印刷電路板式LNG氣化器換熱試驗研究

吳維武，王東寶，趙黎明，袁振欽

(1.上海利策科技股份有限公司， 上海 200233;2.上海海洋油氣生產平臺設計工程技術研究中心， 上海 200233)

印刷電路板式LNG氣化器換熱試驗研究

吳維武1,2，王東寶1，2，趙黎明1，袁振欽1

(1.上海利策科技股份有限公司， 上海 200233;2.上海海洋油氣生產平臺設計工程技術研究中心， 上海 200233)

印刷電路板換熱器作為一種新型微通道換熱器，具有體積小、重量輕、換熱效率高等特點，在液化天然氣(LNG)產業鏈特別是浮式LNG等領域具有十分廣闊的應用前景。針對印刷電路板式換熱器作為LNG浮式儲存和再氣化裝置(FSRU)再氣化模塊的主換熱器的應用，研制了LNG氣化器的縮比樣機，并搭建了LNG氣化器換熱試驗平臺，對換熱器的換熱性能展開了試驗研究。

印刷電路板式換熱器；LNG氣化；換熱器；換熱試驗

0 引 言

隨著我國天然氣需求的增加、液化天然氣(LNG)產業鏈的快速發展，LNG接收站將會急劇增加，海上浮式LNG也隨之快速興起。作為LNG產業鏈上一個非常重要的設備，傳統的換熱器在設備體積、重量、換熱效率、設備穩定性等方面都無法滿足浮式LNG海上的使用要求。

由英國Heatric公司開發的印刷電路板式換熱器(PCHE)是一種新型高效微通道換熱器。PCHE采用光化學刻蝕的方法在板片上制備直徑為0.5～2 mm的通道，并將大量板片通過擴散焊工藝焊接形成換熱芯體，具有體積小、換熱效率高的特點，并可承受高溫、高壓的工作環境，可承受的最大壓力超過60 MPa。在相同的熱載荷條件下，PCHE的體積約為傳統管殼式換熱器的1/5[1]。

PCHE具有較高的換熱效率和承受高溫高壓的能力，并且具有極高的安全性和穩定性，不受液體晃動的影響，是浮式LNG換熱器的首選。目前公開發表的PCHE研究還較少，有學者分別從試驗和仿真分析的角度進行PCHE的基礎研究。Meter[2]對以超臨界CO2和水作為介質的PCHE在液態金屬冷卻反應堆中的應用展開試驗研究，分析了CO2超臨界點附近的流體熱物理性質的變化對換熱過程的影響。 Kim等[3]利用氦氣試驗回路對PCHE進行了試驗研究，根據換熱器冷熱兩側的出入口參數，總結了Fanning因子關聯式和Nusselt數關聯式。Li等[4]和Tsuzuki等[5]采用計算流體力學(CFD)的方法，分別對翼形翅片和S形翅片的PCHE進行了研究，分析了流道形狀對傳熱和壓降的影響。Ravindran等[6]采用RELAP5軟件對以氦氣為工質的PCHE應用于下一代核電站進行了模擬，研究了失水事故下PCHE的換熱特性。但是將PCHE應用于浮式LNG的文獻還較少，特別是針對LNG應用中的低溫環境和LNG超臨界甲烷氣體的傳熱特性的研究還不充分，需要開展更多理論和試驗研究。

為評估和驗證PCHE用于LNG浮式儲存和再氣化裝置(FSRU)再氣化模塊主換熱器的換熱性能，本文設計并制造了換熱器的縮比樣機，搭建了LNG氣化器換熱試驗平臺，并在此基礎上開展了LNG氣化器換熱性能試驗研究。

1 試驗系統

1.1 LNG氣化器縮比樣機

實際工程應用中LNG氣化器處理量從每小時幾十噸到每小時幾百噸不等。考慮到現有試驗條件，本試驗中采用LNG氣化器的縮比樣機進行試驗，縮比樣機設計處理量為2.34 t/h，其換熱功率為400 kW。

本文研究的PCHE是作為LNG-FSRU再氣化模塊的主換熱器，換熱介質為超臨界狀態的LNG和氣態丙烷，其目的是將低溫的LNG氣化后經過調溫外輸到用戶端。根據LNG氣化器處理量要求進行初步設計計算，并綜合考慮縮比樣機加工制造的條件，確定LNG氣化器縮比樣機的流道形式和結構尺寸。圖1所示為LNG氣化器的換熱板片實物，板片材料為316L，采用光化學刻蝕的方法在厚度為1.6 mm的板片上制備出直徑為1.8 mm的半圓形Z型流道，其中丙烷側板片為單流程布置，流道數為223，LNG側板片為5流程布置，流道數為46。LNG和丙烷兩側板片數分別為10和11，兩者交錯疊放，采用真空擴散焊工藝進行焊接。圖2為擴散焊工藝焊接的換熱芯體和裝配完畢的縮比樣機實物。

圖1 LNG氣化器換熱板片Fig.1 Heat exchanger plates of LNG vaporizer

圖2 LNG氣化器縮比樣機Fig.2 Scaled model of LNG vaporizer

1.2 試驗系統

印刷電路板式LNG氣化器試驗系統由三個回路組成，分別為LNG回路、丙烷回路和水回路。圖3所示為試驗系統圖。

LNG由LNG儲罐供應，采用向儲罐內注入增壓氣體氫氣的方法調節壓力和流量。LNG回路由LNG啟閉閥控制回路開合，通過過濾器濾除液態介質中顆粒度大于40 μm的雜質后進入LNG氣化器進行加熱氣化，最終以超臨界氣體狀態離開氣化器。考慮到LNG較空氣輕，對LNG尾氣進行排空處理。在LNG氣化器進出口處分別布置溫度和壓力傳感器，測量進出口LNG的狀態。

丙烷回路氣源由丙烷槽車直接提供，需首先通過丙烷氣化器與熱水換熱進行預加熱處理，再進入過濾器濾除顆粒度大于15 μm的雜質，經由流量控制閥和質量流量計，進入LNG氣化器內與LNG進行換熱，排出的丙烷為液態。考慮到排放安全問題，液態丙烷加熱變成氣態后進行燃燒處理。

水回路系統主要包括10 m3水箱、水啟閉閥、水泵、流量控制閥、丙烷氣化器、1 m3水箱、管路等，主要的作用是在丙烷進入LNG氣化器之前將其加熱氣化，并將經LNG氣化器發生冷凝放熱的液態丙烷再氣化，以便進行明火放空處理。

圖3 PCHE型LNG氣化器試驗系統圖Fig.3 Test loop of PCHE LNG vaporizer

1.3 試驗步驟

為保證試驗順利進行，試驗按照如下步驟進行：

(1)對LNG氣化器進行氣密性檢測和壓力測試，對所有管路進行氣密性檢測；

(2)開啟水路，調整水流量；

(3)開啟丙烷路并調節流量至額定值附近，確保丙烷出口順利點火，如丙烷壓力不足，則啟動丙烷泵；

(4)開啟LNG路，調整LNG流量至額定流量；

(5)監控LNG出口溫度，調整丙烷流量使得LNG出口溫度達到設計要求；

(6)調整LNG流量，并調節丙烷流量獲得多組工況；

(7)試驗結束，關閉LNG啟閉閥，然后關閉丙烷路和水路，吹除排空丙烷路，卸壓并排放LNG貯箱。

2 試驗分析

2.1 試驗數據處理

采用如上所述試驗系統，調整LNG和丙烷側入口壓力、流量等參數，獲得不同試驗工況。試驗過程中分別測量LNG和丙烷側進出口的壓力和溫度。圖4為試驗中某一工況采集的數據。

圖4 試驗測量LNG氣化器工作曲線Fig.4 Experimental results of LNG vaporizer

定義換熱量誤差Qerr=2|Qm-Qp|/(Qm+Qp)，Qm和Qp分別為甲烷側和丙烷側的換熱量，Qerr<5.0%的數據為有效數據。通過整理，獲有效試驗數據如表1所示。

根據上述結果，獲得不同工況下的換熱量和總換熱系數，其中工況1的LNG氣化處理量和換熱量指標均達到了設計要求。

表1 試驗數據計算分析Table 1 Analysis of experimental results

2.2 數據分析

由于LNG氣化要求LNG在氣化器出口溫度高于243 K(LNG氣化器工藝流程中設定氣化段出口溫度為-30 ℃，經過過熱段加熱后再外輸給用戶)，而如表1所示的工況LNG出口溫度均遠高于處理要求，運行工況存在較大余量，換熱器的換熱性能沒有充分利用。在該樣機實際運行時，可增加LNG的處理量，獲得更高的總換熱量。

丙烷發生冷凝相變時表面傳熱系數遠高于單相對流時的表面傳熱系數，因此為提高換熱器的總傳熱系數，需保證主要的換熱過程發生在丙烷冷凝階段。根據試驗工況數據，丙烷在入口處均有較高的過熱度，且丙烷入口處對應的換熱過程溫差較小，導致丙烷的氣相冷卻階段需要較大的換熱面積，從而降低了LNG氣化器的整體傳熱系數。將丙烷入口過熱度從工況2的30.4 K降低到工況1的13.5 K，總換熱系數增加了14.2%，可見為了獲得更高的總傳熱系數，需保證丙烷入口溫度盡可能接近飽和溫度。

3 結 語

本文研究印刷電路板式換熱器用作LNG-FSRU再氣化模塊的主換熱器，采用丙烷氣體對LNG進行氣化，研制了縮比樣機并搭建LNG氣化試驗平臺，對換熱器性能展開了試驗研究。經試驗證明，印刷電路板式換熱器可滿足LNG氣化工藝中低溫、高壓工作環境的使用要求；研制的LNG氣化器縮比樣機可以達到預計的處理量要求，并有一定余量；丙烷側入口過熱度對總傳熱系數有較大影響，為提高換熱器工作效率，需保證LNG氣化器主要的換熱過程發生在丙烷冷凝階段。由于試驗具有一定的危險性，數據采集不夠充分，將來考慮對試驗臺架進行改造并開展更多試驗研究。

[1] Reay D.Compact heat exchangers:a review of current equipment and R&D in the field[J].Heat Recovery Systems & CHP,1994,14:459.

[2] Meter J V.Experimental investigation of a printed circuit heat exchanger using supercritical carbon dioxide and water as heat transfer media[D].Manhattan:Kansas State University,2006.

[3] Kim I H,No H C,Lee J I,et al.Thermal hydraulic performance analysis of the printed circuit heat exchanger using a helium test facility and CFD simulation[J].Nuclear Engineering and Design,2009,239:2399.

[4] Li L,Ma T,Xu X,et al.Study on heat transfer and pressure drop performances of airfoil-shaped printed circuit heat exchanger[J].Chemical Engineering Transactions,2014,39:895.

[5] Tsuzuki N,Kato Y,Ishiduka T.High performance printed circuit heat exchanger[J].Applied Thermal Engineering,2007,27:1702.

[6] Ravindran P,Sabharwall P,Anderson N A.Modeling a printed circuit heat exchanger with RELAP5-3D for the next generation nuclear plant[R].Idaho National Laboratory,2010.

ExperimentalInvestigationofPrintedCircuitHeatExchangerasLNGVaporizer

WU Wei-wu1，2,WANG Dong-bao1，2,ZHAO Li-ming1,YUAN Zhen-qin1

(1.ShanghaiRichtechEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200233,China;2.ShanghaiEngineeringResearchCenterofOffshoreOil&GasProductionPlatformDesign，Shanghai200233,China)

As a newly developed micro-channel heat exchanger,printed circuit heat exchanger (PCHE) has wide application prospects in offshore liquefied natural gas (LNG) production and floating LNG receiving terminals with compact dimensions,low weight,and high heat transfer efficiency.For the application of PCHE as main heat exchanger for LNG floating storage and regasification unit (FSRU),a scaled model of LNG vaporizer is produced and an experimental facility is built to measure the thermal performance of the heat exchanger.

printed circuit heat exchanger; liquefied natural gas vaporization; heat exchanger; heat transfer test

2016-02-01

上海市徐匯區現代服務業專項資金項目“高效微孔式換熱器研制”

吳維武(1980—)，男，博士，主要從事海洋油氣裝備的設計及產品與技術開發。

TE8

A

2095-7297(2016)01-0020-05