绕管式换热器在大型天然气液化装置中的应用及国产化技术分析

浦晖，陈杰

（中海石油气电集团技术研发中心，北京 100027）

绕管式换热器在大型天然气液化装置中的应用及国产化技术分析

浦晖*，陈杰

（中海石油气电集团技术研发中心，北京 100027）

介绍了大型绕管式换热器在天然气液化工业中的应用状况，并通过分析国外和国内绕管式换热器供货商的技术水平及研究现状，总结国内供货商在大型绕管式换热器设计和制造方面所存在的技术瓶颈，为实现大型LNG绕管式换热器国产化提出建议。

绕管式换热器 天然气液化 LNG (液化天然气)

1 前言

绕管式换热器主要用于大型陆上天然气液化工厂和大型LNG-FPSO（Floating liquefied natural gas）工艺进行天然气液化。为了满足不断发展的天然气液化工艺要求，绕管式换热器的液化能力逐年增大。经过40多年的发展，单体绕管式换热器的液化能力已经由最初的 100万吨 LNG/年增长到780万吨LNG/年[1]。

绕管式换热器是大型陆上天然气液化工厂的首选主低温换热器。据统计，90%的大型陆上天然气液化工厂采用了绕管式换热器。在大型天然气液化工厂中，绕管式换热器的应用相当成熟，已成功应用于混合制冷液化工艺流程，仅 APCI就已经为 79条大型液化天然气（LNG）生产线提供绕管式换热器[2,3]，液化工厂的位置也遍布全球，适合于寒带、温带和热带等气候。出于对天然气液化变工况时的温变应力和多台板翅式换热器并联带来的流体均布等问题的顾虑，板翅式换热器主要应用于空分装置和小型天然气液化装置，迄今为止，只有澳大利亚达尔文的 LNG装置（300万吨/年，优化阶式液化工艺）采用了板翅式换热器，表明板翅换热器在大型 LNG装置上的应用还不够成熟。随着单条线产能的不断扩大，绕管式换热器相对于板翅式换热器的优势将更加明显。

绕管式换热器也是大型 LNG-FPSO的首选主低温换热器。最初的 LNG-FPSO方案均为小型，在主低温换热器上选择占地面积更小、重量更轻的板翅式换热器。虽然绕管式换热器具有占地面积大、重量大和晃动对效率影响较为敏感等不足之处，但APCI、SHELL和STATOIL等公司的大型 LNG-FPSO方案均采用了绕管式换热器作为主低温换热器[4-6]，原因是在单线产能300万吨/年以上的液化装置中，采用多台并联板翅式换热器存在效率降低、板翅冷箱外管路复杂等缺点。另外，APCI和LINDE等供货商对绕管式换热器的结构进行不断改进，使其更适用于海水的晃动工况的影响。

因此，绕管式换热器在大型天然气液化工厂中具有广阔的前景。

2 绕管式换热器的结构及特点

绕管式换热器是一种特殊的管壳式换热器，其结构是在与管板相连的中心筒上，以螺旋状交替缠绕数层小直径铝管或不锈钢管并形成管束，再将管束放入壳体内，通常每个管束均包含几百根数千米长的换热管，管束依靠支撑系统或悬挂于壳体顶部的方式保持在壳体内，其结构如图 1所示。另外，壳体外部通常安装保冷、平台、梯子和管线等，绕管式换热器的设计还要考虑抗风、抗震、运输和安装等问题。绕管式换热器的机械牢靠性使得其可以适用于各种工况：包括天然气的组分从贫气到富气、原料气的压力高达8.0兆帕、从寒冷的北极圈到炎热的中东地区等。绕管式换热器的特点包括结构紧凑、可同时进行多种介质换热、管内操作压力高、传热管的热膨胀可自行补偿、换热器易实现大型化等，因此被广泛应用于大型LNG工业中。在LNG生产中应用的绕管式换热器，通常是一个到三个管束安装在一个壳体内，气液分离器、分配器和配管等也同时安装在壳体内。常温的天然气从换热器的底部进入管程，过冷的 LNG从顶部流出，壳侧内的流体为低压的反流制制冷剂。

图1 绕管式换热器结构图

目前用于天然气液化的主低温换热器主要为板翅式换热器和绕管式换热器。其中，板翅式换热器主要用于 100万吨/年以下的液化工厂或大型阶式流程液化工厂，而绕管式换热器主要用于大型混合制制冷剂流程液化工厂。与板翅式换热器相比，绕管式换热器具有如下优点：

1) 传热面积大。最大制造直径可达 5米以上，适用于大型 LNG生产线。目前，绕管式换热器的液化能力主要受压缩机和驱动电机能力的限制。

2) 现场安装时间短。相对于板翅式换热器，简化的管路和控制系统可以减少安装、操作和维护费用。

3) 换热器冷凝侧的高操作压力，使采用小管径的铝管成为可能。这允许更高压力的原料气并优化混合制制冷剂的压力以提高效率。同时，采用小管径可以增大换热面积。因此，工艺流程可以设计成小温差以减小压缩机的能耗。

4) 允许大温差传热和大温变速率。对于钎焊的板翅式换热器，通常相邻的两股流体温差不允许超过30℃，或者某一点的温变变化速率小于每分钟0.5℃，否则由于温差、温变带来的应力会影响翅片与隔板的焊接质量，最终导致换热器失效。混合制制冷剂工艺液化装置在开停车、负荷调整、工艺波动或压力泄放时换热器内的温度容易变化，也较难控制。而绕管式换热器则不存在这样的问题。

5) 避免换热器并联需要解决流量分配的问题。板翅式换热器由于受到钎焊炉容积的影响，其高度一般小于8米，大型LNG采用板翅式换热器需要多台并联或串联，当内部流体为两相流时，板翅式换热器间流量的均匀分配是个难点。由于绕管式换热器可以高达55米，大型LNG装置采用一台绕管式换热器即可，避免了流量分配不均的难题，而且管路布置也相对简单。

6) 由于壳侧采用不锈钢材料，其允许压力通常是工作压力的3倍以上，便于停车时混合制制冷剂保存在换热器的壳侧。

3 绕管式换热器的应用和技术现状

3.1 应用现状

排在世界天然气出口国前五位的国家[7]分别是：卡塔尔、印度尼西亚、马来西亚、澳大利亚和尼日利亚，这些国家的天然气液化工厂规模大部分都在年产1百万吨以上，绝大多数装置的主低温换热器均采用了绕管式换热器。其中，APCI的液化工艺主要为混合制制冷剂循环，因此在主低温换热器的选择上采用了绕管式换热器；LINDE根据液化能力和液化工艺流程的不同，在小型LNG装置中选择了铝制钎焊板翅式换热器，在中型 LNG装置中选择绕管式换热器，在大型LNG装置中选择了铝制钎焊板翅式换热器作为预冷段换热器、选择绕管式换热器作为液化段和过冷段的主低温换热器；SHELL的DMR液化工艺中也选择绕管式换热器作为主低温换热器。目前采用绕管式换热器作为主低温换热器的典型装置如表1所示。

表1 世界主要LNG液化工厂能力及液化工艺

3.2 绕管式换热器供货商技术能力

3.2.1 国外供货商技术水平简介

在国际上，美国空气产品化学工程公司和林德公司是 LNG领域绕管式换热器的两家主要供货商。其中，美国空气产品化学工程公司占绝大部分市场份额。

美国空气产品化学工程公司（APCI）是LNG领域绕管式换热器最大的供货商，在 1977～2008的30多年间，为79条LNG装置（其液化能力累计达到230万吨）提供了配套缠绕管式换热器，主要用户分布在亚洲、欧洲、澳大利亚和南美等地区。APCI具有全面的设计制造大型LNG装置主低温换热器的能力，目前其制造厂内可以制造直径5米、长度55米、450吨重以下的缠绕管式换热器，但其设计制造能力可以扩展以满足更大规模LNG工厂的需求，所需考虑的仅仅是LNG领域可靠的压缩机和驱动机的规模限制[2]。

目前，APCI对于大型LNG-FPSO工艺进行研究，主低温换热器仍然采用绕管式换热器，并对绕管式换热器的结构进行改进，以满足海上生产的特殊要求。

林德公司（LINDE）在1993年开始为市场提供大型LNG绕管式换热器，生产数量逐年增加。近五年内一共生产了累计金属重量达到 3120吨的多股流绕管式换热器应用于LNG工厂。LINDE在大型 LNG装置中选择铝制钎焊板翅式换热器作为预冷段换热器，选择多股流缠绕管式换热器作为液化段和过冷段的主低温换热器。LINDE已经成功为挪威的 Hammerfest、澳大利亚的Kwinana和中国的新疆广汇等液化工厂提供主低温换热器。目前该公司在其制造厂内能够完成直径7.5米、260吨重缠绕管式换热器的制造，对于更大尺寸和重量的绕管式换热器可以在靠近水路的厂房内组装[6]。

目前，林德公司与挪威石油公司（STATOIL）对绕管式换热器在晃动时壳侧内流体均布技术进行研究，以便绕管式换热器能够更好的应用于LNG-FPSO[8]。

3.2.2 国内供货商技术水平简介

目前，国内具有绕管式换热器设计能力的厂家主要是合肥通用机械研究院和开封空分集团有限公司，具有制造能力的厂家是镇海石化建安工程有限公司、开封空分集团有限公司和大连的林德工艺装置有限公司。

合肥通用机械研究院[9]与镇海石化建安工程有限公司分别负责结构设计和加工制造绕管式换热器。从上个世纪九十年代起，两家单位合作已设计制造了160多台绕管式换热器，设计制造的绕管式换热器中最高设计温度 520℃，最低设计温度-196℃，最大直径 3.2 米，最多管程介质数为5股流，最高压力16.8兆帕，最大换热面积已逾7000平方米、热负荷为25.45兆瓦。主要应用于空气分离、天然气汽化、军工液氧、煤基烯烃等工业。

开封空分集团有限公司[10]具有成熟的设计和制造绕管式换热器的能力。该公司从上世纪90年代末开始了绕管换热器的研制工作，并于1997年将研制成功的绕管换热器应用于宁夏化工厂，首台设备重7.77吨。2004年，开封空分承接了安庆石化的三台大型不锈钢高压多股流体绕管式换热器研制合同，该换热器的最大直径2.4米，压力 5.0 兆帕，重86吨，并全部按照美国ASME标准制造。到目前为止，开封空分已成功地为化工行业提供20多台高压绕管换热器，最大设计压力达20兆帕以上，外形尺寸1.8米×2.2米，重80吨。

另外，位于大连的林德工艺装置有限公司也是绕管式换热器的制造企业，其工艺和结构设计主要由LINDE完成，在我国主要立足于低温甲醇洗领域的绕管式换热器制造。

4 国内供货商的技术瓶颈

到目前为止，国内厂家还没有设计和制造大型LNG绕管式换热器的经验，在设计、制造和实验方面均存在一定的技术瓶颈尚未突破。

1) 复杂相变状态下绕管式换热器管内与壳程传热与流动的计算需要进一步完善；主要是天然气预冷、液化、过冷等过程的热负荷与温度关系难以准确模拟[11]。

2) 特大型负荷下换热的经济性优化技术尚未掌握；主要是换热过程中的潜热部分难以精确计算，无法使得换热器既高效紧凑，又能满足系统动力的配置。

3) 大型换热器整体载荷的均匀性设计技术及各种组合设计技术不够成熟；主要是同时考虑各阶段介质的热物理特性及相组成成分，对换热器的结构设计、载荷均布、连接技术以及多管板结构进行优化方面尚缺少经验。

4) 大型缠绕管式换热器振动分析方面经验不足；主要是针对此类大型多股流换热器进行振动机理分析缺少相关经验，包括数值模拟和试验研究等。

5) 缺少大型绕管式换热器芯体与壳体组装技术；主要是避免组装过程中大件吊装可能给换热管、壳体造成压扁、损坏等问题尚缺少解决办法。

5 结语

对于陆上天然气液化工厂，国外供货商主要对大于年产780万吨LNG的单体绕管式换热器进行研究，以满足特大型天然气液化工厂的要求；对于应用于LNG-FPSO的绕管式换热器，国外供货商也在积极改进设计以满足海上生产的特殊要求。国内供货商对于大型绕管式换热器的设计、制造以及实验方面均存在一定技术瓶颈，目前尚无法为大型天然气液化工厂提供产品；但通过对上述技术瓶颈的突破，最终能够实现大型LNG绕管式换热器的国产化。

[1]Jack M K，Mark P，Ron B. An Ever Evolving technology, Air Products specialists discuss coil wound heat exchanger technology [EB/OL]. http://www.airproducts.co m/NR/rdonlyres/4BD46FBB-BD5D-4DCD-9B1B-8B32816 6EE40/0/AirProducts_coilwoundtechnology.pdf.

[2]James S J.Meeting technical challenges in a changing market [J/OL].The LNG Review，2010：1-3.

[3]Mark J R，Liu Y N，James C B，James S.Technology Selection [J].Hydrocarbon Engineering，2004：81-84.

[4]Neil G，Damian D.Floating LNG - Shell's recent history and current approach [C].The LNG 16 conference. Algeria，2010：PS2-3.

[5]Statoil.Offshore LNG [EB/OL].http://www.statoil.com/en/technologyinnovation/gas/liquefiednaturalgaslng/pages/fl ytendenaturgasslng.aspx.

[6]Linde.Coil-wound heat exchangers [EB/OL].http://www.lngpedia.com/wp-content/uploads/lng_technology/

liquefaction/Coil-Wound%20Heat%20Exchangers%20-%20 Linde.pdf.

[7]BP Statistical Review of World Energy June 2011[EB/OL].http://www.bp.com/statisticalreview.

[8]Thomas L, Klaus O, Arne O F, Carl B J.Ready for floating LNG - qualification of spiral wound heat exchangers [C]. The LNG 16 conference.Algeria，2010：PO-27.

[9]陈永东.我国换热器的技术进展[C].第二届全国换热器学术会议论文集.无锡，2002.

[10]赵凌.开封空分集团一次中标 8台高压绕管换热器[J].气体分离，2008 (2): 15.

[11]陈永东，陈学东. LNG成套装置换热器关键技术分析[J].天然气工业，2010 (1): 96 - 100.

Application and technical analysis on localization of spiral-wound heat exchanger in large-scale natural gas liquefaction plant

Pu Hui*，Chen Jie
(R&D Center, CNOOC Gas & Power Group, Peking 100027, China)

The current application of spiral-wound heat exchanger in large-scale natural gas liquefaction plant is introduced, and the technical level and the research status of suppliers at home and abroad are also analyzed.According to the comparison and analysis, the technical bottleneck problems for domestic suppliers on design and manufacturing are summarized for helping to achieve the localization of large-scale spiral-wound heat exchanger.

Spiral-wound heat exchanger；Natural gas liquefaction；LNG(liquefied natural gas)

*浦晖（1978年—），男，中海石油气电集团技术研发中心工程师，主要从事天然气液化工艺及关键设备国产化研究。联系地址：北京市朝阳区东三环北路甲 2号京信大厦 2842室，邮编：100027。Email：puhui@cnooc.com.cn，电话：010-84526523。