浮式液化天然氣用印刷板路換熱器研究和應用進展

王康碩 任 滔 丁國良 馬 南

(1上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240; 2上海科凌能源科技有限公司 上海 200240)

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浮式液化天然氣用印刷板路換熱器研究和應用進展

王康碩1任 滔1丁國良1馬 南2

(1上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240; 2上海科凌能源科技有限公司 上海 200240)

印刷板路式換熱器憑借其緊湊、高效、可靠的特點能夠滿足海上浮式天然氣液化的主低溫換熱器的需求，近幾年逐漸成為海上浮式天然氣液化的主低溫換熱器的首選。本文對近幾年印刷板路式換熱器的研究進展進行了綜述，包括印刷板路式換熱器的基本原理、基于擴散焊接的制造工藝、傳熱和流動特性、換熱器機械特性等；總結了印刷板路式換熱器在海上浮式液化天然氣中的應用現狀以及亟需攻克的關鍵技術，包括熱力設計、制造工藝、檢測技術。

海上浮式液化天然氣；擴散焊接；傳熱；壓降；印刷板路式換熱器

海上天然氣液化已逐漸成為我國能源領域重要的發展方向。海上天然氣開發工藝有兩種，包括近淺海開發工藝和深海浮式LNG開發工藝，如圖1所示。近淺海開發工藝過程為天然氣在海上開采并通過海下管路運輸至岸上，在岸上進行液化、儲存并運輸至LNG船，如圖1(a)所示；深海浮式LNG開采的工藝為天然氣在海上開采后，用浮式LNG船就地液化，然后卸載到LNG運輸船，如圖1(b)所示。我國的海上天然氣資源主要集中在南海的深遠海，如南海的“荔灣3-1”深水天然氣田，因此海上浮式LNG液化技術成為亟需解決的技術。

海上浮式LNG液化的工作空間狹小，海況環境惡劣，這就要求液化裝置的主換熱器結構緊湊、耐低溫、高壓、泄漏少、高效等。

圖1 海上天然氣采氣過程[5]Fig.1 Offshore gas extraction process[5]

PCHE(printed circuit heat exchanger)具有傳熱面積密度高、耐高壓和低溫等優點，近年來逐漸成為海上天然氣液化裝置的主低溫換熱器的首選。PCHE的傳熱面積密度高達2500 m2/m3，而一般傳熱面積密度大于700 m2/m3[1]可認定為緊湊式換熱器，常用的大型繞管式換熱器和列管式換熱器的傳熱面積密度分別僅為120 m2/m3和160 m2/m3[1]。PCHE最大耐壓可達60 MPa、最低溫度低于-200 ℃、效率高達98%，便于實現模塊化[2-4]。

最早用于浮式天然氣液化的PCHE是由Heatric公司開發的，作為主低溫換熱器成功應用于年產150萬噸浮式天然氣液化裝置[3-6]，并且也擴展到其他領域，如布雷頓循環的高溫氦-氦換熱器[7]；超臨界CO2循環的熱水裝置[8]。

PCHE的開發需要掌握制造流程、結構設計以及熱力特性。近年來，PCHE由于良好的熱力特性逐漸成為國內外學術研究的熱點，取得較多的研究成果。本文綜述了PCHE的基本原理、制造工藝、傳熱流動特性的研究進展，以及國外將PCHE用于LNG船的主換熱器的成果，總結了浮式天然氣液化需要攻克的問題。

1 PCHE結構特點

PCHE是由多層經過化學腐蝕后的薄板經擴散連接后形成的換熱器芯體和封頭組成，如圖2所示。圖2(a)和(b)分別表示了單相和兩相的PCHE外部形貌及流體的進出口方案；圖2(c)所示為芯體結構包括若干層厚度約為1～2 mm的薄板及各層薄板對準后的芯體結構；圖2(d)所示為每個薄板上通過化學腐蝕刻有流道。流道的形式根據使用的液體、熱負荷和壓降等的要求來確定，一般為Z字型、波紋或直型。流體通道一般為水力直徑0.5～2 mm[9]的圓形、半圓形和長方形等。換熱器根據設計和工藝需要一般有三類熱交換形式：順流、逆流或多通道交叉逆流[2]。

圖2 PCHE示意圖[2-4]Fig.2 PCHE schematic diagram[2-4]

PCHE的加工方法主要基于化學腐蝕、擴散連接兩種技術，如圖3所示。圖3(a) 所示為化學腐蝕(蝕刻)的方法得到的常見Z型流道和直道型流道；圖3(b)所示為在特定溫度、壓力下，將化學蝕刻得到的帶有流體通道的板子擴散連接成換熱器芯體。

圖3 化學蝕刻與擴散連接示意圖Fig.3 The chemical etching and diffusion bonding diagram

PCHE的擴散連接技術能夠保持原材料的強度。焊接過程中熱交換器的核心沒有銅焊或填料[10]，焊接工藝的具體優點如下：

1) 連接相同的性能材料，由于界面不產生液相，界面結合強度與母材相當；

2) 可以連接具有復雜形狀的零件，并能夠實現嚴格的尺寸控制；

3) 由于零件上的等靜壓力高且均勻，可減少甚至消除連接區內的微小氣孔；

4) 使復雜薄壁零件整體化，提高結構完整性。

2 制作工藝

PCHE的制作工藝可分為三步，包括化學腐蝕流道及板間對準、擴散連接、組裝，如圖4所示。具體的制造過程如下：

1) 通過化學腐蝕的方法來腐蝕板片換熱流道。將流道腐蝕完畢后的所有換熱器板按照流道介質的性質，冷熱交替對齊重疊起來準備進行擴散連接。

2) 相鄰板之間的接觸面通過擴散連接互熔，成為換熱器芯體。

3) 進行整個換熱器的組裝，將封頭和換熱器芯體通過焊接固定在一起。

圖4 PCHE制造過程Fig.4 Manufacturing process of PCHE

擴散連接是整個PCHE制造的關鍵，通過如圖5所示的真空擴散焊爐來實現。焊接的實現過程[11]分為兩步：1) 將被焊組件置于真空擴散焊爐中，通過石墨或鉬制成的加熱元件的熱輻射將被焊組件的溫度加熱到設定的焊接溫度；2) 利用真空擴散焊爐的上下壓頭對被焊組件產生設定的擠壓力，促使工件蠕變，完成焊接過程。焊接溫度、壓力的設置與被焊組件的材料種類、尺寸有關。

擴散焊接的效果受焊接溫度、焊接壓力、保溫時間和真空度決定[11-15]。焊接溫度直接影響層板間的焊接結合率。擴散焊接的溫度越高，結合率越高，一般溫度取材料熔點溫度的0.53～0.88之間為宜。焊接壓力使接觸界面產生足夠的變形，保證接合面貼合良好，產生足夠多的接觸面積。焊接保溫時間控制焊后的恢復、再結晶效果。真空度保證金屬在加熱過程中不易氧化，大多數金屬材料的擴散焊采用10-1～10-3Pa的真空度。焊接參數對焊后實體的影響見表1。文獻研究表明[14]，保證70%左右的焊合率，可以整體上保證焊后實體塊材的力學性能，分散局部熱應力集中，控制宏觀熱變形。

圖5 真空擴散焊爐示意圖Fig.5 Vacuum diffusion welding furnace

參數設置焊接后效果焊接溫度低結合率較差焊接壓力低翹曲變形和錯邊焊接壓力過大長度方向伸長量過大焊接溫度過低擴散不充分,界面焊合情況差焊接溫度過低界面處分界線很明顯焊接溫度過低有很多孔洞等未焊合保溫時間短界面有很多孔隙,界面線分明

已有文獻上的焊接工藝研究主要集中在不銹鋼、鈦合金和鋁合金等材料。以不銹鋼304(0Cr18Ni9)薄板焊接為例，文獻給出的方案[11]為：1) 1 h溫度升至850 ℃、壓力為1 MPa；2) 40 min溫度不變、壓力為2 MPa；3) 1 h溫度降低至600 ℃、壓力為1 MPa；4) 1.5 h溫度降至0 ℃、壓力為5 MPa。焊接工藝參數隨著工件大小和結構變化而變化，需要多次反復實驗才能確定。

用于天然氣液化的大型PCHE的真空擴散焊接的難點為：

1) 最佳焊接溫度、壓力、時間的確定需要多次實驗研究才能確定；

2) 擴散焊接的工裝需要精心設計，從而保證PCHE的整個焊接面上受壓一致；

3) 上下壓頭需要較高的平整度，從而保證PCHE受壓發生均勻的蠕變；

4) 焊后效果缺乏定量化的檢測手段。

3 PCHE的傳熱特性

近年來研究者對PCHE進行了實驗和仿真研究，得出了微通道結構的不同因素對PCHE傳熱特性的影響。

目前已有文獻的研究集中于非可燃工質的單相傳熱特性的研究，包括超臨界CO2、氦以及混合制冷劑；公開的文獻尚無使用可燃的碳氫工質對PCHE的單相和兩相傳熱特性進行研究。已有實驗與仿真研究表明，PCHE在非可燃工質的傳熱特性與流道結構、流動狀態、加熱條件等因素有關，如表2所示。層流時，圓型、平板、六邊形流道的Nu數是一個定值；矩形流道的Nu數隨著長寬比的增大而增加；對于等腰三角形流道，Nu與頂角角度大小有關，最大的Nu出現在60°；對于橢圓形流道，Nu與長短軸比有關，恒熱流時Nu隨著長短軸比的增大而增加，恒溫時Nu基本不隨長短軸比變化而變化；對于波紋形流道，Nu與波紋的間距高度參數有關。湍流時，Nu與流道的結構形式有關[19]。

加熱條件對PCHE中的微通道的換熱有較大影響。如圖6所示，以矩形流道為例，四周均換熱、右側絕熱、上下側換熱、左側換熱、右下側絕熱下的Nu明顯不同。

軸向導熱能夠明顯降低PCHE傳熱性能。研究表明采用曲折流道可以克服PCHE中的軸向導熱[5]，在總傳熱面積不變的情況下，減小75%導熱面積進而減小軸向導熱損失。同時研究還表明低溫下軸向導熱對換熱器性能的影響沒有高溫時的顯著。

PCHE中的冷熱流體布置夾角和換熱器的放置方式對換熱器的傳熱性能也有一定的影響。Lee S M等[20]的研究表明冷通道角度和熱通道角度都為110°時，換熱器效率最高。Kim I H等[21]研究表明在層流條件下換熱器垂直放置比水平放置更好，原因是垂直放置方式的流體的均勻分布性比水平放置好。

4 阻力性能研究

研究表明，流道結構、傳熱模型、流動狀態同樣對PCHE的阻力性能產生影響。如表3所示，非可燃工質的PCHE在層流時，對于圓形、平板、六邊形流道，摩擦因子f同Re數成反比；對于矩形流道，摩擦因子f隨著長寬比的增加而增大；對于等腰三角形流道，摩擦因子f與頂角角度有關，在60°時，f最大；對于橢圓形流道，摩擦因子f隨著長短軸比的增加而增大；波紋形流道的摩擦因子f與波紋間距與高度參數有關；對于湍流，摩擦因子f與流道的結構有關。

PCHE內部微通道的壓降主要是由流體在微通道內形成局部的渦流、逆流造成的。圖7所示為Tsuzuki N等[28]模擬的流道流場，圖中流道彎角處存在逆流，尤其頂壁處的逆流最明顯，引起的壓降最大。采用S型、翼型等流線型等流道結構的PCHE在傳熱性能不變的條件下，能夠消除逆流，壓降明顯小于傳統Z型[23]，壓降最大降低1/20，如圖8所示。

5 機械性能研究

PCHE具有優越的抗冷熱沖擊性能和機械性能，Pra F等[7]通過對PCHE進行冷熱沖擊實驗驗證了這一結論。冷熱沖擊實驗方法分別為：在3 s內溫度從510 ℃降低至180 ℃，然后120 s內將溫度從180 ℃升至510 ℃。實驗得出在沖擊100次之后，PCHE換熱器沒有檢測到泄漏，并且熱力性能保持不變。研究者[7]認為PCHE可以在很嚴酷的環境下穩定工作，且換熱器總效率達到95%，可用于高溫反應器。

6 PCHE應用現狀

PCHE在液化天然氣中已經得到了較多應用。作為壟斷PCHE設計制造技術的Heatric公司與馬來西亞國家石油公司、巴西國家石油公司、殼牌公司在海上液化天然氣方面進行了廣泛的合作[2-4]。在相關合作中，Heatric公司為浮式液化天然氣生產儲卸裝置(FLNG)提供PCHEs。

典型的應用案例[2-4]：Heatric為殼牌的世界上第一個浮動的天然氣液化設施提供PCHEs，如圖9所示。殼牌的前奏浮式液化天然氣設施將停泊在離岸200公里的西北澳大利亞，水深250 m、長488 m、寬74 m，是世界上最大的浮離岸設施；Heatric在巴西獲得八千萬英鎊的合同，為巴西國家石油和天然氣公司的離岸油田供應高性能的PCHEs。

應用效果表明，PCHE的總效率達到95.4%，體積和面積密度分布在相同傳熱面積下分別是管殼式換熱器的0.34倍、2.52倍，重量是常規管殼式換熱器的15%。

表2 PCHE傳熱性能總結[22-28]

注：下標H為恒熱流密度，T為恒壁溫。

表3 PCHE阻力性能總結[22-27]

圖6 矩形截面不同高寬比、加熱條件的Nu[7]Fig.6 Nu of rectangular section with different height to width ratio, heating conditions[7]

圖7 Z型流道流體的速度矢量圖[28]Fig.7 Velocity vector diagram of Z type flow channel fluid[28]

圖8 翼型流道流體的速度矢量圖[23]Fig.8 Velocity vector diagram of airfoil flow fluid[23]

圖9 FLNG裝置[4]Fig.9 FLNG device[4]

7 PCHE在FLNG中應用需要攻克的關鍵技術

PCHE作為FLNG開采平臺的主換熱器的最佳選擇之一，國內目前尚無成熟的技術方案。為了打破國外技術的壟斷，掌握相關的關鍵核心技術，亟需加大PCHE用于浮式天然氣開采技術的研發投入，增強相關企業與高校的產學研交流，早日掌握核心技術實現國產化。實現FLNG用的PCHE的國產化需要攻克以下幾點關鍵技術：

1) 掌握PCHE的熱力設計。熱力設計的內容包括研究可燃工質的單相和兩相的傳熱流動計算方法，設計性能優良的流道結構形式、尺寸，以及兩(多)股流在各層的分液形式等，開發能夠滿足不同應用場合的PCHE的專用設計軟件。

2) 掌握PCHE的制造工藝。PCHE制造工藝的內容：一是保證加工過程中換熱器板的高平整度和表面粗糙度，使其不發生翹曲變形和破壞；二是研制專門的工裝確保大面積板子對準；三是制作滿足擴散焊接要求的大型焊接工裝；四是摸索不同厚度、不同流道形式的換熱器平板的擴散焊接壓力、溫度和保溫時間等焊接工藝參數。

3) 掌握批量加工PCHE的檢測技術。研究焊接前后換熱器形貌尺寸變化率與換熱器的耐壓性能、傳熱流動性能的關系，摸索出定量評判擴散焊接效果的標準。

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About the corresponding author

Ding Guoliang, male, professor, Ph. D. supervisor, Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University,+86 21-34203278，E-mail：glding@sjtu.edu.cn. Research fields: simulation and optimization research for room air conditioner and utilization of new refrigerant.

Progress of Research and Application of Printed Circuit Heat Exchanger for Offshore LNG Platform

Wang Kangshuo1Ren Tao1Ding Guoliang1Ma Nan2

(1.Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai,200240, China;2.Shanghai Keling Energy Technology Co., Ltd., Shanghai, 200240, China)

Printed circuit heat exchanger with its compact, efficient, reliable characteristics can meet the requirements of the main cryogenic heat exchanger in the offshore floating natural gas liquefaction. In recent years, it has gradually become the first priority of main cryogenic heat exchangers of offshore floating natural gas liquefaction. In this paper, the progress of research and application of printed circuit heat exchanger in recent years, including the basic principle, manufacturing process based on diffusion welding, heat transfer and pressure drop characteristics, and mechanical behaviors, is reviewed; the application status of printed circuit heat exchanger in offshore LNG platform is summarized; and the key technologies that requires to be overcome in future applications in offshore LNG platform is proposed, including thermal design, manufacturing process, detection technology.

offshore floating liquefied natural gas; diffusion welding; heat transfer; pressure drop; printed circuit heat exchanger

0253- 4339(2016) 02- 0070- 08

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.02.070

2015年7月31日

TB61+1； TQ051.5； TE646

A

簡介

丁國良，男，教授，博士生導師，上海交通大學制冷與低溫工程研究所， (021) 34206378，E-mail：glding@sjtu.edu.cn。研究方向：制冷空調裝置的仿真、優化與新工質應用。