大流量、大溫差低溫換熱過程，廣泛應用于天然氣液化作業。SWHE管徑較小、流道較長，管層與軸向間隙約為1～2 mm和2～6 mm，介質得以充分接觸換熱。由于該換熱器換熱系數高，可使得熱段溫差降低。高效換熱器的熱端溫差遠遠低于普通管式換熱器的熱端溫差。

2 LNG纏繞管式換熱器應用及研究現狀

2.1 國內應用及研究現狀

由于國外對LNG的利用較早，LNG液化工藝配套設備發展相對成熟。1898年，世界上第一臺SWHE由德國林德(Linde)公司制造，近5年內持續生產多股流纏繞管式換熱器，并應用于LNG工廠，其累計金屬重量達到3 120 t，所掌握的多股流纏繞管式換熱器的設計與制造技術處于壟斷地位[9]。在1977～2013年間，美國空氣產品化學工程(Air Products)公司加工制造了120套LNG裝置，其液化能力累計達到4.3×108t/a。

由于管的彎曲而產生的離心力引起的二次流動是螺旋管流動最顯著的特征。因此，在相同雷諾數下，螺旋管內部流動的對流換熱系數要高于直管內部流動的對流換熱系數。早期研究重點為螺旋線圈的傳熱特性，探究層流和湍流平均努塞爾數的相關關系式[10]。

Ho[11]建立了非混合和混合氣體流動條件下螺旋管換熱器熱工性能的理論模型。對螺旋管換熱器的室內模型進行了實驗研究，結果表明該模型與出口冷、熱流體溫度和熱效率的預測值吻合度較高。

Neeraas等[12]建立了螺旋纏繞液化氣換熱器殼體側局部傳熱系數和摩擦壓降的測試裝置。以氮氣、甲烷、乙烷和甲烷/乙烷混合物為測試流體，進行了221次氣體流動傳熱測量和80次氣體流動摩擦壓降測量，分析氣體流動、液膜流動和兩相剪切流動特性。

正戊烷是液化天然氣工藝中典型的混合制冷劑，具有與液化天然氣非常相似的物理性質。為了預測實際運行中管道間液相流動特性，Austegard等[13]以正戊烷和甲醇為實驗液，分析液化氣換熱器中不同尺寸水平管間的流體降模特性。結果表明，當采用不同物性的液體及密集管時，現有經驗公式已不適用。

由于MHEX幾何復雜性，通常采用迭代方式選擇幾何參數。工藝規范要求進行流程的優化步驟，在設計完成后根據MHEX模型的預測對流程進行重新優化，重復這些步驟，直到滿足收斂條件。Tsay等[14-15]建立了一個擬瞬態SWHE模型，考慮了螺旋管的幾何參數和SWHE的流場特性，以同時滿足工藝流程及詳細設計的要求，并將其納入天然氣液化工藝流程表中。

Sharqawy[16]實驗研究了流動形態對SWHE傳熱性能的影響。實驗用螺旋纏繞管選用外徑6 mm的不銹鋼管，通過4個螺旋線圈集中串聯而成，縱向和橫向螺距均為12 mm。測試了軸向、徑向和軸向-徑向混合3種氣流配制流動情況。結果表明，軸向-徑向混合流型傳熱系數和壓降最高，其次是軸向和徑向混合流型。同時建立了不同流態下努塞爾數、科爾伯恩-j系數和摩擦系數的關聯式，并與管組換熱的努塞爾數關聯式進行了比較。所得到的相關系數約為78%～98%，能夠與實驗數據吻合。

2.2 國內應用及研究現狀

我國SWHE的國產化研究從上世紀70年代開始。90年代，國內第一臺多股流高壓纏繞管換熱器由開封空分集團成功研發。目前，開封空分集團有限公司和合肥通用機械研究院已能夠獨立研究SWHE，而應用于大型 LNG陸地、浮式平臺中的鋁制和不銹鋼-鋁制SWHE設計和制造關鍵技術仍需完善。為了填補相關領域的技術空缺，國內學者對LNG繞管式換熱器進行了大量研究。

Wang等[17-18]使用有向圖方法描述不同液化過程的柔性流動回路，通過混合制冷劑的溫度迭代不同組分的制冷劑匯流的焓值，避免參考焓值不同而產生誤差，所提出的分布參數模型能夠快速準確預測SWHE性能。為了研究傾斜對換熱器性能的影響，還建立了浮動液化氣螺旋纏繞式換熱器在軋制條件下的數學模型，提出整體替代迭代算法。驗證結果表明，預測和試驗的流量分布和換熱能力的平均偏差分別為16.3%和3.2%。換熱能力隨著軋制振幅的增大而減小，在3～15°的軋制振幅下，當殼體進口質量流量分布良好時，換熱能力從2.2%降至6.7%。

為預測浮動液化天然氣(FLNG)海上平臺螺旋纏繞式換熱器(SWHEs)的動態性能，Duan[19]建立了反映SWHE中多相流間傳熱的動態模型。該模型采用二維分區矩陣描述相變流之間的傳熱關系，并建立了一組基于分塊矩陣的通用方程來計算相變流的熱容，在汽相帶、兩相帶和液相帶均適用。

Ding[20-21]建立實驗裝置以測量熱傳遞系數和觀察流動模式。采用3層管束來模擬SWHE的實際結構和流動條件，測流體為丙烷。實驗條件考慮因素如下：熱通量為4～10 kW/m2，質量通量為40～80 kg/(m2·s)，蒸汽質量為0.2～1.0。結果表明，隨著蒸汽質量的增加，傳熱系數的初始值先增大后減小；隨換熱量的增大，熱通量對傳熱系數的影響逐漸增加。在±20%的偏差范圍內，傳熱系數的相關性覆蓋了98%的實驗數據。

Sun[22]為了研究LNG浮式生產儲卸裝置雙混合制冷劑液化過程中SWHE的性能，建立了DMR液化過程的實驗裝置和數值模擬模型。根據實驗結果和REFPROP軟件，選取晃動對SWHE性能的影響作為擾動來測試DMR液化過程的響應。結果表明，在所有的晃動情況下，由于晃動引起的SWHE換熱性能降低在50%以內。

Hu[23]對乙烷/丙烷混合制冷劑的傳熱特性進行實驗研究，采用乙烷摩爾分數為0～60%的混合制冷劑。隨著蒸汽質量的增加，混合制冷劑的傳熱系數先逐漸增加后明顯減小。通過改變乙烷摩爾分數和蒸汽質量傳熱系數最大下降幅度為21%，最大增量可達27%。同時還建立了混合烴類制冷劑在SWHE殼側流動沸騰傳熱系數的相關關系式，與實驗數據吻合較好。

Jian[24]對橢圓管式螺旋纏繞換熱器進行了數值模擬，分析橢圓形繞管的主軸和副主軸對換熱器流動性能的影響，希望通過減小殼側壓力降提高殼側傳熱速率。結果表明，與圓管相比，當殼體側壓降與圓管相等時，橢圓管的自聚焦傳熱性能較好。隨著橢圓管主軸長度的增加，摩擦系數f先減小后增大。而隨著小軸的增大，f的變化趨勢與大軸的增大相反。另外還通過采用遺傳算法對SWHE進行多目標優化。優化結果表明，與原結構相比，優化結構的綜合性能(K/ΔP)平均提高了315.4%，泵送消耗平均降低了65.5%。

Wang[25]基于液-固-熱耦合方法，數值研究了結構參數對螺旋纏繞換熱器管束流動特性、傳熱性能和應力分布的影響。結果表明，殼側流型由橫流變為斜流，隨著翼頂角的增大，整體傳熱系數先增大后減小;最大應力也隨進口流量增大而明顯改變。由于傳熱溫差較大，熱應力在管束應力分布中處于主導地位。隨著進口流量的增大，傳熱增強，溫差減小，導致熱應力比例減小，主應力影響增大。

Li[26]在驗證SWHE模型的基礎上，對縮合空隙率特性進行了數值研究。得到了6種制冷劑在不同運行參數和結構參數下的455個數值點。基于這些數據，評估了96種空隙率相關系數。

Wang[27]采用數值方法研究了SWHE的幾何參數對熱阻的影響。基于不同類型的目標函數，對SWHE進行了MOGA優化。與原結構相比，傳統優化結果的綜合性能評價因子(Nu/f1/3)平均提高了41.02%，而傳統優化結果的綜合性能評價因子(Nu/f1/3)平均提高了41.02%。entransy理論得到的最優結構的平均增強率為76.64%。

Yu[28]以丙烷為工質，對浮式平臺SWHE兩相流的傳熱特性進行了數值模擬，并與實驗數據進行對比，模擬結果與實驗結果趨勢基本一致，誤差小于±10%。研究指出：在海洋條件下管束外兩相流動傳熱過程中，液膜起著關鍵的作用，提高晃動頻率會提高液膜從管束表面逃逸的速度，對傳熱產生不利影響。同時發現，升降作用對傳熱過程的影響最弱，而軋制對管束外兩相流動的影響最大。該數值模擬結果為液化天然氣SWHE在浮式平臺上的設計提供了依據。

3 結語

由于纏繞管式換熱器加工制造較為困難，而LNG工廠工藝流程復雜多變，難以對換熱器進行全面的實驗分析，目前建立的路基、海上平臺數值模型已能夠預測換熱器結構參數對流動特性的影響，管、殼程強化傳熱機理也得到進一步揭示，模擬準確性較高。為了提高LNG工廠的產量，有待對大型SWHE傳熱特性及流動特性進行進一步研究，為設備設計和結構改進提供理論依據。與此同時，隨著海上天然氣平臺的不斷增加，海面平臺晃動也對SWHE的工作條件提出了更加嚴苛要求。未來我國對LNG的利用有增無減，亟待建立LNG用大型纏繞管式換熱器通用設計規范準則。