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(chǎn)平臺設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心， 上海 200233)

印刷電路板式LNG氣化器換熱試驗(yàn)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(chǎn)平臺設(shè)計(jì)工程技術(shù)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(diǎn)，在液化天然氣(LNG)產(chǎn)業(yè)鏈特別是浮式LNG等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)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(yīng)用，研制了LNG氣化器的縮比樣機(jī)，并搭建了LNG氣化器換熱試驗(yàn)平臺，對換熱器的換熱性能展開了試驗(yàn)研究。

印刷電路板式換熱器；LNG氣化；換熱器；換熱試驗(yàn)

0 引 言

隨著我國天然氣需求的增加、液化天然氣(LNG)產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)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(chǎn)業(yè)鏈上一個(gè)非常重要的設(shè)備，傳統(tǒng)的換熱器在設(shè)備體積、重量、換熱效率、設(shè)備穩(wěn)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(fā)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(xué)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(kuò)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(diǎn)，并可承受高溫、高壓的工作環(huán)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(tǒng)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(wěn)定性，不受液體晃動(dòng)的影響，是浮式LNG換熱器的首選。目前公開發(fā)表的PCHE研究還較少，有學(xué)者分別從試驗(yàn)和仿真分析的角度進(jìn)行PCHE的基礎(chǔ)研究。Meter[2]對以超臨界CO2和水作為介質(zhì)的PCHE在液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆中的應(yīng)用展開試驗(yàn)研究，分析了CO2超臨界點(diǎn)附近的流體熱物理性質(zhì)的變化對換熱過程的影響。 Kim等[3]利用氦氣試驗(yàn)回路對PCHE進(jìn)行了試驗(yàn)研究，根據(jù)換熱器冷熱兩側(cè)的出入口參數(shù)，總結(jié)了Fanning因子關(guān)聯(lián)式和Nusselt數(shù)關(guān)聯(lián)式。Li等[4]和Tsuzuki等[5]采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法，分別對翼形翅片和S形翅片的PCHE進(jìn)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(zhì)的PCHE應(yīng)用于下一代核電站進(jìn)行了模擬，研究了失水事故下PCHE的換熱特性。但是將PCHE應(yīng)用于浮式LNG的文獻(xiàn)還較少，特別是針對LNG應(yīng)用中的低溫環(huán)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(yàn)研究。

為評估和驗(yàn)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(shè)計(jì)并制造了換熱器的縮比樣機(jī)，搭建了LNG氣化器換熱試驗(yàn)平臺，并在此基礎(chǔ)上開展了LNG氣化器換熱性能試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 LNG氣化器縮比樣機(jī)

實(shí)際工程應(yīng)用中LNG氣化器處理量從每小時(shí)幾十噸到每小時(shí)幾百噸不等?？紤]到現(xiàn)有試驗(yàn)條件，本試驗(yàn)中采用LNG氣化器的縮比樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，縮比樣機(jī)設(shè)計(jì)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(zhì)為超臨界狀態(tài)的LNG和氣態(tài)丙烷，其目的是將低溫的LNG氣化后經(jīng)過調(diào)溫外輸?shù)接脩舳?。根?jù)LNG氣化器處理量要求進(jìn)行初步設(shè)計(jì)計(jì)算，并綜合考慮縮比樣機(jī)加工制造的條件，確定LNG氣化器縮比樣機(jī)的流道形式和結(jié)構(gòu)尺寸。圖1所示為LNG氣化器的換熱板片實(shí)物，板片材料為316L，采用光化學(xué)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(cè)板片為單流程布置，流道數(shù)為223，LNG側(cè)板片為5流程布置，流道數(shù)為46。LNG和丙烷兩側(cè)板片數(shù)分別為10和11，兩者交錯(cuò)疊放，采用真空擴(kuò)散焊工藝進(jìn)行焊接。圖2為擴(kuò)散焊工藝焊接的換熱芯體和裝配完畢的縮比樣機(jī)實(shí)物。

圖1 LNG氣化器換熱板片F(xiàn)ig.1 Heat exchanger plates of LNG vaporizer

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

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

印刷電路板式LNG氣化器試驗(yàn)系統(tǒng)由三個(gè)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(yàn)系統(tǒng)圖。

LNG由LNG儲罐供應(yīng)，采用向儲罐內(nèi)注入增壓氣體氫氣的方法調(diào)節(jié)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(tài)介質(zhì)中顆粒度大于40 μm的雜質(zhì)后進(jìn)入LNG氣化器進(jìn)行加熱氣化，最終以超臨界氣體狀態(tài)離開氣化器?？紤]到LNG較空氣輕，對LNG尾氣進(jìn)行排空處理。在LNG氣化器進(jìn)出口處分別布置溫度和壓力傳感器，測量進(jìn)出口LNG的狀態(tài)。

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(jìn)行預(yù)加熱處理，再進(jìn)入過濾器濾除顆粒度大于15 μm的雜質(zhì)，經(jīng)由流量控制閥和質(zhì)量流量計(jì)，進(jìn)入LNG氣化器內(nèi)與LNG進(jìn)行換熱，排出的丙烷為液態(tài)?？紤]到排放安全問題，液態(tài)丙烷加熱變成氣態(tài)后進(jìn)行燃燒處理。

水回路系統(tǒng)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(jìn)入LNG氣化器之前將其加熱氣化，并將經(jīng)LNG氣化器發(fā)生冷凝放熱的液態(tài)丙烷再氣化，以便進(jìn)行明火放空處理。

圖3 PCHE型LNG氣化器試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.3 Test loop of PCHE LNG vaporizer

1.3 試驗(yàn)步驟

為保證試驗(yàn)順利進(jìn)行，試驗(yàn)按照如下步驟進(jìn)行：

(1)對LNG氣化器進(jìn)行氣密性檢測和壓力測試，對所有管路進(jìn)行氣密性檢測；

(2)開啟水路，調(diào)整水流量；

(3)開啟丙烷路并調(diào)節(jié)流量至額定值附近，確保丙烷出口順利點(diǎn)火，如丙烷壓力不足，則啟動(dòng)丙烷泵；

(4)開啟LNG路，調(diào)整LNG流量至額定流量；

(5)監(jiān)控LNG出口溫度，調(diào)整丙烷流量使得LNG出口溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求；

(6)調(diào)整LNG流量，并調(diào)節(jié)丙烷流量獲得多組工況；

(7)試驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉LNG啟閉閥，然后關(guān)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(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

采用如上所述試驗(yàn)系統(tǒng)，調(diào)整LNG和丙烷側(cè)入口壓力、流量等參數(shù)，獲得不同試驗(yàn)工況。試驗(yàn)過程中分別測量LNG和丙烷側(cè)進(jìn)出口的壓力和溫度。圖4為試驗(yàn)中某一工況采集的數(shù)據(jù)。

圖4 試驗(yàn)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(cè)和丙烷側(cè)的換熱量，Qerr<5.0%的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。通過整理，獲有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)上述結(jié)果，獲得不同工況下的換熱量和總換熱系數(shù)，其中工況1的LNG氣化處理量和換熱量指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算分析Table 1 Analysis of experimental results

2.2 數(shù)據(jù)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(shè)定氣化段出口溫度為-30 ℃，經(jīng)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(yuǎn)高于處理要求，運(yùn)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(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，可增加LNG的處理量，獲得更高的總換熱量。

丙烷發(fā)生冷凝相變時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠(yuǎn)高于單相對流時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，因此為提高換熱器的總傳熱系數(shù)，需保證主要的換熱過程發(fā)生在丙烷冷凝階段。根據(jù)試驗(yàn)工況數(shù)據(jù)，丙烷在入口處均有較高的過熱度，且丙烷入口處對應(yīng)的換熱過程溫差較小，導(dǎo)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(shù)。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(shù)增加了14.2%，可見為了獲得更高的總傳熱系數(shù)，需保證丙烷入口溫度盡可能接近飽和溫度。

3 結(jié) 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(jìn)行氣化，研制了縮比樣機(jī)并搭建LNG氣化試驗(yàn)平臺，對換熱器性能展開了試驗(yàn)研究。經(jīng)試驗(yàn)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(huán)境的使用要求；研制的LNG氣化器縮比樣機(jī)可以達(dá)到預(yù)計(jì)的處理量要求，并有一定余量；丙烷側(cè)入口過熱度對總傳熱系數(shù)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(fā)生在丙烷冷凝階段。由于試驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性，數(shù)據(jù)采集不夠充分，將來考慮對試驗(yàn)臺架進(jìn)行改造并開展更多試驗(yàn)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.

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[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(qū)現(xiàn)代服務(wù)業(yè)專項(xiàng)資金項(xiàng)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(shè)計(jì)及產(chǎn)品與技術(shù)開發(fā)。

TE8

A

2095-7297(2016)01-0020-05