李秋英 陳 杰 尹全森

中海石油氣電集團有限責任公司

天然氣及其凝液的利用

大型LNG換熱器結構設計及換熱性能模擬

李秋英 陳 杰 尹全森

中海石油氣電集團有限責任公司

板翅式換熱器目前廣泛應用于中小型天然氣液化工廠，當其應用于大型天然氣液化領域時，由于需要多個冷箱及板翅式換熱器并聯(lián)進行作業(yè)，由此帶來的流體均布問題較難解決，進而導致?lián)Q熱性能顯著下降，這一因素制約了板翅式換熱器的大型化應用進程。對現(xiàn)有板翅式換熱器結構進行了優(yōu)化設計，開發(fā)出一種新型板翅式換熱器換熱結構，并對其換熱性能進行模擬計算，結果表明，新型板翅式換熱器在天然氣處理規(guī)模較大時，具有較好的換熱性能，該研究結果可為大型板翅式換熱器結構設計提供參考。

板翅式換熱器 大型天然氣液化 均布性能 換熱性能

天然氣液化過程中采用的關鍵設備之一是換熱器[1]。鋁制板翅式換熱器[2]結構緊湊輕巧，傳熱效率高，適應性強，可同時進行多種介質換熱，且具有良好的低溫性能，目前已規(guī)?；瘧糜谥行⌒吞烊粴庖夯S[3-4]。

板翅式換熱器芯體結構如圖1所示，運行過程中，天然氣和熱流冷劑(A和C)從換熱器芯體上部自上而下流動，而冷流冷劑(B和D)從換熱器芯體底部自下而上返流為天然氣和熱流冷劑提供冷量[5-6]。由于冷流冷劑為兩相流體，流動過程中存在氣液兩相夾帶不均勻現(xiàn)象，嚴重影響流道內各種介質間的換熱，而且工況改變時容易導致氣相難以夾帶液相，從而使換熱器底部積液，影響設備正常運行[7-8]。當應用于大型天然氣液化工廠時，由于需要多個冷箱及換熱器并聯(lián)，流體在冷箱并聯(lián)管路、換熱器芯體封頭以及內置的注液封條處的均布性能下降，而且上述關鍵部位的流體均布性能逐級影響，致使整個板翅式換熱器內流體的均布性能嚴重下降。所以在大型天然氣液化領域，板翅式換熱器的競爭優(yōu)勢不明顯。

為提升板翅式換熱器在大型天然氣液化領域的競爭力，需要對板翅式換熱器結構進行優(yōu)化設計，在處理規(guī)模增大時，該結構仍能保持較高的換熱器效率。

1 換熱器結構優(yōu)化設計

目前使用的板翅式換熱器芯體結構見圖1。無論是天然氣和熱流冷劑還是冷流冷劑，都被封閉于換熱器芯體內部。當天然氣處理規(guī)模增大時，該結構對于天然氣和熱流冷劑的流體均布性能影響相對較小；但對于冷流冷劑，由于其流動過程中處于氣、液兩相狀態(tài)，上述工況條件對流體均布性能影響較大。

為使該類型換熱器更加經(jīng)濟有效地服務于大型天然氣液化領域，對現(xiàn)有板翅式換熱器結構進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化后的板翅式換熱器芯體結構如圖2所示，自上而下流動的介質A和C代表天然氣和熱流冷劑，B代表冷流冷劑，其浸泡于整個板翅式換熱器芯體及冷劑流道內，與介質A和B換熱。冷劑盛裝于外部殼體，殼體內板翅式換熱器芯體浸泡個數(shù)可根據(jù)液化規(guī)模進行設置，可應用于大型天然氣液化領域。殼體上部開有冷劑入口，直接通過上游管道向殼體內充裝冷劑，確保每個換熱器芯體內冷劑液面相同。該結構的俯視圖如圖3所示。天然氣和熱流冷劑的流動方式與現(xiàn)有結構相同，自上而下流經(jīng)封閉的板翅式換熱器芯體，而優(yōu)化的結構減少了冷流冷劑的上、下封頭結構，采用將冷流冷劑浸泡于板翅式換熱器流道內的設計理念，冷流冷劑采用單一組分的烴類，隨著天然氣溫度降低，采用不同低沸點的冷劑對天然氣和熱流冷劑進行冷卻，直至天然氣最終液化。該結構有效避免了現(xiàn)有板翅式換熱器結構在天然氣處理規(guī)模增大導致的流體分布不均勻現(xiàn)象。

2 模型建立

對板翅式換熱器芯體內部介質換熱性能進行模擬計算，需對板翅式換熱器流道建立模型。圖4為板翅式換熱器流道的換熱器單元模型，該單元模型尺寸為寬1.6 mm、高6.3 mm、長200 mm。換熱單元模型借助ANSYS ICEM CFD進行非結構化網(wǎng)格劃分(如圖5所示)，網(wǎng)格數(shù)量為30萬。

本文計算天然氣與外部冷劑間的換熱，外部冷劑介質為丙烷，天然氣組分、天然氣物性參數(shù)及丙烷的物性參數(shù)分別見表1、表2和表3。

表1 天然氣組分Table1 Naturalgascomposition組分C1C2C3i-C4i-C5N2摩爾分數(shù)0.920.050.010.0050.0050.01

表2 天然氣物性參數(shù)Table2 Naturalgasphysicalparameters物性參數(shù)入口溫度/K入口壓力/MPa密度/(kg·m-3)比熱/(kJ·(kg·℃)-1)導熱系數(shù)/(W·(m·K)-1)動力黏度/(kg·(m·s)-1)數(shù)值2883.831.192.4370.03461.182×10-5

表3 丙烷物性參數(shù)Table3 Propanephysicalparameters物性參數(shù)溫度/K壓力/MPa密度/(kg·m-3)比熱/(kJ·(kg·℃)-1)導熱系數(shù)/(W·(m·K)-1)動力黏度/(kg·(m·s)-1數(shù)值250.90.227557.42.3320.12221.598×10-5

3 模擬結果及分析

根據(jù)所建立的換熱單元模型、介質物性參數(shù)，借助ANSYS FLUENT軟件對板翅式換熱器換熱性能進行模擬。板翅式換熱器芯體單元浸泡于外部冷劑，而外部冷劑絕大部分以液相狀態(tài)盛裝于外部殼體，換熱過程中下部冷劑發(fā)生相變部分較少，而在上部由于冷劑與天然氣溫差較大，發(fā)生相變的部分較大，且在晃動工況條件下，只有最上部液面存在輕微波動，對中下部液面沒有影響，對中下部流體均布和換熱效果影響都比較小，因此，研究最上部換熱器內部介質與外部冷劑間的換熱效果意義最大。本研究過程中，天然氣的處理規(guī)模為200×104t/a，以殼體內浸泡的4個換熱器芯體為例進行計算，實際生產(chǎn)過程中多個相同殼體并聯(lián)進行作業(yè)。

3.1 天然氣側

天然氣側的壁面溫度分布如圖6所示，壁面壓力分布如圖7所示。由圖6和圖7可以看出，天然氣由入口到出口的流動過程中，溫度和壓力均勻下降。這是因為天然氣由上而下流動，流動過程中逐步被丙烷冷劑冷卻，所以溫度逐漸下降，而流動過程中具有沿程損失，壓力也逐漸降低。

3.2 冷劑側

丙烷冷劑幾乎以全部液相浸泡在板翅式換熱器芯體外部，用于冷卻換熱器內部流道的介質，在與換熱器內部熱流介質換熱過程中，丙烷吸熱，換熱30 s時丙烷側壁面溫度變化如圖8所示。由圖8可知，丙烷的溫度幾乎沒有發(fā)生變化，這是因為丙烷在浸泡于板翅式換熱器芯體外部時基本處于飽和狀態(tài)，在與換熱器芯體內部天然氣介質換熱過程中，丙烷雖然吸熱，但所吸收熱量基本是潛熱，在丙烷完全變成干飽和蒸汽之前，丙烷的溫度不會發(fā)生變化。

圖9為換熱初始時刻丙烷的相變情況。由圖9可以看出，換熱單元底部沒有發(fā)生相變，中上部發(fā)生相變，但相變部分氣相所占比例非常少。圖10給出了換熱30 s時丙烷的相變情況。由圖10可以看出，丙烷側的底部依然沒有發(fā)生相變，不過中上部丙烷介質相變逐漸明顯，在換熱單元的最上部，丙烷中的氣相體積分數(shù)已接近10%，平均氣相分數(shù)為5.3%。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是隨著換熱的進行，中上部與天然氣換熱量逐漸增加，丙烷吸熱逐漸發(fā)生相變，部分液相介質轉化為氣相。

4 結 論

目前中小型天然氣液化工廠普遍采用常規(guī)板翅式換熱器，但是當天然氣處理規(guī)模變大時，該類型板翅式換熱器內換熱介質均布性較差，這一關鍵技術至今尚未妥善解決。為提高板翅式換熱器在大型天然氣以及海上天然氣液化領域的競爭力，本研究對常規(guī)的板翅式換熱器結構進行了優(yōu)化，開發(fā)出一種新型板翅式換熱器換熱結構，并對其換熱器性能進行了模擬計算。結果顯示，在殼體內浸泡4個板翅式換熱器芯體的情況下，板翅式換熱器流道內冷流介質與熱流介質換熱性能穩(wěn)定，說明所優(yōu)化的板翅式換熱器結構在大型天然氣液化領域具有較好的應用潛力。

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Structure design and heat transfer performance simulation for heat exchanger in large scale LNG plant

Li Qiuying， Chen Jie, Yin Quansen

CNOOCGasandPowerGroup,Beijing,China

Plate fin heat exchanger has been widely used in medium and small sized LNG plant. However, in large scale LNG plant, the fluid uniform problems are difficult to be resolved for the plate fin heat exchanger because multiples of cold boxes are uesd and plat pin heat exchangers are connected in parallel which results in significant degradation of heat transfer performance. The fluid uniform problems are the key restriction factors of application process for plate fin heat exchanger in large scale LNG plant. In this paper, a new type of heat transfer structure is developed by means of optimization design for existing plate fin heat exchanger. The heat performance is simulated and the results reveal that the new type heat exchangers maintain good heat performance with the natural gas treated in large scale. The study results can provide a reference for the structure design in large scale LNG plant.

plate fin heat exchanger, large scale natural gas liquefaction, uniform performance, heat transfer performance

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)“海上天然氣液化存儲關鍵技術研究”(2013AA09A216)。

李秋英(1980-)，女，工程師，博士。E-mail:liqy18@cnooc.com.cn

TE965

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.01.007

2016-06-29；編輯：康 莉