2　LNG液化工廠的主低溫換熱器(MCHE)

    2.1　概述

    在天然氣工廠中,制冷工段是能量消耗最集中的地方。制冷工段操作的靈活性和有效性直接影響到整個液化工廠的效率。主低溫換熱器(簡稱MCHE)是制冷工段的核心,也是整個LNG液化工廠最重要的換熱設備。MCHE的作用是將天然氣冷卻液化到-162℃,它的技術進步將對整個LNG液化工藝過程和裝置的操作成本產生極大的影響。　　

    目前全世界能夠完成大型LNG裝置(一般指LNG液化能力在300×104t/a以上)工程設計的商家主要有APCI、Shell、ConocoPhillips、Statoil、Linde和Axens。其中APCI是最具實力的LNG液化工藝商,其主打工藝是丙烷預冷、混合冷劑液化和氮氣膨脹過冷的LNG液化工藝流程,在主低溫換熱器的選擇上,均采用了多股流纏繞管式換熱器。而Statoil andLinde根據液化能力和液化工藝流程的不同,在小型LNG裝置中采用基本單一混合冷劑流程,選擇了鋁制釬焊板翅式換熱器;在中型LNG裝置采用改進型混合冷劑流程,天然氣在同一多股流纏繞管式換熱器內完成預冷、液化和過冷,不同壓力、溫度的制冷劑分離器為各段天然氣的降溫提供冷媒(典型裝置為中國新疆廣匯公司的LNG工廠,43×104t/a,2004年投產);在大型LNG裝置中采用了混合制冷劑梯級循環流程,采用了3種不同混合制冷劑的循環壓縮機,每一個循環對應天然氣降溫過程的不同溫度階段,選擇了鋁制釬焊板翅式換熱器作為預冷段換熱器,選擇多股流纏繞管式換熱器作為液化段和過冷段的主低溫換熱器。

    2.2　板翅式換熱器

    板翅式換熱器是一種緊湊式換熱器,空分和LNG液化領域使用的都是鋁制板翅式換熱器,其特點是可以實現多股流換熱,且對冷熱物流的股數并不需要嚴格限制。德國林德公司在其基本單一LNG流程(天然氣液化能力小于20×104t/a)中采用了板翅式換熱器,流程示意圖見圖2,安裝在冷箱內的板翅式換熱器通過兩級單一混合制冷劑循環將天然氣直接冷卻到LNG溫度(典型裝置為挪威Kollsnes LNG工廠,4×104t/a,2003年投產)。其中分離器頂部的氣相混合冷劑冷卻后節流進入換熱器提供過冷溫度,分離器底部的液相混合冷劑冷卻后節流進入換熱器提供預冷和液化溫度。美國燃氣工藝研究院在其小型LNG液化單元中也采用了鋁制板翅式換熱器作為低溫換熱器。全世界采用鋁制板翅換熱器作為大型LNG液化工廠主低溫換熱器的較少,美國康菲石油公司(澳大利亞Darwin LNG工廠,液化能力為324×104t/a)采用3種冷劑的梯級循環,干燥的天然氣通過和不同循環溫度級對應的板翅式換熱器最終得到液化。

鋁制板翅式換熱器的缺點也很突出:釬焊爐的容積限制了大型化液化作業、兩相流動分配技術造成流體分布不均勻、連接管道多造成應力復雜、泄漏點多。這也是目前全世界的大型LNG工廠很少采用其作為MCHE的主要原因。

    板翅式換熱器的關鍵技術表現在以下幾個方面:

    1)結構:研究高承壓能力翅片,可以提高整個鋁制板翅式換熱器的結構承載能力。提高翅片密度,既加大了承壓能力,又增大了單位體積的換熱面積;對氣液兩相分配結構的優化技術,可實現大流量下流體的均勻分布;由于多個板翅式換熱器組合在冷箱內,因此多單元并聯的配管優化、整體冷箱結構的配置、冷箱結構的安全性分析等都是設計的重點環節。

    2)材料:壓力容器用薄鋁板材和管材相對于鋼材的質量不夠穩定,因此一定要控制好鋁制板翅式換熱器的原材料質量。針對不同的合金鋁材選擇釬焊材料,優化釬焊工藝是整個結構安全性的首要保證。

    3)傳熱與流體流動:改善板翅式換熱器表面的幾何形狀,強化翅片傳熱能力,降低翅片流動阻力是各個領域板翅式換熱器的研究課題[10-11],在LNG領域也不例外;更令人關注的是如何實現大流量下、尤其是兩相流動狀態下流體的均勻分布。因此流道布置與流體分布的均勻性措施研究十分重要;板翅式換熱器加工精度對傳熱性能影響較大;由于板翅式換熱器的流道長度受限制,冷熱端存在較大的溫度梯度,軸向導熱增加了不可逆損失,降低了換熱器的熱效率,在傳熱設計中應予考慮;此外還應關注板翅式換熱器的安裝位置對傳熱與流動的影響。