繞管式換熱器在大型天然氣液化裝置中的應用及國產化技術分析

浦暉，陳杰

（中海石油氣電集團技術研發中心，北京 100027）

繞管式換熱器在大型天然氣液化裝置中的應用及國產化技術分析

浦暉*，陳杰

（中海石油氣電集團技術研發中心，北京 100027）

介紹了大型繞管式換熱器在天然氣液化工業中的應用狀況，并通過分析國外和國內繞管式換熱器供貨商的技術水平及研究現狀，總結國內供貨商在大型繞管式換熱器設計和制造方面所存在的技術瓶頸，為實現大型LNG繞管式換熱器國產化提出建議。

繞管式換熱器 天然氣液化 LNG (液化天然氣)

1 前言

繞管式換熱器主要用于大型陸上天然氣液化工廠和大型LNG-FPSO（Floating liquefied natural gas）工藝進行天然氣液化。為了滿足不斷發展的天然氣液化工藝要求，繞管式換熱器的液化能力逐年增大。經過40多年的發展，單體繞管式換熱器的液化能力已經由最初的 100萬噸 LNG/年增長到780萬噸LNG/年[1]。

繞管式換熱器是大型陸上天然氣液化工廠的首選主低溫換熱器。據統計，90%的大型陸上天然氣液化工廠采用了繞管式換熱器。在大型天然氣液化工廠中，繞管式換熱器的應用相當成熟，已成功應用于混合制冷液化工藝流程，僅 APCI就已經為 79條大型液化天然氣（LNG）生產線提供繞管式換熱器[2,3]，液化工廠的位置也遍布全球，適合于寒帶、溫帶和熱帶等氣候。出于對天然氣液化變工況時的溫變應力和多臺板翅式換熱器并聯帶來的流體均布等問題的顧慮，板翅式換熱器主要應用于空分裝置和小型天然氣液化裝置，迄今為止，只有澳大利亞達爾文的 LNG裝置（300萬噸/年，優化階式液化工藝）采用了板翅式換熱器，表明板翅換熱器在大型 LNG裝置上的應用還不夠成熟。隨著單條線產能的不斷擴大，繞管式換熱器相對于板翅式換熱器的優勢將更加明顯。

繞管式換熱器也是大型 LNG-FPSO的首選主低溫換熱器。最初的 LNG-FPSO方案均為小型，在主低溫換熱器上選擇占地面積更小、重量更輕的板翅式換熱器。雖然繞管式換熱器具有占地面積大、重量大和晃動對效率影響較為敏感等不足之處，但APCI、SHELL和STATOIL等公司的大型 LNG-FPSO方案均采用了繞管式換熱器作為主低溫換熱器[4-6]，原因是在單線產能300萬噸/年以上的液化裝置中，采用多臺并聯板翅式換熱器存在效率降低、板翅冷箱外管路復雜等缺點。另外，APCI和LINDE等供貨商對繞管式換熱器的結構進行不斷改進，使其更適用于海水的晃動工況的影響。

因此，繞管式換熱器在大型天然氣液化工廠中具有廣闊的前景。

2 繞管式換熱器的結構及特點

繞管式換熱器是一種特殊的管殼式換熱器，其結構是在與管板相連的中心筒上，以螺旋狀交替纏繞數層小直徑鋁管或不銹鋼管并形成管束，再將管束放入殼體內，通常每個管束均包含幾百根數千米長的換熱管，管束依靠支撐系統或懸掛于殼體頂部的方式保持在殼體內，其結構如圖 1所示。另外，殼體外部通常安裝保冷、平臺、梯子和管線等，繞管式換熱器的設計還要考慮抗風、抗震、運輸和安裝等問題。繞管式換熱器的機械牢靠性使得其可以適用于各種工況：包括天然氣的組分從貧氣到富氣、原料氣的壓力高達8.0兆帕、從寒冷的北極圈到炎熱的中東地區等。繞管式換熱器的特點包括結構緊湊、可同時進行多種介質換熱、管內操作壓力高、傳熱管的熱膨脹可自行補償、換熱器易實現大型化等，因此被廣泛應用于大型LNG工業中。在LNG生產中應用的繞管式換熱器，通常是一個到三個管束安裝在一個殼體內，氣液分離器、分配器和配管等也同時安裝在殼體內。常溫的天然氣從換熱器的底部進入管程，過冷的 LNG從頂部流出，殼側內的流體為低壓的反流制制冷劑。

圖1 繞管式換熱器結構圖

目前用于天然氣液化的主低溫換熱器主要為板翅式換熱器和繞管式換熱器。其中，板翅式換熱器主要用于 100萬噸/年以下的液化工廠或大型階式流程液化工廠，而繞管式換熱器主要用于大型混合制制冷劑流程液化工廠。與板翅式換熱器相比，繞管式換熱器具有如下優點：

1) 傳熱面積大。最大制造直徑可達 5米以上，適用于大型 LNG生產線。目前，繞管式換熱器的液化能力主要受壓縮機和驅動電機能力的限制。

2) 現場安裝時間短。相對于板翅式換熱器，簡化的管路和控制系統可以減少安裝、操作和維護費用。

3) 換熱器冷凝側的高操作壓力，使采用小管徑的鋁管成為可能。這允許更高壓力的原料氣并優化混合制制冷劑的壓力以提高效率。同時，采用小管徑可以增大換熱面積。因此，工藝流程可以設計成小溫差以減小壓縮機的能耗。

4) 允許大溫差傳熱和大溫變速率。對于釬焊的板翅式換熱器，通常相鄰的兩股流體溫差不允許超過30℃，或者某一點的溫變變化速率小于每分鐘0.5℃，否則由于溫差、溫變帶來的應力會影響翅片與隔板的焊接質量，最終導致換熱器失效。混合制制冷劑工藝液化裝置在開停車、負荷調整、工藝波動或壓力泄放時換熱器內的溫度容易變化，也較難控制。而繞管式換熱器則不存在這樣的問題。

5) 避免換熱器并聯需要解決流量分配的問題。板翅式換熱器由于受到釬焊爐容積的影響，其高度一般小于8米，大型LNG采用板翅式換熱器需要多臺并聯或串聯，當內部流體為兩相流時，板翅式換熱器間流量的均勻分配是個難點。由于繞管式換熱器可以高達55米，大型LNG裝置采用一臺繞管式換熱器即可，避免了流量分配不均的難題，而且管路布置也相對簡單。

6) 由于殼側采用不銹鋼材料，其允許壓力通常是工作壓力的3倍以上，便于停車時混合制制冷劑保存在換熱器的殼側。

3 繞管式換熱器的應用和技術現狀

3.1 應用現狀

排在世界天然氣出口國前五位的國家[7]分別是：卡塔爾、印度尼西亞、馬來西亞、澳大利亞和尼日利亞，這些國家的天然氣液化工廠規模大部分都在年產1百萬噸以上，絕大多數裝置的主低溫換熱器均采用了繞管式換熱器。其中，APCI的液化工藝主要為混合制制冷劑循環，因此在主低溫換熱器的選擇上采用了繞管式換熱器；LINDE根據液化能力和液化工藝流程的不同，在小型LNG裝置中選擇了鋁制釬焊板翅式換熱器，在中型 LNG裝置中選擇繞管式換熱器，在大型LNG裝置中選擇了鋁制釬焊板翅式換熱器作為預冷段換熱器、選擇繞管式換熱器作為液化段和過冷段的主低溫換熱器；SHELL的DMR液化工藝中也選擇繞管式換熱器作為主低溫換熱器。目前采用繞管式換熱器作為主低溫換熱器的典型裝置如表1所示。

表1 世界主要LNG液化工廠能力及液化工藝

3.2 繞管式換熱器供貨商技術能力

3.2.1 國外供貨商技術水平簡介

在國際上，美國空氣產品化學工程公司和林德公司是 LNG領域繞管式換熱器的兩家主要供貨商。其中，美國空氣產品化學工程公司占絕大部分市場份額。

美國空氣產品化學工程公司（APCI）是LNG領域繞管式換熱器最大的供貨商，在 1977～2008的30多年間，為79條LNG裝置（其液化能力累計達到230萬噸）提供了配套纏繞管式換熱器，主要用戶分布在亞洲、歐洲、澳大利亞和南美等地區。APCI具有全面的設計制造大型LNG裝置主低溫換熱器的能力，目前其制造廠內可以制造直徑5米、長度55米、450噸重以下的纏繞管式換熱器，但其設計制造能力可以擴展以滿足更大規模LNG工廠的需求，所需考慮的僅僅是LNG領域可靠的壓縮機和驅動機的規模限制[2]。

目前，APCI對于大型LNG-FPSO工藝進行研究，主低溫換熱器仍然采用繞管式換熱器，并對繞管式換熱器的結構進行改進，以滿足海上生產的特殊要求。

林德公司（LINDE）在1993年開始為市場提供大型LNG繞管式換熱器，生產數量逐年增加。近五年內一共生產了累計金屬重量達到 3120噸的多股流繞管式換熱器應用于LNG工廠。LINDE在大型 LNG裝置中選擇鋁制釬焊板翅式換熱器作為預冷段換熱器，選擇多股流纏繞管式換熱器作為液化段和過冷段的主低溫換熱器。LINDE已經成功為挪威的 Hammerfest、澳大利亞的Kwinana和中國的新疆廣匯等液化工廠提供主低溫換熱器。目前該公司在其制造廠內能夠完成直徑7.5米、260噸重纏繞管式換熱器的制造，對于更大尺寸和重量的繞管式換熱器可以在靠近水路的廠房內組裝[6]。

目前，林德公司與挪威石油公司（STATOIL）對繞管式換熱器在晃動時殼側內流體均布技術進行研究，以便繞管式換熱器能夠更好的應用于LNG-FPSO[8]。

3.2.2 國內供貨商技術水平簡介

目前，國內具有繞管式換熱器設計能力的廠家主要是合肥通用機械研究院和開封空分集團有限公司，具有制造能力的廠家是鎮海石化建安工程有限公司、開封空分集團有限公司和大連的林德工藝裝置有限公司。

合肥通用機械研究院[9]與鎮海石化建安工程有限公司分別負責結構設計和加工制造繞管式換熱器。從上個世紀九十年代起，兩家單位合作已設計制造了160多臺繞管式換熱器，設計制造的繞管式換熱器中最高設計溫度 520℃，最低設計溫度-196℃，最大直徑 3.2 米，最多管程介質數為5股流，最高壓力16.8兆帕，最大換熱面積已逾7000平方米、熱負荷為25.45兆瓦。主要應用于空氣分離、天然氣汽化、軍工液氧、煤基烯烴等工業。

開封空分集團有限公司[10]具有成熟的設計和制造繞管式換熱器的能力。該公司從上世紀90年代末開始了繞管換熱器的研制工作，并于1997年將研制成功的繞管換熱器應用于寧夏化工廠，首臺設備重7.77噸。2004年，開封空分承接了安慶石化的三臺大型不銹鋼高壓多股流體繞管式換熱器研制合同，該換熱器的最大直徑2.4米，壓力 5.0 兆帕，重86噸，并全部按照美國ASME標準制造。到目前為止，開封空分已成功地為化工行業提供20多臺高壓繞管換熱器，最大設計壓力達20兆帕以上，外形尺寸1.8米×2.2米，重80噸。

另外，位于大連的林德工藝裝置有限公司也是繞管式換熱器的制造企業，其工藝和結構設計主要由LINDE完成，在我國主要立足于低溫甲醇洗領域的繞管式換熱器制造。

4 國內供貨商的技術瓶頸

到目前為止，國內廠家還沒有設計和制造大型LNG繞管式換熱器的經驗，在設計、制造和實驗方面均存在一定的技術瓶頸尚未突破。

1) 復雜相變狀態下繞管式換熱器管內與殼程傳熱與流動的計算需要進一步完善；主要是天然氣預冷、液化、過冷等過程的熱負荷與溫度關系難以準確模擬[11]。

2) 特大型負荷下換熱的經濟性優化技術尚未掌握；主要是換熱過程中的潛熱部分難以精確計算，無法使得換熱器既高效緊湊，又能滿足系統動力的配置。

3) 大型換熱器整體載荷的均勻性設計技術及各種組合設計技術不夠成熟；主要是同時考慮各階段介質的熱物理特性及相組成成分，對換熱器的結構設計、載荷均布、連接技術以及多管板結構進行優化方面尚缺少經驗。

4) 大型纏繞管式換熱器振動分析方面經驗不足；主要是針對此類大型多股流換熱器進行振動機理分析缺少相關經驗，包括數值模擬和試驗研究等。

5) 缺少大型繞管式換熱器芯體與殼體組裝技術；主要是避免組裝過程中大件吊裝可能給換熱管、殼體造成壓扁、損壞等問題尚缺少解決辦法。

5 結語

對于陸上天然氣液化工廠，國外供貨商主要對大于年產780萬噸LNG的單體繞管式換熱器進行研究，以滿足特大型天然氣液化工廠的要求；對于應用于LNG-FPSO的繞管式換熱器，國外供貨商也在積極改進設計以滿足海上生產的特殊要求。國內供貨商對于大型繞管式換熱器的設計、制造以及實驗方面均存在一定技術瓶頸，目前尚無法為大型天然氣液化工廠提供產品；但通過對上述技術瓶頸的突破，最終能夠實現大型LNG繞管式換熱器的國產化。

[1]Jack M K，Mark P，Ron B. An Ever Evolving technology, Air Products specialists discuss coil wound heat exchanger technology [EB/OL]. http://www.airproducts.co m/NR/rdonlyres/4BD46FBB-BD5D-4DCD-9B1B-8B32816 6EE40/0/AirProducts_coilwoundtechnology.pdf.

[2]James S J.Meeting technical challenges in a changing market [J/OL].The LNG Review，2010：1-3.

[3]Mark J R，Liu Y N，James C B，James S.Technology Selection [J].Hydrocarbon Engineering，2004：81-84.

[4]Neil G，Damian D.Floating LNG - Shell's recent history and current approach [C].The LNG 16 conference. Algeria，2010：PS2-3.

[5]Statoil.Offshore LNG [EB/OL].http://www.statoil.com/en/technologyinnovation/gas/liquefiednaturalgaslng/pages/fl ytendenaturgasslng.aspx.

[6]Linde.Coil-wound heat exchangers [EB/OL].http://www.lngpedia.com/wp-content/uploads/lng_technology/

liquefaction/Coil-Wound%20Heat%20Exchangers%20-%20 Linde.pdf.

[7]BP Statistical Review of World Energy June 2011[EB/OL].http://www.bp.com/statisticalreview.

[8]Thomas L, Klaus O, Arne O F, Carl B J.Ready for floating LNG - qualification of spiral wound heat exchangers [C]. The LNG 16 conference.Algeria，2010：PO-27.

[9]陳永東.我國換熱器的技術進展[C].第二屆全國換熱器學術會議論文集.無錫，2002.

[10]趙凌.開封空分集團一次中標 8臺高壓繞管換熱器[J].氣體分離，2008 (2): 15.

[11]陳永東，陳學東. LNG成套裝置換熱器關鍵技術分析[J].天然氣工業，2010 (1): 96 - 100.

Application and technical analysis on localization of spiral-wound heat exchanger in large-scale natural gas liquefaction plant

Pu Hui*，Chen Jie
(R&D Center, CNOOC Gas & Power Group, Peking 100027, China)

The current application of spiral-wound heat exchanger in large-scale natural gas liquefaction plant is introduced, and the technical level and the research status of suppliers at home and abroad are also analyzed.According to the comparison and analysis, the technical bottleneck problems for domestic suppliers on design and manufacturing are summarized for helping to achieve the localization of large-scale spiral-wound heat exchanger.

Spiral-wound heat exchanger；Natural gas liquefaction；LNG(liquefied natural gas)

*浦暉（1978年—），男，中海石油氣電集團技術研發中心工程師，主要從事天然氣液化工藝及關鍵設備國產化研究。聯系地址：北京市朝陽區東三環北路甲 2號京信大廈 2842室，郵編：100027。Email：puhui@cnooc.com.cn，電話：010-84526523。