國產(chǎn)印刷板式換熱器在半潛式平臺上的應用

張慧躍，辛順，張凱，孫麗婷，汪鴻健

（海洋石油工程股份有限公司，天津300354）

引言

換熱器在海上天然氣處理系統(tǒng)中，主要用于天然氣的冷卻。一般地，傳統(tǒng)換熱器主要包括管殼式換熱器和板式換熱器等。其中，管殼式換熱器結(jié)構(gòu)簡單、造價低，但傳熱系數(shù)低、占地面積大；板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，但承壓能力較低。在海上平臺上，對設備空間和重量的限制十分嚴格，如果采用管殼式換熱器，常常會無法滿足設計的空間和重量要求[1]。因此需要使用高效換熱器，以在有限的平臺空間內(nèi)滿足工藝要求。

印刷電路熱交換器（PCHE）是一種高效緊湊型換熱器，同時具有傳統(tǒng)換熱器的結(jié)構(gòu)緊湊、耐高壓、設備可靠性較高的優(yōu)勢[2]。

陵水17-2氣田平臺工藝系統(tǒng)設計有多套換熱器，其溫度、壓力等設計參數(shù)較大，用傳統(tǒng)換熱器難以滿足設計要求，需要使用PCHE代替?zhèn)鹘y(tǒng)換熱器，而PCHE的生產(chǎn)長期被國外公司（如阿法拉伐等）壟斷，國外PCHE價格高，且供貨周期長[3]，是我國海上天然氣處理系統(tǒng)的“卡脖子”設備。為解決以上問題，本文主要研究了PCHE的特點，以及國產(chǎn)PCHE在半潛式平臺上的應用。

1 印刷板式換熱器(PCHE)的結(jié)構(gòu)、原理、制造及特點

1.1 PCHE的結(jié)構(gòu)

PCHE的換熱芯體由一塊塊金屬板組成，金屬板上有經(jīng)化學蝕刻形成的液體流體通道，如圖2所示，金屬板之間通過擴散結(jié)合(接觸部位原子間在較長時間的高溫及塑性變形作用下，進行相互擴散)的方式結(jié)合組成不可拆卸的整塊芯體，如圖3所示。然后，將集管、噴嘴和法蘭焊接在金屬換熱芯體上，構(gòu)成整個熱交換器，如圖4所示[4]。PCHE的集成度高，在不破壞芯體的情況下，不能被拆解。

圖1 同等工況下PCHE與管殼式換熱器外觀對比

圖2 經(jīng)化學腐蝕流體通道后的板片

圖3 板片結(jié)合形成的整個芯體

圖4 芯體和外殼焊接后的外形

1.2 PCHE的工作原理

將化學刻蝕后的具有極高熱性能的流體通道的所有板片，按流體通道介質(zhì)的冷熱性質(zhì)，交替重疊，冷熱介質(zhì)以相互垂直方向進入印刷板式換熱器，實現(xiàn)逆流換熱。PCHE工作時熱介質(zhì)和冷介質(zhì)在其內(nèi)部的流動過程如圖5所示[4]。

圖5 冷熱液體流動方向示意

1.3 PCHE的制造

PCHE的制造涉及化學蝕刻技術(shù)與擴散結(jié)合技術(shù)?；瘜W蝕刻技術(shù)是通過利用光刻技術(shù)在傳熱板的冷面和熱面形成一個個流體通道的工藝。流體通道主要由近似半圓的半徑從0.1mm到2.5mm不等的流體通道組成，因此流體通道寬度為0.2mm到5mm不等（如圖6所示）。流體通道可以根據(jù)工藝要求，設計為直角或波浪形。

圖6 流體通道截面示意圖

一般地，PCHE還具有用于維護的噴嘴，噴嘴大大簡化了內(nèi)部流體通道的清潔過程，有助于延長換熱器的整體運行時間。

擴散結(jié)合是一種類似于鍛造焊接的固態(tài)連接工藝，原理是通過施加一定的壓力使板片表面接觸，并通過加熱促進被壓縮的金屬表面之間的晶粒的生長，使板片形成一個堅固、緊湊、不可分割的整體。

通過將擴散結(jié)合與化學蝕刻技術(shù)相結(jié)合制造的PCHE，是將高強度、高完整性、高效率和高性能相結(jié)合的產(chǎn)物，是比傳統(tǒng)換熱器（如管殼式熱交換器）體積更小、強度更高且重量更輕的新型換熱器。

1.4 PCHE的特點

PCHE的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)換熱效率高，大幅節(jié)省能耗。

(2)耐高壓、耐高溫?？沙惺?0MPa的壓力、800℃的溫度。

(3)緊湊的結(jié)構(gòu)和較輕的重量，節(jié)省結(jié)構(gòu)和空間成本。

(4)能實現(xiàn)苛刻的設計溫差，換熱溫差能達到2℃，并能適應較大的溫度變化。

(5)完整性高，不需要輔助密封，無泄露風險，操作安全性高。

(6)適用于一系列腐蝕性和高純度的氣流[5-6]。缺點：

(1) 制造工藝復雜。

(2) 流體通道相對容易堵塞，介質(zhì)清潔度要求高。

綜上，PCHE在海上油氣田開發(fā)中的應用能大幅度提高換熱效率、節(jié)省結(jié)構(gòu)和空間成本、具有更高的安全性[7]。同時，PCHE滿足了天然氣處理工藝對換熱設備的高要求，推動了海上天然氣開發(fā)技術(shù)的發(fā)展[8]。

2 國產(chǎn)PCHE在陵水17-2項目中的應用

陵水17-2氣田是我國首個自營發(fā)現(xiàn)并實施開發(fā)的深水千億方級大氣田，項目采用“半潛式生產(chǎn)平臺+水下開采系統(tǒng)”模式開發(fā)。

該項目平臺工藝系統(tǒng)設計有多套換熱器，其溫度、壓力等設計參數(shù)較大，用傳統(tǒng)換熱器會存在以下問題：重量、體積過大，維修困難，吊裝維修設備貴等問題，綜合考慮后選擇采用PCHE來進行天然氣的冷卻處理。

PCHE的國外生產(chǎn)商主要有阿法拉伐和Heatric，價格高，供貨周期長，而陵水17-2項目工期緊張，為了保證項目工期，并推動我國海洋石油工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，陵水17-2項目加大了油氣勘探開發(fā)和科技創(chuàng)新力度，首次采用供貨時間更短的國產(chǎn)PCHE。

2.1 設計參數(shù)

根據(jù)相關標準：JB4732-1995（R2005）《鋼制壓力容器-分析設計標準》[10]與項目要求，PCHE設計基本參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 換熱器主要設計參數(shù)

操作壓力 熱側(cè)：8.4～16.85MPaG；冷側(cè)：0.6MPaG設計壓力 熱側(cè)：18.75MPaG；冷側(cè)：18.75MPaG試驗壓力熱側(cè)：23.4MPaG；冷側(cè)：23.4MPaG操作溫度 熱側(cè)：52～120/ 52～70℃；冷側(cè)：34/52℃設計溫度 熱側(cè)：150℃；冷側(cè)：150℃介質(zhì) 熱側(cè)：干氣；冷側(cè)：水

2.2 分析設計過程

先根據(jù)《鋼制壓力容器分析設計標準》相關章節(jié)確定各主要部件尺寸，然后對其他部件進行有限元應力分析計算、應力分類和評定校核。

2.2.1 熱側(cè)管箱：

熱側(cè)管箱計算厚度：

熱側(cè)管箱設計厚度：

熱側(cè)管箱名義厚度：

熱側(cè)管箱有效厚度：

熱側(cè)管箱應力：

其中：K 為載荷組合系數(shù)取 1，Pc為計算壓力（設計壓力較大，介質(zhì)產(chǎn)生的靜壓力小于設計壓力的 5%，計算壓力取設計壓力的大小）。

壓力試驗熱側(cè)管箱應力：其中，PT=1.25p(Sm/Smt)，管箱、接管材料為 S31803，Sm/Smt=1.035 ；板片材料為S31603，Sm/Smt=1.0，壓力試驗時取Sm/Smt值最小者，故PT=1.25p(Sm/Smt)=23.4MPa。熱側(cè)管箱在試驗溫度下的屈服強度為：Rel=448MPa。

2.2.2 冷側(cè)管箱：

冷側(cè)管箱計算厚度：

冷側(cè)管箱設計厚度：

冷側(cè)管箱名義厚度：

冷側(cè)管箱有效厚度：

冷側(cè)管箱應力：

其中：K 為載荷組合系數(shù)取 1，Pc為計算壓力（設計壓力較大，介質(zhì)產(chǎn)生的靜壓力小于設計壓力的 5%，計算壓力取設計壓力的大?。?。

壓力試驗冷側(cè)管箱應力：其中，PT=1.25p(Sm/Smt)，管箱、接管材料為 S31803，Sm/Smt=1.035 ；板片材料為S31603，Sm/Smt=1.0，壓力試驗時取Sm/Smt值最小者，故PT=1.25p(Sm/Smt)=23.4MPa。冷側(cè)管箱在試驗溫度下的屈服強度為：Rel=448MPa。

2.3 設計工況結(jié)構(gòu)應力分析

圖7 熱側(cè)管箱-接管結(jié)構(gòu)應力分布

通過有限元的方法對干氣壓縮機后冷卻器冷熱側(cè)管箱-接管結(jié)構(gòu)，芯體板片結(jié)構(gòu)和支耳-支座結(jié)構(gòu)進行了有限元分析計算并進行了強度及疲勞校核評定，結(jié)果能滿足JB4732-1995（R2005）《鋼制壓力容器-分析設計標準》等相關標準及陵水17-2項目的設計要求。

圖8 冷側(cè)管箱-接管結(jié)構(gòu)應力分布

圖9 芯體板片正交通道結(jié)構(gòu)應力分布

3 結(jié)論

綜上所述，印刷板式換熱器(PCHE)相對于傳統(tǒng)的管殼式換熱器、板式換熱器，在體積、換熱效率、重量等方面優(yōu)勢明顯，既可滿足換負荷大、壓力高的設計要求，又能夠節(jié)省平臺空間、減小結(jié)構(gòu)負荷、降低操維難度，節(jié)約項目成本。為了保證項目周期、推動我國海洋石油工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，陵水17-2項目加大了油氣勘探開發(fā)和科技創(chuàng)新力度，首次應用國產(chǎn)PCHE，通過實際應用，檢驗了國產(chǎn)PCHE的可靠性，推動了PCHE國產(chǎn)化進程，使得PCHE在半潛式平臺上的應用更加經(jīng)濟方便。