低温热交换器的设计与优化

液化天然气工厂使用的低温热交换器有几种类型，其主要功能是对天然气进行液化；此外，热交换器还用于完成原料气预冷及酸气去除、分馏，以及公共设施等不同用途的冷却任务。

最常用的热交换器类型有绕管式热交换器、铝制板翅式热交换器和管壳式热交换器。具体介绍如下。

1.绕管式热交换器

绕管式热交换器内，数以千计的导管在封闭的圆柱壳内以直径为50cm的芯管为圆心螺旋缠绕几层，每层间由导线隔离。在大型液化厂使用的绕管式热交换器中，每根管长度约为100m，外径为10～12mm。绕管式热交换器对技术要求很高，因为绕管根数、绕管长度、盘绕角度、管层数量和层间间隔等因素都会影响到热交换器的传热能力和压降，甚至会影响到其性能。另外，由于输入流和输出流温差较大（大于100℃），一定要根据原料气组分和环境条件来评估最佳的内部几何结构。

绕管式热交换器（图1-8）第一次是在阿尔及利亚的Skikda基荷型液化厂运用，此后便在基荷型液化厂得到普遍推广。虽然有很多厂商可以生产绕管式热交换器，但是只有APCI和Linde AG两家公司专门生产基荷型液化厂混合制冷剂循环热交换器。这样的设备对生产技能要求很高，因此，做基荷型液化厂设计时，这种类型热交换器费用贵和交货周期长是主要需考虑的问题。

目前，LNG液化技术的发展导致对大型LNG生产线设备的需求增加。以前最大规模的绕管式热交换器直径为4.6m，最大重量约为310t。随着设备的生产及船运、运输设备的改进，APCI已经将热交换器的直径增大至5m，总重约为430t。这些大型热交换器与大型压缩机驱动机一起，使得新LNG液化厂的产能在现有设备能力的基础上更上一层楼。

图1-8 绕管式热交换器

2.板翅式热交换器

铝制板翅式热交换器理论上可以替代绕管式热交换器进行天然气液化。铝制板翅式热交换器主要由散热片和隔离板集合而成，通常放置在被称为冷箱的绝热良好的箱体内。目前有很多厂商能生产，可用于基荷型和中小型LNG液化厂。

板翅式热交换器（PFHE）用于纯组分制冷剂冷却循环中，如康菲的液化技术和APCI C3-MR技术的预冷循环。但是，新的天然气工艺设计，如Liquefin TM，正在考虑将该设备用于混合制冷剂循环。因为板翅式热交换器的模块化建造使其可以为任何规模的液化厂配套使用，且除了现场可用空间的大小限制外，基本不受任何规模条件的制约。

板翅式热交换器（PFHE）换热表面密度的传热面积高达2000m²/m³。这就能够在天然气和制冷剂间的较低温差下设计得更为紧凑，降低占地面积和重量，从而减少成本。

除了（冷箱总成）模块化可降低建造人工时成本以外，冷流、热流还可以在不同压力下同时进行热交换。同绕管式热交换器相比，这也是板翅式热交换器一项很大的优势，因为绕管式热交换器只允许一个制冷剂股流在壳侧蒸发。(www.xing528.com)

在大型液化厂中使用的板翅式热交换器（PFHE）可能会受到设计压力的封顶限制，以及单个板翅热交换器的生产规格限制，故需要多套设备并联运行，这就要增加管线、阀门和仪表的数量，以及更大占地面积和更多的资金投入。此外，板翅式热交换器对污垢和阻塞非常敏感，必须安装过滤网和过滤器。

3.管壳式热交换器

壳压、直径和管长等因素会限制在LNG液化厂中使用管壳式热交换器的规模和能效，但这些限制可以通过并联多个壳体系统来克服。就像板翅式热交换器的情况一样，这就需要更多的管线和控制系统。管壳式和鼓式热交换器通常在基荷型LNG液化厂的丙烷预冷回路中使用。

热交换器对LNG产量的潜在影响如下：

（1）板翅式热交换器

1）单相和两相流的分配不均导致热能效降低。这一问题的解决办法是，可设定足够裕量以包容液流分配不均问题，也可以通过安装分离器将液态和气态分离后分别注入热交换器。

2）由机械故障和腐蚀引起的泄漏。要缓解这一问题，可以通过试验来呈现金属疲劳和操作不当造成的不稳定情况来研究对策。

3）热应力会导致管头箱和喷头接口断裂。要解决这一问题，可以通过把股流之间的温差调节到40℃以内，降温速度为3～4℃/min的情况下，用动态模拟系统来评估瞬态运行参数。

（2）绕管式热交换器

1）由于出口喷嘴气体喷出速度过快而使导管振动引发金属摩擦。要解决这一问题，可以通过改进输出喷嘴以减缓天然气速度。

2）注入流的冲击能量过大导致入口分流板受损。要解决这一问题，可以通过将导管加固以改变其振荡频率。但是，如果这样导致管束下垂的话则会使情况更糟。

3）关停和起动造成制冷剂冷凝管泄漏。要解决这一问题可以通过增加入口喷嘴的尺寸来降低气体速度和封堵受损导管。在系统设计时也可考虑导管裕量以解决此问题，以便一定比例导管封堵后还能够保持全产能生产。