摘要：換熱器是LNG成套裝置的關鍵部件,汽化器和主低溫換熱器在LNG接收站和液化裝置中扮演了重要的角色。為此,從結構、材料、傳熱與流動3個方面分析了開架式汽化器、帶有中間介質的汽化器以及纏繞管式換熱器3種典型的汽化器的關鍵技術,并結合工藝流程分析了纏繞管式換熱器、板翅式換熱器作為LNG液化裝置主低溫換熱器的特點,最后對大型LNG成套裝置中汽化器和主低溫換熱器實現國產化提出了如下建議:①加強基礎研究;②立足全國的技術能力,對汽化器和MCHE的材料進行拓展研究,對其承壓特性、表面特性、加工特性進行深入研究;③全面提高汽化器和MCHE的制造工藝技術及大型化生產能力;公正、客觀、科學地選擇與接收站以及液化工廠相適應的換熱器;④對進口換熱器的實際運行進行全面跟蹤,開展基于風險與壽命的LNG成套裝置換熱器設計與制造的研究工作。

    在LNG接收站和LNG液化工廠,汽化器和主低溫換熱器是關系到整個工藝流程實現的重要過程設備,同時lng車用瓶零部件也是影響整個裝置能耗的關鍵設備。為此,將從結構、材料、傳熱與流動3個方面針對LNG接收站汽化器和天然氣液化工廠的主低溫換熱器的關鍵技術進行分析。

    1　LNG接收站換熱器

    1.1　主要汽化器種類

    LNG接收站的汽化處理量很大,采用空溫式汽化器和強制通風式汽化器[1]都需要很多模塊,占地面積大,效率低,因此目前主要選擇液體加熱型汽化器,而液體加熱型汽化器的熱源因地制宜地選擇了海水。

    液體加熱型汽化器主要包括開架式汽化器(含ORV和超級ORV)、浸沒燃燒型汽化器(SCV)、帶有中間傳熱介質的汽化器(IFV)和纏繞管式汽化器(SWV)[2]。其中浸沒燃燒型汽化器在其他國家主要用于調峰,不作為基本負荷下的汽化器,而在美國,考慮到向海里排放冷水會影響海洋生命,因此美國主要采用浸沒燃燒型汽化器作為基本負荷下的汽化器[3]。浸沒燃燒型汽化器的特點是反應迅速[4-6],但因其直接消耗燃料,本文不將其列為討論對象。

    1.2　開架式汽化器

    開架式汽化器是以海水為熱源的汽化器,是用于基本負荷型的大型汽化裝置,最大天然氣流量為180t/h。汽化器可在0~100%的負荷范圍內安全運行,可以根據需求的變化遙控調整汽化量。

    整個汽化器用鋁合金支架固定安裝。汽化器的基本單元是傳熱管,由若干傳熱管組成板狀排列,兩端由集氣管或集液管焊接形成一個板型管束,再由若干個板型管束組成汽化器。汽化器頂部有海水噴淋裝置,海水噴淋在板型管束外表面上,依靠重力的作用自上而下流動。LNG在管內向上流動,海水將熱量傳遞給LNG,使其加熱并汽化。我國深圳大鵬LNG接收站采用的就是開架式汽化器。

    開架式換熱器的關鍵技術主要表現在:

    1)結構和傳熱與流動工藝的結合:如何保證大流量的海水均勻地分配到每個板型管束的每根換熱管上,因此巧妙的噴淋結構設計顯得尤為重要。

    2)盡量減少ORV運行時在板型管束的下部尤其是集液管外表面的結冰。水膜下降時具有較高的換熱系數,但是由于冰層的導熱系數大約是鋁合金管材導熱系數的1/40,因此也會使汽化器的傳熱性能下降。Osaka Gas和Kobel Steel聯合研發采用了雙層結構的傳熱管,有效地改善了結冰的狀況(這種開架式汽化器被稱作SuperORV)。LNG從底部的分配器先進入內管,然后進入內外管之間的環狀間隙[7]。間隙內的LNG直接被海水加熱并立即汽化,內管內流動的LNG是通過間隙內已經汽化的天然氣氣體來加熱,使汽化逐漸進行。間隙雖然不大,但能提高傳熱管的外表面溫度,因而能抑制傳熱管的外表結冰,保持所有的傳熱面積都是有效的,因此提高了海水和LNG之間的傳熱效率。

    3)材料和傳熱研究的結合:由于傳熱管內側LNG蒸發時的換熱系數相對較低,SuperORV設計時采用了一些強化措施,傳熱管分為汽化區和加熱區,采用管內肋片來增加換熱面積和改變流道的形狀,增加流體在流動過程的擾動。所有與天然氣接觸的組件都用鋁合金制造,可承受很低的溫度,所有與海水接觸的平板表面鍍以鋁鋅合金,防止銹蝕。　　

    和傳統的ORV(Kobel Steel制造)相比,Super-ORV單根換熱管的蒸發能力提高3倍左右,海水量減少15%,建造成本減少10%,安裝所需空間減少40%。

    1.3　帶有中間傳熱介質的汽化器(IFV)　　

    采用中間傳熱流體的方法可以改善結冰帶來的影響。通常采用丙烷、異丁烷、氟利昂、氨等介質作為中間傳熱流體介質。IFV可分為3個部分:第1部分由海水(或其他熱源流體)和中間傳熱流體進行換熱;第2部分由中間傳熱流體和LNG進行換熱;第3部分為天然氣過熱。這種汽化器遠離了加熱流體的冰點問題,適用于循環加熱系統、海上浮動儲存與汽化系統[8]和冷能發電系統。　　

    IFV換熱器的關鍵技術主要表現在:　　

    1)結構:如何組合好中間流體和海水的換熱部分以及與LNG的換熱部分;中間流體與LNG的換熱部分是否設計成可抽拉換熱結構;海水對天然氣的過熱部分是否設計成獨立結構等。　　

    2)材料:該換熱器在選材上集中體現了安全性和經濟型的和諧,要求既能承受海水腐蝕又能承受低溫。與海水接觸的換熱管選擇鈦材;與LNG接觸的換熱管和管箱部分選擇奧氏體不銹鋼。管板可以選擇復合鋼板結構,與海水接觸的管箱與變徑筒體則既可以采用復合鋼板結構,又可以采用襯里結構。　　

    3)傳熱與流體流動工藝:首先是選擇中間傳熱介質,確定好中間傳熱流體的相變壓力及其對應的溫度;IFV對熱源流體的適用溫度范圍較寬,因此可以最大限度地發揮潛熱等熱物理性質,選擇匹配的中間傳熱介質;其次是選擇并優化熱源流體的串聯流程;再次是改善IFV換熱管的表面特性,實現強化傳熱。