LNG工厂换热技术的研究进展

陈永东 周 兵 程 沛

1.合肥通用机械研究院 2.国家压力容器与管道安全工程技术研究中心

LNG工厂换热技术的研究进展

陈永东1，2周 兵1，2程 沛1，2

1.合肥通用机械研究院 2.国家压力容器与管道安全工程技术研究中心

对比分析适用于多股流传热的缠绕管式换热器（SWHE）和板翅式换热器（PFHE）的应用效果，指出PFHE具有结构相对紧凑、传热效率较高等特点，但其在可靠性、抗热冲击负荷、浮式LNG的适应性等方面表现较差，国际上存在着PFHE大型化和SWHE小型化的趋势。介绍了新型核状沸腾强化管（GEWA－PB）和冷凝强化管（GEWA－KS）的应用，论述了采用海水一次通过的直接冷却法的优点：可靠性高、易维护、电耗低、生产稳定性好、安全性高；从全寿命周期的经济性和可靠性角度指出选择钛材作为主制冷剂冷凝器和压缩机级间冷却器具有明显的优势。还介绍了实际混合物制冷剂的冷凝过程及Hammerfest LNG工厂基于实际冷凝过程和机械可靠性对使用的螺旋折流板换热器进行结构改进的措施。最后建议，中国在LNG工厂的换热技术上应着手以下几个方面的研究工作：①开展基于SWHE、处理规模为106m3／d LNG装置MCHE的研究；②开展基于实际工质下高效冷凝管和蒸发管的传热与流动研究；③系统研究直接冷却法和间接冷却法对LNG装置的影响，加大整个装置范围内材料及设备对海水的适应性研究；④加大钛高效管的研究，结合壳程纵向流动的研究和高效传热元件的利用，开发出具有良好热力性能和机械可靠性的实际混合物制冷剂冷凝器。

LNG 换热器 SWHE PFHE GEWA－PB GEWA－KS 直接冷却法 螺旋折流板换热器

1 LNG装置主低温换热器的对比及研究进展

LNG工厂的主低温换热器（MCHE）是其关键设备，它对整个装置的能效影响很大［1－3］。目前应用最广泛的是缠绕管式换热器（SWHE）和板翅式换热器（PFHE）两类［4－5］。究竟选用哪种MCHE，主要取决于装置的规模和不同的天然气液化工艺路线。SWHE和PFHE的对比如表1所示。

林德公司是目前世界上唯一能够同时提供SWHE和PFHE作为MCHE的供货商。林德公司结合工艺流程和制冷剂特点，按照表2选择中小型LNG工厂的MCHE［6］。

从表2可以看出，500 t／d生产规模以下的LNG工厂一般采用PFHE作为MCHE，这类LNG工厂通常应用膨胀式或级联式小型液化工艺。从设计上看，针对稳定操作工况，PFHE是一种热效率很高的换热器，但对于非陆地运行的LNG工厂（如浮式LNG工厂，简称FLNG），由于常存在启停或瞬态工况，其PFHE需要适应更多的热力循环。热力循环次数的增多、非平衡冷却或加热产生的热应力可能造成PFHE及连接管路的泄漏。而PFHE集成安装在冷箱内，其维修难度和成本非常高。

随着LNG工厂规模的增大，SWHE的优势越来越明显，渐渐成为基本负荷型LNG工厂MCHE的标准［7］。但是由于国际上能提供作为MCHE的SWHE的厂商只有两家，因此，美国的BV公司、我国的杭氧股份有限公司和四川空分设备集团有限责任公司都在致力研究PFHE在中大型LNG工厂上的应用，通过MCHE的模块化设计来克服PFHE的不足。

表1 SWHE和PFHE的对比表

表2 林德公司中小型LNG工厂MCHE选择参考表

世界MCHE第一供货商的美国Air products［8］也正在关注小型LNG工厂的设计，尤其关注中国非常规天然气（如煤层气、焦炉煤气）的利用市场。因此，国际上存在着PFHE的大型化趋势以及将SWHE推向中小型LNG工厂和FLNG的趋势。

在采用中国自主液化技术的LNG工厂内，SWHE作为MCHE还是空白，主要有2个方面的原因：①中国LNG工厂生产规模很小，基于小型装置的SWHE和PFHE相比无明显优势；②基于实际多组分混合烃在SWHE管程和壳程传热与流动特性的研究未见报道。采用国外技术已建和在建的中国LNG项目中共有3套装置采用SWHE作为MCHE，其中2套装置处理量为150×104m3／d，另外1套装置处理量为2×150×104m3／d。是否选择SWHE作为MCHE不仅由工厂的液化规模决定，同时还基于相应的液化流程。目前的关键就是尽快研究和突破（100～150）× 104m3／d处理量的LNG工厂以国产SWHE作为MCHE的设计制造技术。

2 高效传热元件在LNG工厂的应用

1996年，Technip和Wieland合作开发出新型核状沸腾强化管（GEWA－PB）和冷凝强化管（GEWAKS）（图1）。这种由低翅管（LF）发展而来的双面强化管大量应用于沸腾、冷凝及单相传热场合，特别针对低传热温差工况具有较好效果［9］。

图1 GEWA－PB和GEWA－KS结构示意图

对于采用C3／MR液化工艺的基本负荷型LNG工厂，强化传热技术在丙烷预冷循环里具有十分诱人的应用前景。GEMA－PB主要应用于丙烷冷剂的蒸发流程，天然气在管侧冷却或者混合冷剂在管侧冷凝。GEWA－KS主要应用于丙烷冷凝器，丙烷制冷剂在壳侧冷凝，冷却水在管侧流动。

在丙烷预冷流程里，当丙烷在壳侧沸腾时，使用GEWA－PB的沸腾换热系数可达普通光管的2～3倍。当丙烷在管侧从单相到两相的流动工况下，管侧换热系数增加因子从1.6到2.4不等，进而可以大幅提高总传热系数。虽然管侧压降增大，但通常不会超过传热能力相应的提高幅度，在不超过允许压降的情况下管壳式换热器的综合传热性能得到了强化。GEWAPB的主要优点在于在当传热温差低至2℃时仍具有良好的传热性能，此时普通光管和低翅管（LF）都不再适合。

由APCI授权的带有氮气过冷循环的C3／MR工艺已在Qatar得到成功应用，该工艺的单套LNG处理量为780×104t／a。与标准光管和低翅管（LF）相比，双面强化管的使用大大减小了设备的尺寸和重量。对于大型设备来说，综合考虑包括制造、运输、安装、运行和维护等因素，带来的效益更加明显。

表3、4对比了3种换热管分别应用于低压混合制冷剂（丙烷蒸发器）和丙烷冷凝器后带来的设备尺寸和重量的变化情况。

表3 低压混合冷剂（丙烷蒸发器）应用3种换热管后设备尺寸和重量的变化情况对比表

表4 丙烷冷凝器应用3种换热管后设备尺寸和重量的变化情况对比表

在过去15年间，Technip和Wieland为LNG和乙烯工厂50台关键换热器提供了标准化的应用方案（表5），这些换热器表现出了良好的安全性能和传热性能。

表5 GEWA－PB和GEWA－KS高效换热管在LNG、乙烯工厂的应用情况统计表

3 LNG工厂冷却方法的影响

目前全世界24个LNG工厂的77套装置都全部或部分采用了海水冷却方法，其中54套装置全部采用了海水一次通过的冷却方法［10］，这其中48套采用了海水一次通过的直接冷却方法，另外6套采用了海水一次通过的间接冷却方法。直接冷却方法是指大热负荷的换热设备（包括制冷剂冷凝器、过冷器和压缩机级间冷却器等）都采用海水直接冷却，而小型的换热设备通常先使用PFHE实现海水和淡水之间的换热，再建立一个淡水的冷却循环系统。间接冷却方法是指对于所有的水冷却器都事先通过PFHE实现海水和淡水之间的换热，再建立一个淡水的冷却循环系统，使用淡水作为冷却介质。

另外一些LNG装置采用了海水冷却塔，避免了一次吸入和排放大量的海水。一般情况下，海水的补水量不超过海水总循环量的1／10。

冷却方法的选择是一个复杂的过程，应考虑包括当地环境条件、资金成本、运行消耗、设备供货、维护、可靠性、能效和操作稳定性等一系列因素。

针对LNG装置的丙烷冷凝器和压缩机级间冷却器，从5个方面分析了海水一次通过的直接冷却法和间接冷却方法、循环海水的直接冷却法和间接冷方法以及空气冷却法的特点（表6）。

表6 LNG工厂冷却方法的比较表（丙烷冷凝器和压缩机冷却器）

从表6可以看出，采用海水一次通过的直接冷却法的传热性能和经济性都是最好的。但某些国家考虑到海水一次通过对环境的影响，开始采用海水循环通过的冷却方法或者空冷方法。

冷却方法的选择固然重要，但要保证LNG工厂的可靠运行，最重要的还是基于整个装置寿命的选材问题，尤其是换热器的选材问题。目前使用海水直接冷却的换热器材料主要是铜合金和钛。

对LNG运营商而言，维持20～30年可靠的投资回报是至关重要的。铜合金换热器的成本比钛材便宜25%～50%，但基于整个寿命周期的维护开支却非常大。随着海水品质的变化及操作条件的变化（泵的压力和流速的变化），在整个寿命周期内，由铜合金带来的故障问题出现的几率非常高。例如，如果因为计划外停工造成的减产损失是＄400 000／d，使用钛管的成本增加值是＄4 000 000／d，那么10 d的停工期即可收回增加的成本，这还不包括修复或更换失效换热器的成本。

表7列出了一些LNG工厂采用海水直接冷却的换热器换热管情况。

从表7可以看出，换热器材料的适应性受当地的海水水质及操作条件影响很大。但为了降低LNG装置运行的风险，从总投资的角度出发，使用钛管仍是最保险的选择。

表7 一些海水直接冷却LNG装置换热管材料的使用情况表

4 基于混合物实际冷凝机理的设计研究与开发

鉴于海洋生物污垢的影响，选用管壳式换热器时优先选择管程走海水。随着壳程冷凝的进行，介质体积流量迅速减小造成速率衰减，进而可能造成气液分离。对于混合制冷剂冷凝过程来说，相态分离造成的局部冷凝将使基于整体冷凝假设的混合物冷凝设计产生偏差。局部冷凝和整体冷凝的最大区别就是不断有液相从相平衡中析出，不仅造成气液两相之间产生滑移，在冷凝器的出口还可能形成冷凝物的液相和不凝的气相，这主要是由混合组分中的低沸点介质特性所致。

图2给出了丙烷（乙烷）混合物整体和局部冷凝的曲线［11］。从图2可以看出整体冷凝和局部冷凝的差异在冷凝器出口处非常明显。如果海水的入口温度为5℃，局部冷凝过程仅可以冷凝介质的90%，在出口会留下10%的轻组分未凝气体。

实际的混合物冷凝过程介于整体冷凝和局部冷凝之间。流体入口段，工艺条件保证了较高的流速，剪切力起主导作用，截面的气液两相混合较好，近似整体冷凝过程。而出口处的工艺条件会造成两相分层，重力起明显作用，接近局部冷凝过程。

冷凝器设计软件主要基于冷凝侧当地传热膜系数的准则方程，并对气相扩散阻力进行简单修正。由于气液两相界面附近的气相浓度梯度，扩散阻力降低了有效传热膜系数。尤其在低热通量条件下，当地传热膜系数准则方程的不确定度很高，因此，设计软件不能反映混合物冷凝的实际传热过程。

另外设计过程一般不考虑壳程冷凝流体的不均匀性。对于混合物冷凝过程，诸如回流、涡旋、旁路及流动死区等现象造成实际流场与理想流场的偏离。非理想流场的影响可显著降低混合物冷凝器的性能。

基于上述分析，在大型LNG工厂选择何种换热器作为冷凝器是研究的主要内容。在分析了管内冷凝、板式冷凝、立式冷凝器以及普通弓形折流板式卧式冷凝器存在的问题之后，最终采用了壳程螺旋流动的螺旋折流板换热器作为制冷剂预冷换热器。Hammerfest LNG工厂整个的冷凝负荷是170 MW，由1台换热器完成，换热管采用钛制低翅管。此螺旋折流板换热器是目前该类换热器最大规模的一个（图3）。

图3 螺旋折流板换热器组装现场照片

为了更好地对预冷换热器进行分析，提高设计的准确性，穿透绝热层对壳体外表面温度进行了测量（测量位置覆盖换热器轴向全长度和周向角度），并对沿换热器顶部中心线的12个接管中取出的气体样本进行了分析。研究结果表明，实际混合物的冷凝过程如图4所示，包括整体冷凝的入口区域、相分离区域、滑移的气相和液相区域、出口处的直接接触冷凝区域。

图4 主冷凝器流动状态简化模型图

因此，Hammerfest LNG工厂基于整体冷凝机理设计的螺旋折流板换热器在热力性能上也不尽完美，同时，冷凝器还会因为诱导振动引起折流板处的管束破裂泄漏。

Hammerfest LNG工厂对螺旋折流板换热器结构进行了一些改进，包括微量减小了折流板间距、额外增加了支持板、增加了管壁厚度、改变了布管方式、改进了密封条形状、使用了进口气体分布器等。所有的改进措施都委托了第三方进行评估，包括基于CFD的流场分析和管束振动评估等。此外，针对可能对传热和流动特性产生的影响重新进行了设计修正。

5 结论和建议

1）对适用于多股流传热的SWHE和PFHE进行了应用对比分析，PFHE具有结构相对紧凑、传热效率较高等特点，但在可靠性、抗热冲击负荷、浮式LNG的适应性等方面表现较差。国际上存在着PFHE大型化和SWHE小型化的趋势。在我国的中小型LNG装置中，使用SWHE作为MCHE尚属空白。

2）以Technip和Wieland合作开发的GEWA－PB和GEWA－KS日益成为LNG工厂关键换热器的优选方案。过去10年共有超过50台套强化传热管换热器在应用中表现出良好的热力性能和安全性能。

3）对直接冷却法和间接冷却法进行了技术对比，证明了直接海水冷却法的优势，同时从全寿命周期的经济性和可靠性来看，选择钛材作为主制冷剂冷凝器和压缩机级间冷却器具有明显的优势。

4）分析了实际混合物制冷剂的冷凝过程，介绍了Hammerfest LNG工厂基于实际冷凝过程和机械可靠性对使用的螺旋折流板换热器进行结构改进的措施。

5）中国在LNG工厂的换热技术上应着手以下几个方面的研究工作：①开展基于SWHE、处理规模为106m3／d LNG装置MCHE的研究；②开展基于实际工质下高效冷凝管和蒸发管的传热与流动研究；③系统研究直接冷却法和间接冷却法对LNG装置的影响，加大整个装置范围内材料及设备对海水的适应性研究；④加大钛高效管的研究，结合壳程纵向流动的研究和高效传热元件的利用，开发出具有良好热力性能和机械可靠性的实际混合物制冷剂冷凝器。

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Research progress in heat transfer technology in LNG plants

Chen Yongdong1，2，Zhou Bing1，2，Cheng Pei1，2
（1.Hefei General Machinery Research Institute，Anhui，Hefei 230088，China；2.National Engineering Research Center on Safety of Pressure Vessels and Pipes，Anhui，Hefei 230031，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 10，pp.80－85，10／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

A comparative analysis is made on the application results of plate－fin heat exchangers（PFHE）and spiral wound heat exchangers（SWHE），both of which are adaptable to multiple stream heat transfer.It is pointed out that PFHE are better with compact structure and high heat transfer efficiency but with poor reliability and worse performance in impact heat influx and adaptability of offshore floating LNG terminals.In the global trend，the PFHE are applied on a large scale but the SWHE on a small scale.Then，the application of dual－enhanced tubes（GEWA－PB and GEWA－KS）is introduced and the advantages of the once－through seawater cooling system are demonstrated：high reliability，easy maintenance，low electricity consumption，stability in production and high safety.In terms of its life span economy and reliability，titanium is chosen as the preferred dominant refrigerant for the intermediate cooler between a condenser and a compressor.Furthermore，the actual condensing process by use of the mixture refrigerant is introduced，based on that and the mechanical stability，the innovative measures made for the structure of the helical－baffle exchangers adopted by the Hammerfest LNG Plant are also presented herein.In the end，this paper puts forward the following proposals for further studies of heat transfer technology in LNG plants in China.（1）The SWHE－based main cryogenic heat exchanger（MCHE）with the dealing capacity of 1000000 m3per day should be studied.（2）Research of heat transfer and flow should be conducted on the high－efficiency condense tubes and evaporating pipes under actual working conditions.（3）A systematic analysis should be made of the impact of direct and indirect cooling methods on an LNG plant and the studies of the adaptability of materials and equipments in the whole plant to sea water should be made as well.（4）The titanium－made tubes with high efficiency should be further studied and in combination with the research of shell－side longitudinal flow and the utilization of high－efficiency heat transfer components，the condenser adopting actual mixture refrigerant with satisfactory thermal performance and mechanical stability should be developed.

LNG，heat exchanger，SWHE，PFHE，GEWA－PB，GEWA－KS，direct cooling method，helical－baffle heat exchanger

陈永东等.LNG工厂换热技术的研究进展.天然气工业，2012，32（10）：80－85.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.020

国家高技术研究发展计划（863计划）重点项目（编号：2009AA044802）。

陈永东，1968年生，教授级高级工程师，硕士；压力容器学会换热器委员会常务副主任委员，全国锅炉压力容器标准化技术委员会热交换器分委会委员；长期从事石油、化工、天然气等领域换热设备的传热与结构研究工作。地址：（230088）安徽省合肥市高新区天湖路29号合肥通用机械研究院。电话：（0551）5335412，13805692930。E－mail：cyd＿hf＠yahoo.cn

（修改回稿日期 2012－08－06 编辑 何 明）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.020

Chen Yongdong，professor－level senior engineer，born in 1968，holds an M.Sc.Degree and has long been engaged in research of heat exchange and structure of heating exchangers in oil，natural gas and petrochemical fields.

Add：No.29，Tianhu Rd.，Gaoxin District，Hefei，Anhui 230088，P.R.China

E－mail：cyd＿hf＠yahoo.cn