大型LNG换热器结构设计及换热性能模拟

李秋英 陈 杰 尹全森

中海石油气电集团有限责任公司

天然气及其凝液的利用

大型LNG换热器结构设计及换热性能模拟

李秋英 陈 杰 尹全森

中海石油气电集团有限责任公司

板翅式换热器目前广泛应用于中小型天然气液化工厂，当其应用于大型天然气液化领域时，由于需要多个冷箱及板翅式换热器并联进行作业，由此带来的流体均布问题较难解决，进而导致换热性能显著下降，这一因素制约了板翅式换热器的大型化应用进程。对现有板翅式换热器结构进行了优化设计，开发出一种新型板翅式换热器换热结构，并对其换热性能进行模拟计算，结果表明，新型板翅式换热器在天然气处理规模较大时，具有较好的换热性能，该研究结果可为大型板翅式换热器结构设计提供参考。

板翅式换热器 大型天然气液化 均布性能 换热性能

天然气液化过程中采用的关键设备之一是换热器[1]。铝制板翅式换热器[2]结构紧凑轻巧，传热效率高，适应性强，可同时进行多种介质换热，且具有良好的低温性能，目前已规模化应用于中小型天然气液化工厂[3-4]。

板翅式换热器芯体结构如图1所示，运行过程中，天然气和热流冷剂(A和C)从换热器芯体上部自上而下流动，而冷流冷剂(B和D)从换热器芯体底部自下而上返流为天然气和热流冷剂提供冷量[5-6]。由于冷流冷剂为两相流体，流动过程中存在气液两相夹带不均匀现象，严重影响流道内各种介质间的换热，而且工况改变时容易导致气相难以夹带液相，从而使换热器底部积液，影响设备正常运行[7-8]。当应用于大型天然气液化工厂时，由于需要多个冷箱及换热器并联，流体在冷箱并联管路、换热器芯体封头以及内置的注液封条处的均布性能下降，而且上述关键部位的流体均布性能逐级影响，致使整个板翅式换热器内流体的均布性能严重下降。所以在大型天然气液化领域，板翅式换热器的竞争优势不明显。

为提升板翅式换热器在大型天然气液化领域的竞争力，需要对板翅式换热器结构进行优化设计，在处理规模增大时，该结构仍能保持较高的换热器效率。

1 换热器结构优化设计

目前使用的板翅式换热器芯体结构见图1。无论是天然气和热流冷剂还是冷流冷剂，都被封闭于换热器芯体内部。当天然气处理规模增大时，该结构对于天然气和热流冷剂的流体均布性能影响相对较小；但对于冷流冷剂，由于其流动过程中处于气、液两相状态，上述工况条件对流体均布性能影响较大。

为使该类型换热器更加经济有效地服务于大型天然气液化领域，对现有板翅式换热器结构进行了优化设计，优化后的板翅式换热器芯体结构如图2所示，自上而下流动的介质A和C代表天然气和热流冷剂，B代表冷流冷剂，其浸泡于整个板翅式换热器芯体及冷剂流道内，与介质A和B换热。冷剂盛装于外部壳体，壳体内板翅式换热器芯体浸泡个数可根据液化规模进行设置，可应用于大型天然气液化领域。壳体上部开有冷剂入口，直接通过上游管道向壳体内充装冷剂，确保每个换热器芯体内冷剂液面相同。该结构的俯视图如图3所示。天然气和热流冷剂的流动方式与现有结构相同，自上而下流经封闭的板翅式换热器芯体，而优化的结构减少了冷流冷剂的上、下封头结构，采用将冷流冷剂浸泡于板翅式换热器流道内的设计理念，冷流冷剂采用单一组分的烃类，随着天然气温度降低，采用不同低沸点的冷剂对天然气和热流冷剂进行冷却，直至天然气最终液化。该结构有效避免了现有板翅式换热器结构在天然气处理规模增大导致的流体分布不均匀现象。

2 模型建立

对板翅式换热器芯体内部介质换热性能进行模拟计算，需对板翅式换热器流道建立模型。图4为板翅式换热器流道的换热器单元模型，该单元模型尺寸为宽1.6 mm、高6.3 mm、长200 mm。换热单元模型借助ANSYS ICEM CFD进行非结构化网格划分(如图5所示)，网格数量为30万。

本文计算天然气与外部冷剂间的换热，外部冷剂介质为丙烷，天然气组分、天然气物性参数及丙烷的物性参数分别见表1、表2和表3。

表1 天然气组分Table1 Naturalgascomposition组分C1C2C3i-C4i-C5N2摩尔分数0.920.050.010.0050.0050.01

表2 天然气物性参数Table2 Naturalgasphysicalparameters物性参数入口温度/K入口压力/MPa密度/(kg·m-3)比热/(kJ·(kg·℃)-1)导热系数/(W·(m·K)-1)动力黏度/(kg·(m·s)-1)数值2883.831.192.4370.03461.182×10-5

表3 丙烷物性参数Table3 Propanephysicalparameters物性参数温度/K压力/MPa密度/(kg·m-3)比热/(kJ·(kg·℃)-1)导热系数/(W·(m·K)-1)动力黏度/(kg·(m·s)-1数值250.90.227557.42.3320.12221.598×10-5

3 模拟结果及分析

根据所建立的换热单元模型、介质物性参数，借助ANSYS FLUENT软件对板翅式换热器换热性能进行模拟。板翅式换热器芯体单元浸泡于外部冷剂，而外部冷剂绝大部分以液相状态盛装于外部壳体，换热过程中下部冷剂发生相变部分较少，而在上部由于冷剂与天然气温差较大，发生相变的部分较大，且在晃动工况条件下，只有最上部液面存在轻微波动，对中下部液面没有影响，对中下部流体均布和换热效果影响都比较小，因此，研究最上部换热器内部介质与外部冷剂间的换热效果意义最大。本研究过程中，天然气的处理规模为200×104t/a，以壳体内浸泡的4个换热器芯体为例进行计算，实际生产过程中多个相同壳体并联进行作业。

3.1 天然气侧

天然气侧的壁面温度分布如图6所示，壁面压力分布如图7所示。由图6和图7可以看出，天然气由入口到出口的流动过程中，温度和压力均匀下降。这是因为天然气由上而下流动，流动过程中逐步被丙烷冷剂冷却，所以温度逐渐下降，而流动过程中具有沿程损失，压力也逐渐降低。

3.2 冷剂侧

丙烷冷剂几乎以全部液相浸泡在板翅式换热器芯体外部，用于冷却换热器内部流道的介质，在与换热器内部热流介质换热过程中，丙烷吸热，换热30 s时丙烷侧壁面温度变化如图8所示。由图8可知，丙烷的温度几乎没有发生变化，这是因为丙烷在浸泡于板翅式换热器芯体外部时基本处于饱和状态，在与换热器芯体内部天然气介质换热过程中，丙烷虽然吸热，但所吸收热量基本是潜热，在丙烷完全变成干饱和蒸汽之前，丙烷的温度不会发生变化。

图9为换热初始时刻丙烷的相变情况。由图9可以看出，换热单元底部没有发生相变，中上部发生相变，但相变部分气相所占比例非常少。图10给出了换热30 s时丙烷的相变情况。由图10可以看出，丙烷侧的底部依然没有发生相变，不过中上部丙烷介质相变逐渐明显，在换热单元的最上部，丙烷中的气相体积分数已接近10%，平均气相分数为5.3%。出现该现象的原因是随着换热的进行，中上部与天然气换热量逐渐增加，丙烷吸热逐渐发生相变，部分液相介质转化为气相。

4 结 论

目前中小型天然气液化工厂普遍采用常规板翅式换热器，但是当天然气处理规模变大时，该类型板翅式换热器内换热介质均布性较差，这一关键技术至今尚未妥善解决。为提高板翅式换热器在大型天然气以及海上天然气液化领域的竞争力，本研究对常规的板翅式换热器结构进行了优化，开发出一种新型板翅式换热器换热结构，并对其换热器性能进行了模拟计算。结果显示，在壳体内浸泡4个板翅式换热器芯体的情况下，板翅式换热器流道内冷流介质与热流介质换热性能稳定，说明所优化的板翅式换热器结构在大型天然气液化领域具有较好的应用潜力。

[1] 王坤， 徐风雨. 小型MRC天然气液化装置中板翅式换热器动态特性仿真研究[J]. 低温工程， 2007， 3： 45-46.

[2] 王燕平， 徐建忠， 毛央平, 等. 板翅式换热器的发展现状及趋势[J]. 杭氧科技， 2012， 2014(4)： 6-8.

[3] 钟雪雪， 刘顺波， 舒明均, 等. 板翅式换热器的研究进展[J]. 洁净与空调技术， 2013(4)： 55-56.

[4] 刘刚， 李言军， 蔡莲莲, 等. 铝制板翅式换热器真空钎焊技术的发展[J]. 科技经济市场, 2015(7)： 21-22

[5] 阎振贵. 板翅式换热器的两相流气液均布装置: 03270081.4[P]. 2004-10-13.

[6] 苟文广. 板翅式换热器液体均布装置： 201120223194.3[P]. 2012-03-14.

[7] 花亦怀. MRC液化工艺冷剂J-T阀失效原因及解决方案分析[J]. 上海煤气， 2010(4)： 6-8.

[8] 王伟平. 大型冷箱内换热器极其配管系统的流体均配与传热优化研究[D]. 杭州： 浙江大学， 2014.

Structure design and heat transfer performance simulation for heat exchanger in large scale LNG plant

Li Qiuying， Chen Jie, Yin Quansen

CNOOCGasandPowerGroup,Beijing,China

Plate fin heat exchanger has been widely used in medium and small sized LNG plant. However, in large scale LNG plant, the fluid uniform problems are difficult to be resolved for the plate fin heat exchanger because multiples of cold boxes are uesd and plat pin heat exchangers are connected in parallel which results in significant degradation of heat transfer performance. The fluid uniform problems are the key restriction factors of application process for plate fin heat exchanger in large scale LNG plant. In this paper, a new type of heat transfer structure is developed by means of optimization design for existing plate fin heat exchanger. The heat performance is simulated and the results reveal that the new type heat exchangers maintain good heat performance with the natural gas treated in large scale. The study results can provide a reference for the structure design in large scale LNG plant.

plate fin heat exchanger, large scale natural gas liquefaction, uniform performance, heat transfer performance

国家高技术研究发展计划(863计划)“海上天然气液化存储关键技术研究”(2013AA09A216)。

李秋英(1980-)，女，工程师，博士。E-mail:liqy18@cnooc.com.cn

TE965

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.01.007

2016-06-29；编辑：康 莉