印刷电路板式LNG气化器换热试验研究

吴维武，王东宝，赵黎明，袁振钦

(1.上海利策科技股份有限公司， 上海 200233;2.上海海洋油气生产平台设计工程技术研究中心， 上海 200233)

印刷电路板式LNG气化器换热试验研究

吴维武1,2，王东宝1，2，赵黎明1，袁振钦1

(1.上海利策科技股份有限公司， 上海 200233;2.上海海洋油气生产平台设计工程技术研究中心， 上海 200233)

印刷电路板换热器作为一种新型微通道换热器，具有体积小、重量轻、换热效率高等特点，在液化天然气(LNG)产业链特别是浮式LNG等领域具有十分广阔的应用前景。针对印刷电路板式换热器作为LNG浮式储存和再气化装置(FSRU)再气化模块的主换热器的应用，研制了LNG气化器的缩比样机，并搭建了LNG气化器换热试验平台，对换热器的换热性能展开了试验研究。

印刷电路板式换热器；LNG气化；换热器；换热试验

0 引 言

随着我国天然气需求的增加、液化天然气(LNG)产业链的快速发展，LNG接收站将会急剧增加，海上浮式LNG也随之快速兴起。作为LNG产业链上一个非常重要的设备，传统的换热器在设备体积、重量、换热效率、设备稳定性等方面都无法满足浮式LNG海上的使用要求。

由英国Heatric公司开发的印刷电路板式换热器(PCHE)是一种新型高效微通道换热器。PCHE采用光化学刻蚀的方法在板片上制备直径为0.5～2 mm的通道，并将大量板片通过扩散焊工艺焊接形成换热芯体，具有体积小、换热效率高的特点，并可承受高温、高压的工作环境，可承受的最大压力超过60 MPa。在相同的热载荷条件下，PCHE的体积约为传统管壳式换热器的1/5[1]。

PCHE具有较高的换热效率和承受高温高压的能力，并且具有极高的安全性和稳定性，不受液体晃动的影响，是浮式LNG换热器的首选。目前公开发表的PCHE研究还较少，有学者分别从试验和仿真分析的角度进行PCHE的基础研究。Meter[2]对以超临界CO2和水作为介质的PCHE在液态金属冷却反应堆中的应用展开试验研究，分析了CO2超临界点附近的流体热物理性质的变化对换热过程的影响。 Kim等[3]利用氦气试验回路对PCHE进行了试验研究，根据换热器冷热两侧的出入口参数，总结了Fanning因子关联式和Nusselt数关联式。Li等[4]和Tsuzuki等[5]采用计算流体力学(CFD)的方法，分别对翼形翅片和S形翅片的PCHE进行了研究，分析了流道形状对传热和压降的影响。Ravindran等[6]采用RELAP5软件对以氦气为工质的PCHE应用于下一代核电站进行了模拟，研究了失水事故下PCHE的换热特性。但是将PCHE应用于浮式LNG的文献还较少，特别是针对LNG应用中的低温环境和LNG超临界甲烷气体的传热特性的研究还不充分，需要开展更多理论和试验研究。

为评估和验证PCHE用于LNG浮式储存和再气化装置(FSRU)再气化模块主换热器的换热性能，本文设计并制造了换热器的缩比样机，搭建了LNG气化器换热试验平台，并在此基础上开展了LNG气化器换热性能试验研究。

1 试验系统

1.1 LNG气化器缩比样机

实际工程应用中LNG气化器处理量从每小时几十吨到每小时几百吨不等。考虑到现有试验条件，本试验中采用LNG气化器的缩比样机进行试验，缩比样机设计处理量为2.34 t/h，其换热功率为400 kW。

本文研究的PCHE是作为LNG-FSRU再气化模块的主换热器，换热介质为超临界状态的LNG和气态丙烷，其目的是将低温的LNG气化后经过调温外输到用户端。根据LNG气化器处理量要求进行初步设计计算，并综合考虑缩比样机加工制造的条件，确定LNG气化器缩比样机的流道形式和结构尺寸。图1所示为LNG气化器的换热板片实物，板片材料为316L，采用光化学刻蚀的方法在厚度为1.6 mm的板片上制备出直径为1.8 mm的半圆形Z型流道，其中丙烷侧板片为单流程布置，流道数为223，LNG侧板片为5流程布置，流道数为46。LNG和丙烷两侧板片数分别为10和11，两者交错叠放，采用真空扩散焊工艺进行焊接。图2为扩散焊工艺焊接的换热芯体和装配完毕的缩比样机实物。

图1 LNG气化器换热板片Fig.1 Heat exchanger plates of LNG vaporizer

图2 LNG气化器缩比样机Fig.2 Scaled model of LNG vaporizer

1.2 试验系统

印刷电路板式LNG气化器试验系统由三个回路组成，分别为LNG回路、丙烷回路和水回路。图3所示为试验系统图。

LNG由LNG储罐供应，采用向储罐内注入增压气体氢气的方法调节压力和流量。LNG回路由LNG启闭阀控制回路开合，通过过滤器滤除液态介质中颗粒度大于40 μm的杂质后进入LNG气化器进行加热气化，最终以超临界气体状态离开气化器。考虑到LNG较空气轻，对LNG尾气进行排空处理。在LNG气化器进出口处分别布置温度和压力传感器，测量进出口LNG的状态。

丙烷回路气源由丙烷槽车直接提供，需首先通过丙烷气化器与热水换热进行预加热处理，再进入过滤器滤除颗粒度大于15 μm的杂质，经由流量控制阀和质量流量计，进入LNG气化器内与LNG进行换热，排出的丙烷为液态。考虑到排放安全问题，液态丙烷加热变成气态后进行燃烧处理。

水回路系统主要包括10 m3水箱、水启闭阀、水泵、流量控制阀、丙烷气化器、1 m3水箱、管路等，主要的作用是在丙烷进入LNG气化器之前将其加热气化，并将经LNG气化器发生冷凝放热的液态丙烷再气化，以便进行明火放空处理。

图3 PCHE型LNG气化器试验系统图Fig.3 Test loop of PCHE LNG vaporizer

1.3 试验步骤

为保证试验顺利进行，试验按照如下步骤进行：

(1)对LNG气化器进行气密性检测和压力测试，对所有管路进行气密性检测；

(2)开启水路，调整水流量；

(3)开启丙烷路并调节流量至额定值附近，确保丙烷出口顺利点火，如丙烷压力不足，则启动丙烷泵；

(4)开启LNG路，调整LNG流量至额定流量；

(5)监控LNG出口温度，调整丙烷流量使得LNG出口温度达到设计要求；

(6)调整LNG流量，并调节丙烷流量获得多组工况；

(7)试验结束，关闭LNG启闭阀，然后关闭丙烷路和水路，吹除排空丙烷路，卸压并排放LNG贮箱。

2 试验分析

2.1 试验数据处理

采用如上所述试验系统，调整LNG和丙烷侧入口压力、流量等参数，获得不同试验工况。试验过程中分别测量LNG和丙烷侧进出口的压力和温度。图4为试验中某一工况采集的数据。

图4 试验测量LNG气化器工作曲线Fig.4 Experimental results of LNG vaporizer

定义换热量误差Qerr=2|Qm-Qp|/(Qm+Qp)，Qm和Qp分别为甲烷侧和丙烷侧的换热量，Qerr<5.0%的数据为有效数据。通过整理，获有效试验数据如表1所示。

根据上述结果，获得不同工况下的换热量和总换热系数，其中工况1的LNG气化处理量和换热量指标均达到了设计要求。

表1 试验数据计算分析Table 1 Analysis of experimental results

2.2 数据分析

由于LNG气化要求LNG在气化器出口温度高于243 K(LNG气化器工艺流程中设定气化段出口温度为-30 ℃，经过过热段加热后再外输给用户)，而如表1所示的工况LNG出口温度均远高于处理要求，运行工况存在较大余量，换热器的换热性能没有充分利用。在该样机实际运行时，可增加LNG的处理量，获得更高的总换热量。

丙烷发生冷凝相变时表面传热系数远高于单相对流时的表面传热系数，因此为提高换热器的总传热系数，需保证主要的换热过程发生在丙烷冷凝阶段。根据试验工况数据，丙烷在入口处均有较高的过热度，且丙烷入口处对应的换热过程温差较小，导致丙烷的气相冷却阶段需要较大的换热面积，从而降低了LNG气化器的整体传热系数。将丙烷入口过热度从工况2的30.4 K降低到工况1的13.5 K，总换热系数增加了14.2%，可见为了获得更高的总传热系数，需保证丙烷入口温度尽可能接近饱和温度。

3 结 语

本文研究印刷电路板式换热器用作LNG-FSRU再气化模块的主换热器，采用丙烷气体对LNG进行气化，研制了缩比样机并搭建LNG气化试验平台，对换热器性能展开了试验研究。经试验证明，印刷电路板式换热器可满足LNG气化工艺中低温、高压工作环境的使用要求；研制的LNG气化器缩比样机可以达到预计的处理量要求，并有一定余量；丙烷侧入口过热度对总传热系数有较大影响，为提高换热器工作效率，需保证LNG气化器主要的换热过程发生在丙烷冷凝阶段。由于试验具有一定的危险性，数据采集不够充分，将来考虑对试验台架进行改造并开展更多试验研究。

[1] Reay D.Compact heat exchangers:a review of current equipment and R&D in the field[J].Heat Recovery Systems & CHP,1994,14:459.

[2] Meter J V.Experimental investigation of a printed circuit heat exchanger using supercritical carbon dioxide and water as heat transfer media[D].Manhattan:Kansas State University,2006.

[3] Kim I H,No H C,Lee J I,et al.Thermal hydraulic performance analysis of the printed circuit heat exchanger using a helium test facility and CFD simulation[J].Nuclear Engineering and Design,2009,239:2399.

[4] Li L,Ma T,Xu X,et al.Study on heat transfer and pressure drop performances of airfoil-shaped printed circuit heat exchanger[J].Chemical Engineering Transactions,2014,39:895.

[5] Tsuzuki N,Kato Y,Ishiduka T.High performance printed circuit heat exchanger[J].Applied Thermal Engineering,2007,27:1702.

[6] Ravindran P,Sabharwall P,Anderson N A.Modeling a printed circuit heat exchanger with RELAP5-3D for the next generation nuclear plant[R].Idaho National Laboratory,2010.

ExperimentalInvestigationofPrintedCircuitHeatExchangerasLNGVaporizer

WU Wei-wu1，2,WANG Dong-bao1，2,ZHAO Li-ming1,YUAN Zhen-qin1

(1.ShanghaiRichtechEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200233,China;2.ShanghaiEngineeringResearchCenterofOffshoreOil&GasProductionPlatformDesign，Shanghai200233,China)

As a newly developed micro-channel heat exchanger,printed circuit heat exchanger (PCHE) has wide application prospects in offshore liquefied natural gas (LNG) production and floating LNG receiving terminals with compact dimensions,low weight,and high heat transfer efficiency.For the application of PCHE as main heat exchanger for LNG floating storage and regasification unit (FSRU),a scaled model of LNG vaporizer is produced and an experimental facility is built to measure the thermal performance of the heat exchanger.

printed circuit heat exchanger; liquefied natural gas vaporization; heat exchanger; heat transfer test

2016-02-01

上海市徐汇区现代服务业专项资金项目“高效微孔式换热器研制”

吴维武(1980—)，男，博士，主要从事海洋油气装备的设计及产品与技术开发。

TE8

A

2095-7297(2016)01-0020-05