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2　LNG液化工厂的主低温换热器(MCHE)

    2.1　概述

    在天然气工厂中,制冷工段是能量消耗最集中的地方。制冷工段操作的灵活性和有效性直接影响到整个液化工厂的效率。主低温换热器(简称MCHE)是制冷工段的核心,也是整个LNG液化工厂最重要的换热设备。MCHE的作用是将天然气冷却液化到-162℃,它的技术进步将对整个LNG液化工艺过程和装置的操作成本产生极大的影响。　　

    目前全世界能够完成大型LNG装置(一般指LNG液化能力在300×104t/a以上)工程设计的商家主要有APCI、Shell、ConocoPhillips、Statoil、Linde和Axens。其中APCI是最具实力的LNG液化工艺商,其主打工艺是丙烷预冷、混合冷剂液化和氮气膨胀过冷的LNG液化工艺流程,在主低温换热器的选择上,均采用了多股流缠绕管式换热器。而Statoil andLinde根据液化能力和液化工艺流程的不同,在小型LNG装置中采用基本单一混合冷剂流程,选择了铝制钎焊板翅式换热器;在中型LNG装置采用改进型混合冷剂流程,天然气在同一多股流缠绕管式换热器内完成预冷、液化和过冷,不同压力、温度的制冷剂分离器为各段天然气的降温提供冷媒(典型装置为中国新疆广汇公司的LNG工厂,43×104t/a,2004年投产);在大型LNG装置中采用了混合制冷剂梯级循环流程,采用了3种不同混合制冷剂的循环压缩机,每一个循环对应天然气降温过程的不同温度阶段,选择了铝制钎焊板翅式换热器作为预冷段换热器,选择多股流缠绕管式换热器作为液化段和过冷段的主低温换热器。

    2.2　板翅式换热器

    板翅式换热器是一种紧凑式换热器,空分和LNG液化领域使用的都是铝制板翅式换热器,其特点是可以实现多股流换热,且对冷热物流的股数并不需要严格限制。德国林德公司在其基本单一LNG流程(天然气液化能力小于20×104t/a)中采用了板翅式换热器,流程示意图见图2,安装在冷箱内的板翅式换热器通过两级单一混合制冷剂循环将天然气直接冷却到LNG温度(典型装置为挪威Kollsnes LNG工厂,4×104t/a,2003年投产)。其中分离器顶部的气相混合冷剂冷却后节流进入换热器提供过冷温度,分离器底部的液相混合冷剂冷却后节流进入换热器提供预冷和液化温度。美国燃气工艺研究院在其小型LNG液化单元中也采用了铝制板翅式换热器作为低温换热器。全世界采用铝制板翅换热器作为大型LNG液化工厂主低温换热器的较少,美国康菲石油公司(澳大利亚Darwin LNG工厂,液化能力为324×104t/a)采用3种冷剂的梯级循环,干燥的天然气通过和不同循环温度级对应的板翅式换热器最终得到液化。

铝制板翅式换热器的缺点也很突出:钎焊炉的容积限制了大型化液化作业、两相流动分配技术造成流体分布不均匀、连接管道多造成应力复杂、泄漏点多。这也是目前全世界的大型LNG工厂很少采用其作为MCHE的主要原因。

    板翅式换热器的关键技术表现在以下几个方面:

    1)结构:研究高承压能力翅片,可以提高整个铝制板翅式换热器的结构承载能力。提高翅片密度,既加大了承压能力,又增大了单位体积的换热面积;对气液两相分配结构的优化技术,可实现大流量下流体的均匀分布;由于多个板翅式换热器组合在冷箱内,因此多单元并联的配管优化、整体冷箱结构的配置、冷箱结构的安全性分析等都是设计的重点环节。

    2)材料:压力容器用薄铝板材和管材相对于钢材的质量不够稳定,因此一定要控制好铝制板翅式换热器的原材料质量。针对不同的合金铝材选择钎焊材料,优化钎焊工艺是整个结构安全性的首要保证。

    3)传热与流体流动:改善板翅式换热器表面的几何形状,强化翅片传热能力,降低翅片流动阻力是各个领域板翅式换热器的研究课题[10-11],在LNG领域也不例外;更令人关注的是如何实现大流量下、尤其是两相流动状态下流体的均匀分布。因此流道布置与流体分布的均匀性措施研究十分重要;板翅式换热器加工精度对传热性能影响较大;由于板翅式换热器的流道长度受限制,冷热端存在较大的温度梯度,轴向导热增加了不可逆损失,降低了换热器的热效率,在传热设计中应予考虑;此外还应关注板翅式换热器的安装位置对传热与流动的影响。