摘要：換熱器是LNG成套裝置的關(guān)鍵部件,汽化器和主低溫?fù)Q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(jié)構(gòu)、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(zhì)的汽化器以及纏繞管式換熱器3種典型的汽化器的關(guān)鍵技術(shù),并結(jié)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?fù)Q熱器的特點,最后對大型LNG成套裝置中汽化器和主低溫?fù)Q熱器實現(xiàn)國產(chǎn)化提出了如下建議:①加強(qiáng)基礎(chǔ)研究;②立足全國的技術(shù)能力,對汽化器和MCHE的材料進(jìn)行拓展研究,對其承壓特性、表面特性、加工特性進(jìn)行深入研究;③全面提高汽化器和MCHE的制造工藝技術(shù)及大型化生產(chǎn)能力;公正、客觀、科學(xué)地選擇與接收站以及液化工廠相適應(yīng)的換熱器;④對進(jìn)口換熱器的實際運行進(jìn)行全面跟蹤,開展基于風(fēng)險與壽命的LNG成套裝置換熱器設(shè)計與制造的研究工作。

    在LNG接收站和LNG液化工廠,汽化器和主低溫?fù)Q熱器是關(guān)系到整個工藝流程實現(xiàn)的重要過程設(shè)備,同時lng車用瓶零部件也是影響整個裝置能耗的關(guān)鍵設(shè)備。為此,將從結(jié)構(gòu)、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?fù)Q熱器的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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(qiáng)制通風(fēng)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(zhì)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(diào)峰,不作為基本負(fù)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(fù)荷下的汽化器[3]。浸沒燃燒型汽化器的特點是反應(yīng)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(fù)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(fù)荷范圍內(nèi)安全運行,可以根據(jù)需求的變化遙控調(diào)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(nèi)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(guān)鍵技術(shù)主要表現(xiàn)在:

    1)結(jié)構(gòu)和傳熱與流動工藝的結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)冰。水膜下降時具有較高的換熱系數(shù),但是由于冰層的導(dǎo)熱系數(shù)大約是鋁合金管材導(dǎo)熱系數(shù)的1/40,因此也會使汽化器的傳熱性能下降。Osaka Gas和Kobel Steel聯(lián)合研發(fā)采用了雙層結(jié)構(gòu)的傳熱管,有效地改善了結(jié)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(jìn)入內(nèi)管,然后進(jìn)入內(nèi)外管之間的環(huán)狀間隙[7]。間隙內(nèi)的LNG直接被海水加熱并立即汽化,內(nèi)管內(nèi)流動的LNG是通過間隙內(nèi)已經(jīng)汽化的天然氣氣體來加熱,使汽化逐漸進(jìn)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(jié)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(jié)合:由于傳熱管內(nèi)側(cè)LNG蒸發(fā)時的換熱系數(shù)相對較低,SuperORV設(shè)計時采用了一些強(qiáng)化措施,傳熱管分為汽化區(qū)和加熱區(qū),采用管內(nèi)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?！　?/span>

    和傳統(tǒng)的ORV(Kobel Steel制造)相比,Super-ORV單根換熱管的蒸發(fā)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(zhì)的汽化器(IFV)　　

    采用中間傳熱流體的方法可以改善結(jié)冰帶來的影響。通常采用丙烷、異丁烷、氟利昂、氨等介質(zhì)作為中間傳熱流體介質(zhì)。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(jìn)行換熱;第2部分由中間傳熱流體和LNG進(jìn)行換熱;第3部分為天然氣過熱。這種汽化器遠(yuǎn)離了加熱流體的冰點問題,適用于循環(huán)加熱系統(tǒng)、海上浮動儲存與汽化系統(tǒng)[8]和冷能發(fā)電系統(tǒng)?！　?/span>

    IFV換熱器的關(guān)鍵技術(shù)主要表現(xiàn)在:　　

    1)結(jié)構(gòu):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(shè)計成可抽拉換熱結(jié)構(gòu);海水對天然氣的過熱部分是否設(shè)計成獨立結(jié)構(gòu)等?！　?/span>

    2)材料:該換熱器在選材上集中體現(xiàn)了安全性和經(jīng)濟(jì)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(fù)合鋼板結(jié)構(gòu),與海水接觸的管箱與變徑筒體則既可以采用復(fù)合鋼板結(jié)構(gòu),又可以采用襯里結(jié)構(gòu)?！　?/span>

    3)傳熱與流體流動工藝:首先是選擇中間傳熱介質(zhì),確定好中間傳熱流體的相變壓力及其對應(yīng)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(fā)揮潛熱等熱物理性質(zhì),選擇匹配的中間傳熱介質(zhì);其次是選擇并優(yōu)化熱源流體的串聯(lián)流程;再次是改善IFV換熱管的表面特性,實現(xiàn)強(qiáng)化傳熱。