纏繞管式換熱器在LNG工業(yè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

張家楷，高文忠，齊登宸，齊家業(yè)

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

將天然氣冷卻至-162 ℃并液化可獲得LNG[1]，經(jīng)過液化后的LNG由遠(yuǎn)洋運輸或者陸地傳輸至接收站，經(jīng)過再氣化后打入天然氣管網(wǎng)。中國LNG產(chǎn)業(yè)地位日益提高，目前國內(nèi)超過50座LNG工廠已建成并運營，在建、調(diào)試工廠超過60座。

主低溫?fù)Q熱器是LNG工廠的關(guān)鍵設(shè)備，它能夠?qū)σ验_發(fā)的天然氣進(jìn)行氣液轉(zhuǎn)換，其性能決定了氣化工廠LNG的生產(chǎn)能力[2]。目前常用的兩種主要低溫?fù)Q熱器是板翅式換熱器(PFHE)和螺旋纏繞式換熱器(SWHE)[3]。由于擴(kuò)大SWHE的尺寸比PFHE更容易，SWHE成為大型陸上LNG裝置的首選，也是針對高容量的FLNG平臺上主要低溫?fù)Q熱器的首選。纏繞管式SWHE因其多流能力強(qiáng)、緊湊度高、傳熱效率高、靈活性強(qiáng)、魯棒性好的特點[4]，被廣泛應(yīng)用于90%的陸上液化天然氣工廠和浮式生產(chǎn)儲油和卸油裝置(FPSO)[5]。

1 LNG纏繞管式換熱器技術(shù)

工藝條件的變化對SWHE結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響，通過合理布置管束分布及選定換熱管尺寸可調(diào)配液化段及過冷段的換熱量[6]，從而達(dá)到氣體充分液化的目的?？紤]到LNG液化工廠熱負(fù)荷均超過數(shù)十兆瓦以及低溫下運行，通常采用奧氏體不銹鋼及鋁合金作為換熱管材料，同時滿足其耐低溫及高換熱能力的材料特性[7]。SWHE廣泛應(yīng)用于LNG液化工藝，相比于其他形式的換熱器，優(yōu)勢十分明顯：管、殼程介質(zhì)以純逆流方式進(jìn)行傳熱，換熱器效率相對較高。其中每層繞管均程反向互相纏繞，管程內(nèi)介質(zhì)以螺旋方式流動，殼程介質(zhì)以逆流方式流經(jīng)換熱管外壁，即使在雷諾數(shù)較低的工況下，流動形態(tài)也為湍流。流體流動時受螺旋狀換熱管的引導(dǎo)使得流動方向不斷改變，邊界層厚度降低。此外，管外流體因殼程內(nèi)部流動通道變化、產(chǎn)生軸向渦流，使得邊界層分層，這提高了管、內(nèi)外的傳熱系數(shù)，有效提高了換熱器的熱交換能力[8]。

耐高溫高壓、多股流動性強(qiáng)、整體焊接不易泄露。當(dāng)一臺SWHE存在多種介質(zhì)共同傳熱時，由于其傳熱元件為螺旋形纏繞管，任意一根換熱管均程螺旋盤狀規(guī)則排列，相當(dāng)于換熱器內(nèi)部存在無數(shù)膨脹節(jié)，管頭溫差受力小，伸縮性強(qiáng)，換熱器可承受的不同介質(zhì)間壓差和溫差更大，這提高了生產(chǎn)單元的可操作性，保證設(shè)備的安全性。

易實現(xiàn)多流股、多相流、大流量、大溫差低溫?fù)Q熱過程，廣泛應(yīng)用于天然氣液化作業(yè)。SWHE管徑較小、流道較長，管層與軸向間隙約為1～2 mm和2～6 mm，介質(zhì)得以充分接觸換熱。由于該換熱器換熱系數(shù)高，可使得熱段溫差降低。高效換熱器的熱端溫差遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通管式換熱器的熱端溫差。

2 LNG纏繞管式換熱器應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

由于國外對LNG的利用較早，LNG液化工藝配套設(shè)備發(fā)展相對成熟。1898年，世界上第一臺SWHE由德國林德(Linde)公司制造，近5年內(nèi)持續(xù)生產(chǎn)多股流纏繞管式換熱器，并應(yīng)用于LNG工廠，其累計金屬重量達(dá)到3 120 t，所掌握的多股流纏繞管式換熱器的設(shè)計與制造技術(shù)處于壟斷地位[9]。在1977～2013年間，美國空氣產(chǎn)品化學(xué)工程(Air Products)公司加工制造了120套LNG裝置，其液化能力累計達(dá)到4.3×108t/a。

由于管的彎曲而產(chǎn)生的離心力引起的二次流動是螺旋管流動最顯著的特征。因此，在相同雷諾數(shù)下，螺旋管內(nèi)部流動的對流換熱系數(shù)要高于直管內(nèi)部流動的對流換熱系數(shù)。早期研究重點為螺旋線圈的傳熱特性，探究層流和湍流平均努塞爾數(shù)的相關(guān)關(guān)系式[10]。

Ho[11]建立了非混合和混合氣體流動條件下螺旋管換熱器熱工性能的理論模型。對螺旋管換熱器的室內(nèi)模型進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果表明該模型與出口冷、熱流體溫度和熱效率的預(yù)測值吻合度較高。

Neeraas等[12]建立了螺旋纏繞液化氣換熱器殼體側(cè)局部傳熱系數(shù)和摩擦壓降的測試裝置。以氮氣、甲烷、乙烷和甲烷/乙烷混合物為測試流體，進(jìn)行了221次氣體流動傳熱測量和80次氣體流動摩擦壓降測量，分析氣體流動、液膜流動和兩相剪切流動特性。

正戊烷是液化天然氣工藝中典型的混合制冷劑，具有與液化天然氣非常相似的物理性質(zhì)。為了預(yù)測實際運行中管道間液相流動特性，Austegard等[13]以正戊烷和甲醇為實驗液，分析液化氣換熱器中不同尺寸水平管間的流體降模特性。結(jié)果表明，當(dāng)采用不同物性的液體及密集管時，現(xiàn)有經(jīng)驗公式已不適用。

由于MHEX幾何復(fù)雜性，通常采用迭代方式選擇幾何參數(shù)。工藝規(guī)范要求進(jìn)行流程的優(yōu)化步驟，在設(shè)計完成后根據(jù)MHEX模型的預(yù)測對流程進(jìn)行重新優(yōu)化，重復(fù)這些步驟，直到滿足收斂條件。Tsay等[14-15]建立了一個擬瞬態(tài)SWHE模型，考慮了螺旋管的幾何參數(shù)和SWHE的流場特性，以同時滿足工藝流程及詳細(xì)設(shè)計的要求，并將其納入天然氣液化工藝流程表中。

Sharqawy[16]實驗研究了流動形態(tài)對SWHE傳熱性能的影響。實驗用螺旋纏繞管選用外徑6 mm的不銹鋼管，通過4個螺旋線圈集中串聯(lián)而成，縱向和橫向螺距均為12 mm。測試了軸向、徑向和軸向-徑向混合3種氣流配制流動情況。結(jié)果表明，軸向-徑向混合流型傳熱系數(shù)和壓降最高，其次是軸向和徑向混合流型。同時建立了不同流態(tài)下努塞爾數(shù)、科爾伯恩-j系數(shù)和摩擦系數(shù)的關(guān)聯(lián)式，并與管組換熱的努塞爾數(shù)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了比較。所得到的相關(guān)系數(shù)約為78%～98%，能夠與實驗數(shù)據(jù)吻合。

2.2 國內(nèi)應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

我國SWHE的國產(chǎn)化研究從上世紀(jì)70年代開始。90年代，國內(nèi)第一臺多股流高壓纏繞管換熱器由開封空分集團(tuán)成功研發(fā)。目前，開封空分集團(tuán)有限公司和合肥通用機(jī)械研究院已能夠獨立研究SWHE，而應(yīng)用于大型 LNG陸地、浮式平臺中的鋁制和不銹鋼-鋁制SWHE設(shè)計和制造關(guān)鍵技術(shù)仍需完善。為了填補(bǔ)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)空缺，國內(nèi)學(xué)者對LNG繞管式換熱器進(jìn)行了大量研究。

Wang等[17-18]使用有向圖方法描述不同液化過程的柔性流動回路，通過混合制冷劑的溫度迭代不同組分的制冷劑匯流的焓值，避免參考焓值不同而產(chǎn)生誤差，所提出的分布參數(shù)模型能夠快速準(zhǔn)確預(yù)測SWHE性能。為了研究傾斜對換熱器性能的影響，還建立了浮動液化氣螺旋纏繞式換熱器在軋制條件下的數(shù)學(xué)模型，提出整體替代迭代算法。驗證結(jié)果表明，預(yù)測和試驗的流量分布和換熱能力的平均偏差分別為16.3%和3.2%。換熱能力隨著軋制振幅的增大而減小，在3～15°的軋制振幅下，當(dāng)殼體進(jìn)口質(zhì)量流量分布良好時，換熱能力從2.2%降至6.7%。

為預(yù)測浮動液化天然氣(FLNG)海上平臺螺旋纏繞式換熱器(SWHEs)的動態(tài)性能，Duan[19]建立了反映SWHE中多相流間傳熱的動態(tài)模型。該模型采用二維分區(qū)矩陣描述相變流之間的傳熱關(guān)系，并建立了一組基于分塊矩陣的通用方程來計算相變流的熱容，在汽相帶、兩相帶和液相帶均適用。

Ding[20-21]建立實驗裝置以測量熱傳遞系數(shù)和觀察流動模式。采用3層管束來模擬SWHE的實際結(jié)構(gòu)和流動條件，測流體為丙烷。實驗條件考慮因素如下：熱通量為4～10 kW/m2，質(zhì)量通量為40～80 kg/(m2·s)，蒸汽質(zhì)量為0.2～1.0。結(jié)果表明，隨著蒸汽質(zhì)量的增加，傳熱系數(shù)的初始值先增大后減??；隨換熱量的增大，熱通量對傳熱系數(shù)的影響逐漸增加。在±20%的偏差范圍內(nèi)，傳熱系數(shù)的相關(guān)性覆蓋了98%的實驗數(shù)據(jù)。

Sun[22]為了研究LNG浮式生產(chǎn)儲卸裝置雙混合制冷劑液化過程中SWHE的性能，建立了DMR液化過程的實驗裝置和數(shù)值模擬模型。根據(jù)實驗結(jié)果和REFPROP軟件，選取晃動對SWHE性能的影響作為擾動來測試DMR液化過程的響應(yīng)。結(jié)果表明，在所有的晃動情況下，由于晃動引起的SWHE換熱性能降低在50%以內(nèi)。

Hu[23]對乙烷/丙烷混合制冷劑的傳熱特性進(jìn)行實驗研究，采用乙烷摩爾分?jǐn)?shù)為0～60%的混合制冷劑。隨著蒸汽質(zhì)量的增加，混合制冷劑的傳熱系數(shù)先逐漸增加后明顯減小。通過改變乙烷摩爾分?jǐn)?shù)和蒸汽質(zhì)量傳熱系數(shù)最大下降幅度為21%，最大增量可達(dá)27%。同時還建立了混合烴類制冷劑在SWHE殼側(cè)流動沸騰傳熱系數(shù)的相關(guān)關(guān)系式，與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。

Jian[24]對橢圓管式螺旋纏繞換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析橢圓形繞管的主軸和副主軸對換熱器流動性能的影響，希望通過減小殼側(cè)壓力降提高殼側(cè)傳熱速率。結(jié)果表明，與圓管相比，當(dāng)殼體側(cè)壓降與圓管相等時，橢圓管的自聚焦傳熱性能較好。隨著橢圓管主軸長度的增加，摩擦系數(shù)f先減小后增大。而隨著小軸的增大，f的變化趨勢與大軸的增大相反。另外還通過采用遺傳算法對SWHE進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明，與原結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的綜合性能(K/ΔP)平均提高了315.4%，泵送消耗平均降低了65.5%。

Wang[25]基于液-固-熱耦合方法，數(shù)值研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對螺旋纏繞換熱器管束流動特性、傳熱性能和應(yīng)力分布的影響。結(jié)果表明，殼側(cè)流型由橫流變?yōu)樾绷?，隨著翼頂角的增大，整體傳熱系數(shù)先增大后減小;最大應(yīng)力也隨進(jìn)口流量增大而明顯改變。由于傳熱溫差較大，熱應(yīng)力在管束應(yīng)力分布中處于主導(dǎo)地位。隨著進(jìn)口流量的增大，傳熱增強(qiáng)，溫差減小，導(dǎo)致熱應(yīng)力比例減小，主應(yīng)力影響增大。

Li[26]在驗證SWHE模型的基礎(chǔ)上，對縮合空隙率特性進(jìn)行了數(shù)值研究。得到了6種制冷劑在不同運行參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)下的455個數(shù)值點?；谶@些數(shù)據(jù)，評估了96種空隙率相關(guān)系數(shù)。

Wang[27]采用數(shù)值方法研究了SWHE的幾何參數(shù)對熱阻的影響?；诓煌愋偷哪繕?biāo)函數(shù)，對SWHE進(jìn)行了MOGA優(yōu)化。與原結(jié)構(gòu)相比，傳統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果的綜合性能評價因子(Nu/f1/3)平均提高了41.02%，而傳統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果的綜合性能評價因子(Nu/f1/3)平均提高了41.02%。entransy理論得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)的平均增強(qiáng)率為76.64%。

Yu[28]以丙烷為工質(zhì)，對浮式平臺SWHE兩相流的傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果趨勢基本一致，誤差小于±10%。研究指出：在海洋條件下管束外兩相流動傳熱過程中，液膜起著關(guān)鍵的作用，提高晃動頻率會提高液膜從管束表面逃逸的速度，對傳熱產(chǎn)生不利影響。同時發(fā)現(xiàn)，升降作用對傳熱過程的影響最弱，而軋制對管束外兩相流動的影響最大。該數(shù)值模擬結(jié)果為液化天然氣SWHE在浮式平臺上的設(shè)計提供了依據(jù)。

3 結(jié)語

由于纏繞管式換熱器加工制造較為困難，而LNG工廠工藝流程復(fù)雜多變，難以對換熱器進(jìn)行全面的實驗分析，目前建立的路基、海上平臺數(shù)值模型已能夠預(yù)測換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)對流動特性的影響，管、殼程強(qiáng)化傳熱機(jī)理也得到進(jìn)一步揭示，模擬準(zhǔn)確性較高。為了提高LNG工廠的產(chǎn)量，有待對大型SWHE傳熱特性及流動特性進(jìn)行進(jìn)一步研究，為設(shè)備設(shè)計和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論依據(jù)。與此同時，隨著海上天然氣平臺的不斷增加，海面平臺晃動也對SWHE的工作條件提出了更加嚴(yán)苛要求。未來我國對LNG的利用有增無減，亟待建立LNG用大型纏繞管式換熱器通用設(shè)計規(guī)范準(zhǔn)則。