lng车用瓶零部件成套装置换热器关键技术分析（一）

摘要：换热器是LNG成套装置的关键部件,汽化器和主低温换热器在LNG接收站和液化装置中扮演了重要的角色。为此,从结构、材料、传热与流动3个方面分析了开架式汽化器、带有中间介质的汽化器以及缠绕管式换热器3种典型的汽化器的关键技术,并结合工艺流程分析了缠绕管式换热器、板翅式换热器作为LNG液化装置主低温换热器的特点,最后对大型LNG成套装置中汽化器和主低温换热器实现国产化提出了如下建议:①加强基础研究;②立足全国的技术能力,对汽化器和MCHE的材料进行拓展研究,对其承压特性、表面特性、加工特性进行深入研究;③全面提高汽化器和MCHE的制造工艺技术及大型化生产能力;公正、客观、科学地选择与接收站以及液化工厂相适应的换热器;④对进口换热器的实际运行进行全面跟踪,开展基于风险与寿命的LNG成套装置换热器设计与制造的研究工作。

    在LNG接收站和LNG液化工厂,汽化器和主低温换热器是关系到整个工艺流程实现的重要过程设备,同时lng车用瓶零部件也是影响整个装置能耗的关键设备。为此,将从结构、材料、传热与流动3个方面针对LNG接收站汽化器和天然气液化工厂的主低温换热器的关键技术进行分析。

    1　LNG接收站换热器

    1.1　主要汽化器种类

    LNG接收站的汽化处理量很大,采用空温式汽化器和强制通风式汽化器[1]都需要很多模块,占地面积大,效率低,因此目前主要选择液体加热型汽化器,而液体加热型汽化器的热源因地制宜地选择了海水。

    液体加热型汽化器主要包括开架式汽化器(含ORV和超级ORV)、浸没燃烧型汽化器(SCV)、带有中间传热介质的汽化器(IFV)和缠绕管式汽化器(SWV)[2]。其中浸没燃烧型汽化器在其他国家主要用于调峰,不作为基本负荷下的汽化器,而在美国,考虑到向海里排放冷水会影响海洋生命,因此美国主要采用浸没燃烧型汽化器作为基本负荷下的汽化器[3]。浸没燃烧型汽化器的特点是反应迅速[4-6],但因其直接消耗燃料,本文不将其列为讨论对象。

    1.2　开架式汽化器

    开架式汽化器是以海水为热源的汽化器,是用于基本负荷型的大型汽化装置,最大天然气流量为180t/h。汽化器可在0~100%的负荷范围内安全运行,可以根据需求的变化遥控调整汽化量。

    整个汽化器用铝合金支架固定安装。汽化器的基本单元是传热管,由若干传热管组成板状排列,两端由集气管或集液管焊接形成一个板型管束,再由若干个板型管束组成汽化器。汽化器顶部有海水喷淋装置,海水喷淋在板型管束外表面上,依靠重力的作用自上而下流动。LNG在管内向上流动,海水将热量传递给LNG,使其加热并汽化。我国深圳大鹏LNG接收站采用的就是开架式汽化器。

    开架式换热器的关键技术主要表现在:

    1)结构和传热与流动工艺的结合:如何保证大流量的海水均匀地分配到每个板型管束的每根换热管上,因此巧妙的喷淋结构设计显得尤为重要。

    2)尽量减少ORV运行时在板型管束的下部尤其是集液管外表面的结冰。水膜下降时具有较高的换热系数,但是由于冰层的导热系数大约是铝合金管材导热系数的1/40,因此也会使汽化器的传热性能下降。Osaka Gas和Kobel Steel联合研发采用了双层结构的传热管,有效地改善了结冰的状况(这种开架式汽化器被称作SuperORV)。LNG从底部的分配器先进入内管,然后进入内外管之间的环状间隙[7]。间隙内的LNG直接被海水加热并立即汽化,内管内流动的LNG是通过间隙内已经汽化的天然气气体来加热,使汽化逐渐进行。间隙虽然不大,但能提高传热管的外表面温度,因而能抑制传热管的外表结冰,保持所有的传热面积都是有效的,因此提高了海水和LNG之间的传热效率。

    3)材料和传热研究的结合:由于传热管内侧LNG蒸发时的换热系数相对较低,SuperORV设计时采用了一些强化措施,传热管分为汽化区和加热区,采用管内肋片来增加换热面积和改变流道的形状,增加流体在流动过程的扰动。所有与天然气接触的组件都用铝合金制造,可承受很低的温度,所有与海水接触的平板表面镀以铝锌合金,防止锈蚀。　　

    和传统的ORV(Kobel Steel制造)相比,Super-ORV单根换热管的蒸发能力提高3倍左右,海水量减少15%,建造成本减少10%,安装所需空间减少40%。

    1.3　带有中间传热介质的汽化器(IFV)　　

    采用中间传热流体的方法可以改善结冰带来的影响。通常采用丙烷、异丁烷、氟利昂、氨等介质作为中间传热流体介质。IFV可分为3个部分:第1部分由海水(或其他热源流体)和中间传热流体进行换热;第2部分由中间传热流体和LNG进行换热;第3部分为天然气过热。这种汽化器远离了加热流体的冰点问题,适用于循环加热系统、海上浮动储存与汽化系统[8]和冷能发电系统。　　

    IFV换热器的关键技术主要表现在:　　

    1)结构:如何组合好中间流体和海水的换热部分以及与LNG的换热部分;中间流体与LNG的换热部分是否设计成可抽拉换热结构;海水对天然气的过热部分是否设计成独立结构等。　　

    2)材料:该换热器在选材上集中体现了安全性和经济型的和谐,要求既能承受海水腐蚀又能承受低温。与海水接触的换热管选择钛材;与LNG接触的换热管和管箱部分选择奥氏体不锈钢。管板可以选择复合钢板结构,与海水接触的管箱与变径筒体则既可以采用复合钢板结构,又可以采用衬里结构。　　

    3)传热与流体流动工艺:首先是选择中间传热介质,确定好中间传热流体的相变压力及其对应的温度;IFV对热源流体的适用温度范围较宽,因此可以最大限度地发挥潜热等热物理性质,选择匹配的中间传热介质;其次是选择并优化热源流体的串联流程;再次是改善IFV换热管的表面特性,实现强化传热。