2　LNG液化工廠的主低溫?fù)Q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(gè)液化工廠的效率。主低溫?fù)Q熱器(簡(jiǎn)稱MCHE)是制冷工段的核心,也是整個(gè)LNG液化工廠最重要的換熱設(shè)備。MCHE的作用是將天然氣冷卻液化到-162℃,它的技術(shù)進(jìn)步將對(duì)整個(gè)LNG液化工藝過程和裝置的操作成本產(chǎn)生極大的影響?！　?/span>

    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(shè)計(jì)的商家主要有APCI、Shell、ConocoPhillips、Statoil、Linde和Axens。其中APCI是最具實(shí)力的LNG液化工藝商,其主打工藝是丙烷預(yù)冷、混合冷劑液化和氮?dú)馀蛎涍^冷的LNG液化工藝流程,在主低溫?fù)Q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(jù)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(jìn)型混合冷劑流程,天然氣在同一多股流纏繞管式換熱器內(nèi)完成預(yù)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(guó)新疆廣匯公司的LNG工廠,43×104t/a,2004年投產(chǎn));在大型LNG裝置中采用了混合制冷劑梯級(jí)循環(huán)流程,采用了3種不同混合制冷劑的循環(huán)壓縮機(jī),每一個(gè)循環(huán)對(duì)應(yīng)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(yù)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?fù)Q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(lǐng)域使用的都是鋁制板翅式換熱器,其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)多股流換熱,且對(duì)冷熱物流的股數(shù)并不需要嚴(yán)格限制。德國(guó)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(nèi)的板翅式換熱器通過兩級(jí)單一混合制冷劑循環(huán)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(chǎn))。其中分離器頂部的氣相混合冷劑冷卻后節(jié)流進(jìn)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(jié)流進(jìn)入換熱器提供預(yù)冷和液化溫度。美國(guó)燃?xì)夤に囇芯吭涸谄湫⌒蚅NG液化單元中也采用了鋁制板翅式換熱器作為低溫?fù)Q熱器。全世界采用鋁制板翅換熱器作為大型LNG液化工廠主低溫?fù)Q熱器的較少,美國(guó)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(jí)循環(huán),干燥的天然氣通過和不同循環(huán)溫度級(jí)對(duì)應(yīng)的板翅式換熱器最終得到液化。

鋁制板翅式換熱器的缺點(diǎn)也很突出:釬焊爐的容積限制了大型化液化作業(yè)、兩相流動(dòng)分配技術(shù)造成流體分布不均勻、連接管道多造成應(yīng)力復(fù)雜、泄漏點(diǎn)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(guān)鍵技術(shù)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

    1)結(jié)構(gòu):研究高承壓能力翅片,可以提高整個(gè)鋁制板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)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(duì)氣液兩相分配結(jié)構(gòu)的優(yōu)化技術(shù),可實(shí)現(xiàn)大流量下流體的均勻分布;由于多個(gè)板翅式換熱器組合在冷箱內(nèi),因此多單元并聯(lián)的配管優(yōu)化、整體冷箱結(jié)構(gòu)的配置、冷箱結(jié)構(gòu)的安全性分析等都是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

    2)材料:壓力容器用薄鋁板材和管材相對(duì)于鋼材的質(zhì)量不夠穩(wěn)定,因此一定要控制好鋁制板翅式換熱器的原材料質(zhì)量。針對(duì)不同的合金鋁材選擇釬焊材料,優(yōu)化釬焊工藝是整個(gè)結(jié)構(gòu)安全性的首要保證。

    3)傳熱與流體流動(dòng):改善板翅式換熱器表面的幾何形狀,強(qiáng)化翅片傳熱能力,降低翅片流動(dòng)阻力是各個(gè)領(lǐng)域板翅式換熱器的研究課題[10-11],在LNG領(lǐng)域也不例外;更令人關(guān)注的是如何實(shí)現(xiàn)大流量下、尤其是兩相流動(dòng)狀態(tài)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(duì)傳熱性能影響較大;由于板翅式換熱器的流道長(zhǎng)度受限制,冷熱端存在較大的溫度梯度,軸向?qū)嵩黾恿瞬豢赡鎿p失,降低了換熱器的熱效率,在傳熱設(shè)計(jì)中應(yīng)予考慮;此外還應(yīng)關(guān)注板翅式換熱器的安裝位置對(duì)傳熱與流動(dòng)的影響。