海水換熱器在大型LNG 工廠的應(yīng)用

楊文剛，陳杰，浦暉

（中海石油氣電集團技術(shù)研發(fā)中心，北京 100007）

0 引言

管殼式換熱器結(jié)構(gòu)簡單可靠，在高溫高壓等極端參數(shù)的工況下較其他換熱器更具優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于石油、化工、能源等領(lǐng)域。在大型天然氣液化工廠中，由于采用海水換熱比采用空氣換熱能獲得更低的冷卻溫度，且設(shè)備體積更小，使得在混合冷劑循環(huán)的冷凝器大多采用的是管殼式換熱器。然而，海水換熱器也存在著海水腐蝕等問題。本文就大型管殼式換熱器在大型LNG 工廠中的選用和應(yīng)用情況、混合制冷劑冷凝器的應(yīng)用情況以及流動傳熱機理方面的研究進展進行簡述。

1 海水的腐蝕及換熱器選材

1.1 海水的腐蝕

海水腐蝕具有以下幾個特點：

1）海水PH值通常為8.1～ 8.3；在正常情況下，表層海水被空氣飽和，溶解氧的濃度大體在5 ppm～10 ppm，這就決定了海水腐蝕屬于氧去極化的電化學(xué)腐蝕，而且腐蝕速度受氧的擴散速度控制；

2）海水中存在大量Cl-離子，會妨礙或破壞金屬的鈍化，所以很多金屬在海水中會遭受嚴重的腐蝕；

3）海水的高電導(dǎo)特性使海水中腐蝕電池作用范圍較大，不僅微電池而且宏觀電池的腐蝕都極易發(fā)生，所以海水中不僅發(fā)生全面腐蝕，而且易于發(fā)生各種形態(tài)的局部腐蝕。

在海洋環(huán)境中，最常見的腐蝕類型有全面腐蝕、電偶腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕以及空泡腐蝕等。

1.2 海水換熱器材質(zhì)的選用

由于海水的腐蝕性，所以對材料的耐腐蝕性能有一定的要求，常用的材質(zhì)用銅及其合金，鋁鎂合金和鈦材。

由于銅質(zhì)地較軟，銅及銅合金對海水腐蝕和沖蝕耐久性不是很好，在第一代基荷型液化工廠（阿爾及利亞、馬來西亞、印度尼西亞和阿聯(lián)酋）中海水管殼式換熱器普遍采用銅鋁合金和銅鎳合金，在5年～10年的使用時間內(nèi)出現(xiàn)過許多問題。

鋁鎂合金材料有時用于海水換熱器，如海水淡化設(shè)備，但鋁合金也會發(fā)生海水點蝕和沖蝕，不耐久，耐壓低不適合使用。

鈦材有優(yōu)異的抗海水腐蝕能力和良好的抗沖蝕能力，一般使用壽命在30年以上。維護費遠低于銅合金。目前鈦管換熱器是大型LNG工廠海水換熱器的首選。

2 海水換熱器在工藝流程中的應(yīng)用

在大型天然氣工廠中成熟的液化工藝按制冷方式可分為；膨脹制冷工藝，級聯(lián)式液化工藝，混合制冷劑液化工藝[1]。大型海水換熱器在工藝中可以用于天然氣的冷卻，制冷劑的冷卻和冷凝，不同位置應(yīng)用對LNG 工廠的液化效率有著不同的影響。

2.1 天然氣的冷卻

在大型天然氣工廠中，天然氣進入液化單元的壓力越高，越有利于液化率的提高。天然氣的增壓壓縮機級間冷卻采用海水換熱器，級間冷卻溫度對壓縮機本身有影響，壓縮機入口溫度越低，壓縮機效率越高，功耗越小。

對于進入液化工藝的天然氣進行冷卻，采用海水換熱器時，可以降低天然氣的溫度，使天然氣的液化所需的負荷降低，減少制冷壓縮機的負荷減小。

2.2 制冷劑的冷卻

在大型天然氣工廠中常用的有氮氣，甲烷，乙烷，丙烷等制冷劑，或這幾種制冷劑的混合物。在膨脹制冷工藝，級聯(lián)式液化工藝，制冷循環(huán)中采用單相介質(zhì)，制冷劑的冷卻為單相冷卻，海水換熱器用于壓縮機的級間和末級冷卻，冷卻溫度對主工藝沒有什么影響，但對壓縮機本身有影響，壓縮機入口溫度越低，壓縮機效率越高。

2.3 制冷劑的冷凝

在大型天然氣工廠混合制冷劑工藝中，常用有C3MR 液化工藝和DMR 液化工藝中，制冷循環(huán)的預(yù)冷循環(huán)中，海水換熱器用于制冷壓縮機的末級冷卻，制冷劑存在冷凝，冷凝溫度對主工藝流程和系統(tǒng)能耗影響較大[2]。例如，當(dāng)預(yù)冷冷劑的冷凝溫度由45℃降低到39℃時，裝置能耗降低了3%。這是因為介質(zhì)的冷凝溫度決定了壓縮機的出口壓力，當(dāng)冷凝溫度的降低時冷凝壓力降低，將大大減少壓縮機功耗。

3 海水換熱器的強化換熱結(jié)構(gòu)應(yīng)用

大型天然氣工廠多采用管殼式換熱器，由于制冷劑清潔，不易結(jié)垢，要求換熱壓降小，因此制冷劑走殼程，海水由于其腐蝕性，走管程。由于大型海水換熱的換熱負荷大，為了減小換熱器的尺寸和重量，一般采用強化換熱的結(jié)構(gòu)。

目前，對于強化管殼式換熱器的傳熱結(jié)構(gòu)主要圍繞如何強化殼程和管程兩個方面。管程的傳熱強化，主要包括兩個方面：一方面是新型高效換熱管的研制，如改變換熱管的形狀、改善表面性質(zhì)等方式造成粗糙表面或擴展表面，這主要是通過改變邊界層以強化傳熱；另一方面是采用在換熱管內(nèi)部插入一些物體以實現(xiàn)流體的擾流或者增加流體區(qū)域的有效導(dǎo)熱系數(shù)等方式，這主要是通過改變流體區(qū)域的流場或者溫度場分布以強化傳熱。殼程的傳熱強化主要是對支撐結(jié)構(gòu)進行改進，以改變流體的流動形態(tài)，從而使得換熱得到強化，如將弓形折流板換為螺旋折流板等。

3.1 高效換熱管

高效換熱管如螺紋管、波紋管、微肋管、交叉縮放管、針翅管等[3]。螺紋管也稱為整體低翅片管，HPT 公司、Wolvrine 公司和Wieland 公司的產(chǎn)品在化工、石化領(lǐng)域都有應(yīng)用，國外LNG工廠的設(shè)計中采用低翅片管。Technip 和Wieland 合作開發(fā)出新型核狀沸騰強化管(GEWA-PB)，在 Qatar 的C3/MR工藝液化工廠得到成功應(yīng)用。換熱管如圖1所示。

圖1 高效換熱管

鈦螺紋管在國內(nèi)的使用幾乎為空白，內(nèi)波外螺紋鈦管是國內(nèi)較為常用的一種雙面強化的高效換熱管，螺紋管的加工成型就比內(nèi)波外螺紋管難，主要在螺紋管的螺距比內(nèi)波外螺紋管的螺距小很多，內(nèi)波外螺紋管的螺距通常為6 mm，而螺紋管的螺距約0.98 mm，這就對設(shè)備的控制精度、模具的加工精度、鈦材特性以及對工藝參數(shù)的掌握要進一步提高，以保證鈦材螺紋管加工成型的質(zhì)量。

3.2 殼程支撐結(jié)構(gòu)

支撐結(jié)構(gòu)是管殼式換熱器的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)將直接影響換熱器殼程的流動和傳熱性能。流體在流經(jīng)不同的支撐結(jié)構(gòu)時，其流體流動形態(tài)和傳輸性能也不盡相同。國內(nèi)外的管束支撐結(jié)構(gòu)主要有三種類型（見圖2～圖4）：

1)橫流式支撐的弓形折流板，使殼程流體流動呈橫向流動狀態(tài)；

2)縱流式支撐，如折流桿等新型支撐，流體在流經(jīng)時呈縱向流動狀態(tài)；

3)螺旋流式支撐，如螺旋折流板，使殼程流體呈螺旋流動。

在大型天然氣工廠的海水換熱器中，用于冷卻的多采用弓形折流板，用于冷凝的海水換熱器多采用螺旋折流板。Hammerfest LNG 工廠基于整體冷凝機理設(shè)計的螺旋折流板換熱器在熱力性能上也不盡完美，同時，冷凝器還會因為誘導(dǎo)振動引起折流板處的管束破裂泄漏[4]。目前，國內(nèi)對混合冷劑的冷凝傳熱研究不足，缺少相應(yīng)設(shè)計軟件，在工程設(shè)計和應(yīng)用經(jīng)驗也非常缺乏。

圖2 弓形折流板管殼式換熱器示意圖

圖3 折流桿殼程支撐結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 螺旋折流板支撐結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

隨著技術(shù)的進步，大型海水管殼式換熱器在LNG 工廠中的應(yīng)用越來越廣泛。大型海水換熱器的應(yīng)用應(yīng)考慮海水的腐蝕性，在材料的選擇上應(yīng)考慮換熱器的可靠性和可維護性，選擇鈦材比較合適。海水管殼式換熱器在液化工藝流程中用于天然氣和混合制冷劑的冷卻及冷凝，對工藝流程液化效率有著重要影響，特別是制冷劑的冷凝換熱。

在大型天然氣LNG 工廠的多采用強化傳熱結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器，目前，國外多采用高效的低翅片管，用于冷凝的海水換熱器多采用螺旋折流板。國內(nèi)外對大型管殼式換熱器的研究還存在如下不足：

1)加強混合制冷劑的兩相流動傳熱機理研究；

2)需要進一步改進高效鈦管的制造工藝，開發(fā)和制造適合混合制冷劑換熱和冷凝的高效換熱鈦管；

3)進一步研究流動傳熱特性隨換熱器管程結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律性，指導(dǎo)殼程支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

上述不足之處將是今后大型LNG 工廠海水管殼式換熱器的研究重點。

[1]閻光燦,王曉霞.天然氣液化技術(shù)[J].天然氣與石油,2005,23(2):10-16,24.

[2]邰曉亮,陳杰,劉淼兒,等.基荷型天然氣液化工廠冷卻方式比選分析[J].煤氣與熱力,2012,32(10):46-50.

[3]錢頌文,朱冬生,李慶領(lǐng),等.管殼式換熱器強化傳熱技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[4]陳永東,周兵,程沛,等.LNG 工廠換熱技術(shù)的研究進展[J].天然氣工業(yè),2012,32(10):80-85.