張慧躍，辛順，張凱，孫麗婷，汪鴻健

（海洋石油工程股份有限公司，天津300354）

引言

換熱器在海上天然氣處理系統(tǒng)中，主要用于天然氣的冷卻。一般地，傳統(tǒng)換熱器主要包括管殼式換熱器和板式換熱器等。其中，管殼式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，但傳熱系數(shù)低、占地面積大；板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，但承壓能力較低。在海上平臺(tái)上，對(duì)設(shè)備空間和重量的限制十分嚴(yán)格，如果采用管殼式換熱器，常常會(huì)無法滿足設(shè)計(jì)的空間和重量要求[1]。因此需要使用高效換熱器，以在有限的平臺(tái)空間內(nèi)滿足工藝要求。

印刷電路熱交換器（PCHE）是一種高效緊湊型換熱器，同時(shí)具有傳統(tǒng)換熱器的結(jié)構(gòu)緊湊、耐高壓、設(shè)備可靠性較高的優(yōu)勢(shì)[2]。

陵水17-2氣田平臺(tái)工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)有多套換熱器，其溫度、壓力等設(shè)計(jì)參數(shù)較大，用傳統(tǒng)換熱器難以滿足設(shè)計(jì)要求，需要使用PCHE代替?zhèn)鹘y(tǒng)換熱器，而PCHE的生產(chǎn)長(zhǎng)期被國(guó)外公司（如阿法拉伐等）壟斷，國(guó)外PCHE價(jià)格高，且供貨周期長(zhǎng)[3]，是我國(guó)海上天然氣處理系統(tǒng)的“卡脖子”設(shè)備。為解決以上問題，本文主要研究了PCHE的特點(diǎn)，以及國(guó)產(chǎn)PCHE在半潛式平臺(tái)上的應(yīng)用。

1 印刷板式換熱器(PCHE)的結(jié)構(gòu)、原理、制造及特點(diǎn)

1.1 PCHE的結(jié)構(gòu)

PCHE的換熱芯體由一塊塊金屬板組成，金屬板上有經(jīng)化學(xué)蝕刻形成的液體流體通道，如圖2所示，金屬板之間通過擴(kuò)散結(jié)合(接觸部位原子間在較長(zhǎng)時(shí)間的高溫及塑性變形作用下，進(jìn)行相互擴(kuò)散)的方式結(jié)合組成不可拆卸的整塊芯體，如圖3所示。然后，將集管、噴嘴和法蘭焊接在金屬換熱芯體上，構(gòu)成整個(gè)熱交換器，如圖4所示[4]。PCHE的集成度高，在不破壞芯體的情況下，不能被拆解。

圖1 同等工況下PCHE與管殼式換熱器外觀對(duì)比

圖2 經(jīng)化學(xué)腐蝕流體通道后的板片

圖3 板片結(jié)合形成的整個(gè)芯體

圖4 芯體和外殼焊接后的外形

1.2 PCHE的工作原理

將化學(xué)刻蝕后的具有極高熱性能的流體通道的所有板片，按流體通道介質(zhì)的冷熱性質(zhì)，交替重疊，冷熱介質(zhì)以相互垂直方向進(jìn)入印刷板式換熱器，實(shí)現(xiàn)逆流換熱。PCHE工作時(shí)熱介質(zhì)和冷介質(zhì)在其內(nèi)部的流動(dòng)過程如圖5所示[4]。

圖5 冷熱液體流動(dòng)方向示意

1.3 PCHE的制造

PCHE的制造涉及化學(xué)蝕刻技術(shù)與擴(kuò)散結(jié)合技術(shù)。化學(xué)蝕刻技術(shù)是通過利用光刻技術(shù)在傳熱板的冷面和熱面形成一個(gè)個(gè)流體通道的工藝。流體通道主要由近似半圓的半徑從0.1mm到2.5mm不等的流體通道組成，因此流體通道寬度為0.2mm到5mm不等（如圖6所示）。流體通道可以根據(jù)工藝要求，設(shè)計(jì)為直角或波浪形。

圖6 流體通道截面示意圖

一般地，PCHE還具有用于維護(hù)的噴嘴，噴嘴大大簡(jiǎn)化了內(nèi)部流體通道的清潔過程，有助于延長(zhǎng)換熱器的整體運(yùn)行時(shí)間。

擴(kuò)散結(jié)合是一種類似于鍛造焊接的固態(tài)連接工藝，原理是通過施加一定的壓力使板片表面接觸，并通過加熱促進(jìn)被壓縮的金屬表面之間的晶粒的生長(zhǎng)，使板片形成一個(gè)堅(jiān)固、緊湊、不可分割的整體。

通過將擴(kuò)散結(jié)合與化學(xué)蝕刻技術(shù)相結(jié)合制造的PCHE，是將高強(qiáng)度、高完整性、高效率和高性能相結(jié)合的產(chǎn)物，是比傳統(tǒng)換熱器（如管殼式熱交換器）體積更小、強(qiáng)度更高且重量更輕的新型換熱器。

1.4 PCHE的特點(diǎn)

PCHE的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)換熱效率高，大幅節(jié)省能耗。

(2)耐高壓、耐高溫?？沙惺?0MPa的壓力、800℃的溫度。

(3)緊湊的結(jié)構(gòu)和較輕的重量，節(jié)省結(jié)構(gòu)和空間成本。

(4)能實(shí)現(xiàn)苛刻的設(shè)計(jì)溫差，換熱溫差能達(dá)到2℃，并能適應(yīng)較大的溫度變化。

(5)完整性高，不需要輔助密封，無泄露風(fēng)險(xiǎn)，操作安全性高。

(6)適用于一系列腐蝕性和高純度的氣流[5-6]。缺點(diǎn)：

(1) 制造工藝復(fù)雜。

(2) 流體通道相對(duì)容易堵塞，介質(zhì)清潔度要求高。

綜上，PCHE在海上油氣田開發(fā)中的應(yīng)用能大幅度提高換熱效率、節(jié)省結(jié)構(gòu)和空間成本、具有更高的安全性[7]。同時(shí)，PCHE滿足了天然氣處理工藝對(duì)換熱設(shè)備的高要求，推動(dòng)了海上天然氣開發(fā)技術(shù)的發(fā)展[8]。

2 國(guó)產(chǎn)PCHE在陵水17-2項(xiàng)目中的應(yīng)用

陵水17-2氣田是我國(guó)首個(gè)自營(yíng)發(fā)現(xiàn)并實(shí)施開發(fā)的深水千億方級(jí)大氣田，項(xiàng)目采用“半潛式生產(chǎn)平臺(tái)+水下開采系統(tǒng)”模式開發(fā)。

該項(xiàng)目平臺(tái)工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)有多套換熱器，其溫度、壓力等設(shè)計(jì)參數(shù)較大，用傳統(tǒng)換熱器會(huì)存在以下問題：重量、體積過大，維修困難，吊裝維修設(shè)備貴等問題，綜合考慮后選擇采用PCHE來進(jìn)行天然氣的冷卻處理。

PCHE的國(guó)外生產(chǎn)商主要有阿法拉伐和Heatric，價(jià)格高，供貨周期長(zhǎng)，而陵水17-2項(xiàng)目工期緊張，為了保證項(xiàng)目工期，并推動(dòng)我國(guó)海洋石油工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，陵水17-2項(xiàng)目加大了油氣勘探開發(fā)和科技創(chuàng)新力度，首次采用供貨時(shí)間更短的國(guó)產(chǎn)PCHE。

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：JB4732-1995（R2005）《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[10]與項(xiàng)目要求，PCHE設(shè)計(jì)基本參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 換熱器主要設(shè)計(jì)參數(shù)

操作壓力 熱側(cè)：8.4～16.85MPaG；冷側(cè)：0.6MPaG設(shè)計(jì)壓力 熱側(cè)：18.75MPaG；冷側(cè)：18.75MPaG試驗(yàn)壓力熱側(cè)：23.4MPaG；冷側(cè)：23.4MPaG操作溫度 熱側(cè)：52～120/ 52～70℃；冷側(cè)：34/52℃設(shè)計(jì)溫度 熱側(cè)：150℃；冷側(cè)：150℃介質(zhì) 熱側(cè)：干氣；冷側(cè)：水

2.2 分析設(shè)計(jì)過程

先根據(jù)《鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)章節(jié)確定各主要部件尺寸，然后對(duì)其他部件進(jìn)行有限元應(yīng)力分析計(jì)算、應(yīng)力分類和評(píng)定校核。

2.2.1 熱側(cè)管箱：

熱側(cè)管箱計(jì)算厚度：

熱側(cè)管箱設(shè)計(jì)厚度：

熱側(cè)管箱名義厚度：

熱側(cè)管箱有效厚度：

熱側(cè)管箱應(yīng)力：

其中：K 為載荷組合系數(shù)取 1，Pc為計(jì)算壓力（設(shè)計(jì)壓力較大，介質(zhì)產(chǎn)生的靜壓力小于設(shè)計(jì)壓力的 5%，計(jì)算壓力取設(shè)計(jì)壓力的大小）。

壓力試驗(yàn)熱側(cè)管箱應(yīng)力：其中，PT=1.25p(Sm/Smt)，管箱、接管材料為 S31803，Sm/Smt=1.035 ；板片材料為S31603，Sm/Smt=1.0，壓力試驗(yàn)時(shí)取Sm/Smt值最小者，故PT=1.25p(Sm/Smt)=23.4MPa。熱側(cè)管箱在試驗(yàn)溫度下的屈服強(qiáng)度為：Rel=448MPa。

2.2.2 冷側(cè)管箱：

冷側(cè)管箱計(jì)算厚度：

冷側(cè)管箱設(shè)計(jì)厚度：

冷側(cè)管箱名義厚度：

冷側(cè)管箱有效厚度：

冷側(cè)管箱應(yīng)力：

其中：K 為載荷組合系數(shù)取 1，Pc為計(jì)算壓力（設(shè)計(jì)壓力較大，介質(zhì)產(chǎn)生的靜壓力小于設(shè)計(jì)壓力的 5%，計(jì)算壓力取設(shè)計(jì)壓力的大小）。

壓力試驗(yàn)冷側(cè)管箱應(yīng)力：其中，PT=1.25p(Sm/Smt)，管箱、接管材料為 S31803，Sm/Smt=1.035 ；板片材料為S31603，Sm/Smt=1.0，壓力試驗(yàn)時(shí)取Sm/Smt值最小者，故PT=1.25p(Sm/Smt)=23.4MPa。冷側(cè)管箱在試驗(yàn)溫度下的屈服強(qiáng)度為：Rel=448MPa。

2.3 設(shè)計(jì)工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

圖7 熱側(cè)管箱-接管結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

通過有限元的方法對(duì)干氣壓縮機(jī)后冷卻器冷熱側(cè)管箱-接管結(jié)構(gòu)，芯體板片結(jié)構(gòu)和支耳-支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析計(jì)算并進(jìn)行了強(qiáng)度及疲勞校核評(píng)定，結(jié)果能滿足JB4732-1995（R2005）《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及陵水17-2項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求。

圖8 冷側(cè)管箱-接管結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

圖9 芯體板片正交通道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

3 結(jié)論

綜上所述，印刷板式換熱器(PCHE)相對(duì)于傳統(tǒng)的管殼式換熱器、板式換熱器，在體積、換熱效率、重量等方面優(yōu)勢(shì)明顯，既可滿足換負(fù)荷大、壓力高的設(shè)計(jì)要求，又能夠節(jié)省平臺(tái)空間、減小結(jié)構(gòu)負(fù)荷、降低操維難度，節(jié)約項(xiàng)目成本。為了保證項(xiàng)目周期、推動(dòng)我國(guó)海洋石油工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，陵水17-2項(xiàng)目加大了油氣勘探開發(fā)和科技創(chuàng)新力度，首次應(yīng)用國(guó)產(chǎn)PCHE，通過實(shí)際應(yīng)用，檢驗(yàn)了國(guó)產(chǎn)PCHE的可靠性，推動(dòng)了PCHE國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，使得PCHE在半潛式平臺(tái)上的應(yīng)用更加經(jīng)濟(jì)方便。