陳永東　陳學東

    1.合肥通用機械研究院　2.國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心　　陳永東等.LNG成套裝置換熱器關鍵技術分析.天然氣工業,2010,30(1):96-100.

    摘要：換熱器是LNG成套裝置的關鍵部件,汽化器和主低溫換熱器在LNG接收站和液化裝置中扮演了重要的角色。為此,從結構、材料、傳熱與流動3個方面分析了開架式汽化器、帶有中間介質的汽化器以及纏繞管式換熱器3種典型的汽化器的關鍵技術,并結合工藝流程分析了纏繞管式換熱器、板翅式換熱器作為LNG液化裝置主低溫換熱器的特點,最后對大型LNG成套裝置中汽化器和主低溫換熱器實現國產化提出了如下建議:①加強基礎研究;②立足全國的技術能力,對汽化器和MCHE的材料進行拓展研究,對其承壓特性、表面特性、加工特性進行深入研究;③全面提高汽化器和MCHE的制造工藝技術及大型化生產能力;公正、客觀、科學地選擇與接收站以及液化工廠相適應的換熱器;④對進口換熱器的實際運行進行全面跟蹤,開展基于風險與壽命的LNG成套裝置換熱器設計與制造的研究工作。

    關鍵詞：LNG接收站　LNG液化工廠　汽化器　主低溫換熱器　結構　材料　傳熱與流動　技術　　

    在LNG接收站和LNG液化工廠,汽化器和主低溫換熱器是關系到整個工藝流程實現的重要過程設備,同時也是影響整個裝置能耗的關鍵設備。為此,將從結構、材料、傳熱與流動3個方面針對LNG接收站汽化器和天然氣液化工廠的主低溫換熱器的關鍵技術進行分析。

    1　LNG接收站換熱器

    1.1　主要汽化器種類

    LNG接收站的汽化處理量很大,采用空溫式汽化器和強制通風式汽化器[1]都需要很多模塊,占地面積大,效率低,因此目前主要選擇液體加熱型汽化器,而液體加熱型汽化器的熱源因地制宜地選擇了海水。

    液體加熱型汽化器主要包括開架式汽化器(含ORV和超級ORV)、浸沒燃燒型汽化器(SCV)、帶有中間傳熱介質的汽化器(IFV)和纏繞管式汽化器(SWV)[2]。其中浸沒燃燒型汽化器在其他國家主要用于調峰,不作為基本負荷下的汽化器,而在美國,考慮到向海里排放冷水會影響海洋生命,因此美國主要采用浸沒燃燒型汽化器作為基本負荷下的汽化器[3]。浸沒燃燒型汽化器的特點是反應迅速[4-6],但因其直接消耗燃料,本文不將其列為討論對象。

    1.2　開架式汽化器

    開架式汽化器是以海水為熱源的汽化器,是用于基本負荷型的大型汽化裝置,最大天然氣流量為180t/h。汽化器可在0~100%的負荷范圍內安全運行,可以根據需求的變化遙控調整汽化量。

    整個汽化器用鋁合金支架固定安裝。汽化器的基本單元是傳熱管,由若干傳熱管組成板狀排列,兩端由集氣管或集液管焊接形成一個板型管束,再由若干個板型管束組成汽化器。汽化器頂部有海水噴淋裝置,海水噴淋在板型管束外表面上,依靠重力的作用自上而下流動。LNG在管內向上流動,海水將熱量傳遞給LNG,使其加熱并汽化。我國深圳大鵬LNG接收站采用的就是開架式汽化器。

    開架式換熱器的關鍵技術主要表現在:

    1)結構和傳熱與流動工藝的結合:如何保證大流量的海水均勻地分配到每個板型管束的每根換熱管上,因此巧妙的噴淋結構設計顯得尤為重要。

    2)盡量減少ORV運行時在板型管束的下部尤其是集液管外表面的結冰。水膜下降時具有較高的換熱系數,但是由于冰層的導熱系數大約是鋁合金管材導熱系數的1/40,因此也會使汽化器的傳熱性能下降。Osaka Gas和Kobel Steel聯合研發采用了雙層結構的傳熱管,有效地改善了結冰的狀況(這種開架式汽化器被稱作SuperORV)。LNG從底部的分配器先進入內管,然后進入內外管之間的環狀間隙[7]。間隙內的LNG直接被海水加熱并立即汽化,內管內流動的LNG是通過間隙內已經汽化的天然氣氣體來加熱,使汽化逐漸進行。間隙雖然不大,但能提高傳熱管的外表面溫度,因而能抑制傳熱管的外表結冰,保持所有的傳熱面積都是有效的,因此提高了海水和LNG之間的傳熱效率。

    3)材料和傳熱研究的結合:由于傳熱管內側LNG蒸發時的換熱系數相對較低,SuperORV設計時采用了一些強化措施,傳熱管分為汽化區和加熱區,采用管內肋片來增加換熱面積和改變流道的形狀,增加流體在流動過程的擾動。所有與天然氣接觸的組件都用鋁合金制造,可承受很低的溫度,所有與海水接觸的平板表面鍍以鋁鋅合金,防止銹蝕。　　

    和傳統的ORV(Kobel Steel制造)相比,Super-ORV單根換熱管的蒸發能力提高3倍左右,海水量減少15%,建造成本減少10%,安裝所需空間減少40%。

    1.3　帶有中間傳熱介質的汽化器(IFV)　　

    采用中間傳熱流體的方法可以改善結冰帶來的影響。通常采用丙烷、異丁烷、氟利昂、氨等介質作為中間傳熱流體介質。IFV可分為3個部分:第1部分由海水(或其他熱源流體)和中間傳熱流體進行換熱;第2部分由中間傳熱流體和LNG進行換熱;第3部分為天然氣過熱。這種汽化器遠離了加熱流體的冰點問題,適用于循環加熱系統、海上浮動儲存與汽化系統[8]和冷能發電系統。　　

    IFV換熱器的關鍵技術主要表現在:　　

    1)結構:如何組合好中間流體和海水的換熱部分以及與LNG的換熱部分;中間流體與LNG的換熱部分是否設計成可抽拉換熱結構;海水對天然氣的過熱部分是否設計成獨立結構等。　　

    2)材料:該換熱器在選材上集中體現了安全性和經濟型的和諧,要求既能承受海水腐蝕又能承受低溫。與海水接觸的換熱管選擇鈦材;與LNG接觸的換熱管和管箱部分選擇奧氏體不銹鋼。管板可以選擇復合鋼板結構,與海水接觸的管箱與變徑筒體則既可以采用復合鋼板結構,又可以采用襯里結構。　　

    3)傳熱與流體流動工藝:首先是選擇中間傳熱介質,確定好中間傳熱流體的相變壓力及其對應的溫度;IFV對熱源流體的適用溫度范圍較寬,因此可以最大限度地發揮潛熱等熱物理性質,選擇匹配的中間傳熱介質;其次是選擇并優化熱源流體的串聯流程;再次是改善IFV換熱管的表面特性,實現強化傳熱。

    1.4　纏繞管式汽化器　　

    纏繞管式汽化器實際上就是管殼式換熱器,由合肥通用機械研究院和鎮海石化建安工程有限公司聯合開發,在中小型LNG汽化裝置上已成功應用,其主要技術參數如表1所示。一般情況下加熱介質走殼程,LNG走管程。汽化器的能力主要取決于殼程加熱介質的溫度和流量。新型纏繞管式汽化器的特點就是在相同的容積內擁有較大的傳熱面積,同時可以實現多股流體在同一設備內的換熱,結構如圖1所示。纏繞管式換熱器殼程阻力較小,允許通過較大的流量,對殼程介質的溫度要求并不苛刻,因此既可以使用循環加熱介質作為熱源,也可以使用大流量海水作為熱源。

            　　

    纏繞管式汽化器的關鍵技術主要表現在以下幾個方面:　　

    1)結構:該汽化器的結構、工藝條件、材料選擇密不可分。如果采用海水作為熱源,則采用單股流纏繞管式汽化器;如果有可選擇的輔助熱源,如熱機循環水等,可采用多股流纏繞管式汽化器。為了防止結冰,該汽化器內可以設置一些管系,增加氣體或蒸汽擾動。

             　　

    2)材料:使用海水作為熱源的汽化器選材的一大特點就是不管LNG走管程還是殼程,換熱管和管板材料的選擇既需要考慮低溫,又需要考慮海水腐蝕。如果海水走殼程、LNG走管程,殼程不用考慮低溫,只需要考慮耐海水的腐蝕。如果LNG走殼程,海水走管程,選材的困難情況并不能得到緩解。同時由于LNG走殼程,殼體壓力較高,又承受低溫,只能選用較厚的奧氏體不銹鋼材料。另外,纏繞管式汽化器的換熱管比傳統換熱器長得多,從材料的適應性看,可以采用TA2、AL-6XN、B30、HAl77-2、HSn70-1A(推薦程度由高到低)[9]。這些材料的超長換熱管目前主要依賴進口。經比較,汽化器的管板和殼體采用AL-6XN超級奧氏體不銹鋼制造比較合適,管箱材料可以采用普通奧氏體不銹鋼制造。換熱管和管板采用強度焊接加貼脹。管板靠近管箱側布管區表面復合一層換熱管的同質金屬(AL-6XN除外)。　　

    3)傳熱與流體流動技術:海水走殼程是為了充分發揮海水大流量對傳熱的強化作用,提高殼程的雷諾數,另外一個原因是LNG在管程的汽化傳熱流動機理與應用研究已臻成熟。而如果海水走管程,大流量海水在管內流動,加大了管程阻力;由于換熱管較長,只能通過增加換熱管根數、減小流速來調整,這樣勢必影響管內的傳熱,同時LNG殼程的換熱系數較低,使得整個熱力技術不夠優化,造成換熱面積增大,因此從整體的經濟性來講不如LNG走管程、海水走殼程的設計方案。

    2　LNG液化工廠的主低溫換熱器(MCHE)

    2.1　概述

    在天然氣工廠中,制冷工段是能量消耗最集中的地方。制冷工段操作的靈活性和有效性直接影響到整個液化工廠的效率。主低溫換熱器(簡稱MCHE)是制冷工段的核心,也是整個LNG液化工廠最重要的換熱設備。MCHE的作用是將天然氣冷卻液化到-162℃,它的技術進步將對整個LNG液化工藝過程和裝置的操作成本產生極大的影響。　　

    目前全世界能夠完成大型LNG裝置(一般指LNG液化能力在300×104t/a以上)工程設計的商家主要有APCI、Shell、ConocoPhillips、Statoil、Linde和Axens。其中APCI是最具實力的LNG液化工藝商,其主打工藝是丙烷預冷、混合冷劑液化和氮氣膨脹過冷的LNG液化工藝流程,在主低溫換熱器的選擇上,均采用了多股流纏繞管式換熱器。而Statoil andLinde根據液化能力和液化工藝流程的不同,在小型LNG裝置中采用基本單一混合冷劑流程,選擇了鋁制釬焊板翅式換熱器;在中型LNG裝置采用改進型混合冷劑流程,天然氣在同一多股流纏繞管式換熱器內完成預冷、液化和過冷,不同壓力、溫度的制冷劑分離器為各段天然氣的降溫提供冷媒(典型裝置為中國新疆廣匯公司的LNG工廠,43×104t/a,2004年投產);在大型LNG裝置中采用了混合制冷劑梯級循環流程,采用了3種不同混合制冷劑的循環壓縮機,每一個循環對應天然氣降溫過程的不同溫度階段,選擇了鋁制釬焊板翅式換熱器作為預冷段換熱器,選擇多股流纏繞管式換熱器作為液化段和過冷段的主低溫換熱器。

    2.2　板翅式換熱器

    板翅式換熱器是一種緊湊式換熱器,空分和LNG液化領域使用的都是鋁制板翅式換熱器,其特點是可以實現多股流換熱,且對冷熱物流的股數并不需要嚴格限制。德國林德公司在其基本單一LNG流程(天然氣液化能力小于20×104t/a)中采用了板翅式換熱器,流程示意圖見圖2,安裝在冷箱內的板翅式換熱器通過兩級單一混合制冷劑循環將天然氣直接冷卻到LNG溫度(典型裝置為挪威Kollsnes LNG工廠,4×104t/a,2003年投產)。其中分離器頂部的氣相混合冷劑冷卻后節流進入換熱器提供過冷溫度,分離器底部的液相混合冷劑冷卻后節流進入換熱器提供預冷和液化溫度。美國燃氣工藝研究院在其小型LNG液化單元中也采用了鋁制板翅式換熱器作為低溫換熱器[9]。全世界采用鋁制板翅換熱器作為大型LNG液化工廠主低溫換熱器的較少,美國康菲石油公司(澳大利亞Darwin LNG工廠,液化能力為324×104t/a)采用3種冷劑的梯級循環,干燥的天然氣通過和不同循環溫度級對應的板翅式換熱器最終得到液化。

                  

    鋁制板翅式換熱器的缺點也很突出:釬焊爐的容積限制了大型化液化作業、兩相流動分配技術造成流體分布不均勻、連接管道多造成應力復雜、泄漏點多。這也是目前全世界的大型LNG工廠很少采用其作為MCHE的主要原因。

    板翅式換熱器的關鍵技術表現在以下幾個方面:

    1)結構:研究高承壓能力翅片,可以提高整個鋁制板翅式換熱器的結構承載能力。提高翅片密度,既加大了承壓能力,又增大了單位體積的換熱面積;對氣液兩相分配結構的優化技術,可實現大流量下流體的均勻分布;由于多個板翅式換熱器組合在冷箱內,因此多單元并聯的配管優化、整體冷箱結構的配置、冷箱結構的安全性分析等都是設計的重點環節。

    2)材料:壓力容器用薄鋁板材和管材相對于鋼材的質量不夠穩定,因此一定要控制好鋁制板翅式換熱器的原材料質量。針對不同的合金鋁材選擇釬焊材料,優化釬焊工藝是整個結構安全性的首要保證。

    3)傳熱與流體流動:改善板翅式換熱器表面的幾何形狀,強化翅片傳熱能力,降低翅片流動阻力是各個領域板翅式換熱器的研究課題[10-11],在LNG領域也不例外;更令人關注的是如何實現大流量下、尤其是兩相流動狀態下流體的均勻分布。因此流道布置與流體分布的均勻性措施研究十分重要;板翅式換熱器加工精度對傳熱性能影響較大;由于板翅式換熱器的流道長度受限制,冷熱端存在較大的溫度梯度,軸向導熱增加了不可逆損失,降低了換熱器的熱效率,在傳熱設計中應予考慮;此外還應關注板翅式換熱器的安裝位置對傳熱與流動的影響。

    2.3　纏繞管式換熱器(SWHE)

    纏繞管式換熱器用作LNG液化主低溫換熱器(MCHE)是其自身的特點決定的:①管內介質以螺旋方式流動,殼程介質逆流橫向交叉通過繞管,換熱器層與層之間換熱管反向纏繞,管、殼程介質以純逆流方式進行傳熱,即使在較低的雷諾數下其流動形態也為湍流,換熱系數較高;②多種介質共存于一臺纏繞管式換熱器進行傳熱時,由于其傳熱元件為圓管,纏繞管式換熱器對不同介質之間的壓差和溫差限制要求較小,降低了生產裝置的操作難度,提高了設備的安全性;③結構相對緊湊、耐高壓且密封可靠、熱膨脹可自行補償;④易實現大型LNG液化作業。

    美國空氣產品化學工程公司(air products)是LNG領域SWHE最大的供貨商,在1977~2008年間,為79套LNG裝置(其液化能力累計達到2.3×108t/a)生產了纏繞管式換熱器。德國林德(Linde)公司在近5 a內一共生產了累計金屬重量達到3 120 t的多股流纏繞管式換熱器應用于LNG工廠。

    纏繞管式換熱器的關鍵技術主要有:

    1)結構:纏繞管式換熱器的結構和工藝條件緊密聯系在一起,合理分配液化段和過冷段的熱負荷,使液化段和過冷段相對協調;結合特大型換熱器的載荷分配以及換熱管相對較軟的特性,采用足夠剛度的中心筒,從設計上保證纏繞的均勻性。組合設計技術的充分應用使“冷塔”結構合理;管殼程及物料進出口位置的合理選擇,使流體的分布更均勻;多管板結構的應用使結構進一步優化。

    2)材料:由于大型LNG液化工廠的熱負荷都是數十乃至數百兆瓦級的,再加上低溫要求,目前適用的材料只有兩種:奧氏體不銹鋼和鋁合金。換熱面積2×104m2以下的纏繞管式換熱器換熱管還可以考慮采用薄壁奧氏體不銹鋼材料,2×104m2以上的纏繞管式換熱器換熱管基本采用鋁合金材料。全奧氏體不銹鋼材料的纏繞管式換熱器制造起來相對簡單,若換熱管采用鋁鎂合金管則面臨著幾個問題:①超長型鋁鎂合金換熱管的國產化;②換熱器其他受壓元件的選材及其與換熱管的適應性;③管板的復合技術研究,在常溫下成形后復合管板的低溫機械性能研究以及管板過渡層材料厚度的研究;④精密沖壓內件的成型技術研究,保證對換熱管的零損傷。

    3)傳熱與流體流動:①提高物性計算的精確度。在低溫和高壓下,尤其是超臨界條件下混合組分烴介質熱物性的研究;②流程設計優化:利用已有的國外烴加工軟件,對天然氣預冷、液化、過冷等過程熱負荷與溫度關系進行模擬,主要分析其熱負荷的區間及溫差動力的幅度以及相互之間的對應關系;③流體的分布與模擬;④對主低溫換熱器中的管程天然氣、管殼程混合組分介質進行液相、氣相、兩相及超臨界壓力等不同工況下的傳熱與流動的研究,包括低雷諾數下傳熱的研究[12],給出對于不同負荷區間的傳熱因子與摩擦阻力因子,從而計算不同管程、不同區間的換熱面積;⑤結合特大型負荷下換熱研究的經濟性,對天然氣及混合冷劑介質的污垢特性[13]進行深入的研究。

    3　結論與建議　　

    LNG成套裝置的換熱器集中反映了機械和能源兩個領域許多學科的技術集成:　　1)汽化器和主低溫換熱器的結構和工藝緊密聯系,這些換熱器的結構中涉及一些專利技術,應予以規避。　　

    2)汽化器和主低溫換熱器的材料是低溫高合金鋼或有色金屬,不同于我國目前能夠供應的承壓元件材料,尤其是超長型有色金屬換熱管和異型鋁合金強化管等在我國都是空白。　　

    3)我國在低溫、高壓、復雜相變狀態下的傳熱與流體流動研究還需進一步加強。　　

    隨著我國天然氣的應用需求日益增長,大型LNG成套裝置的相關技術應取得突破。為了實現大型LNG成套裝置換熱器的國產化,建議如下:　　

    1)加大基礎研究:篩選某些烴類分析軟件進行二次開發,模擬和優化工藝流程;加大低溫高壓及超臨界狀態下的熱物性研究,提高換熱器設計輸入條件的精確性;利用CFD技術對強化傳熱的方式及流體分配的均勻性進行數值模擬,有條件地進行傳熱與流體流動的試驗研究,分析各種工況下多股流介質之間的換熱特性及流體阻力特性,并對二者的符合性進行分析。　

  　2)立足全國的技術能力,對汽化器和MCHE的材料進行拓展研究,尤其是有色金屬材料。對其承壓特性、表面特性、加工特性進行深入研究。　　

    3)全面提高汽化器和MCHE的制造工藝技術及大型化生產能力。　　

    4)LNG成套裝置體現了安全與節能并重的要求,一定要公正、客觀、科學地選擇和接收站及液化工廠相適應的換熱器。　　

    5)對進口換熱器的實際運行進行全面跟蹤,開展基于風險與壽命的LNG成套裝置換熱器設計與制造的研究工作[14]。

參考文獻

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