液化天然氣（LNG）是優(yōu)質(zhì)低碳清潔能源，在新能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著重要作用，已經(jīng)成為工業(yè)和民用燃料的主導(dǎo)供應(yīng)方式。LNG氣化工藝中選用低溫印刷板式熱交換器（PCHE）替代傳統(tǒng)的板式或管殼式熱交換器，可減小占用空間和支撐重量，滿足精細(xì)化和降本增效的目標(biāo)。文中針對(duì)PCHE和LNG氣化流程進(jìn)行研究，分析在LNG氣化工藝中應(yīng)用PCHE的可行性，優(yōu)化低溫PCHE在蒸發(fā)氣（BOG）冷卻和LNG氣化模塊的應(yīng)用及其設(shè)計(jì)分析流程。

1、PCHE技術(shù)研究概況

1.1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

PCHE重要結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。PCHE是一種傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的微通道熱交換器，其特點(diǎn)是以傳統(tǒng)板式熱交換器為原型，依次通過(guò)化學(xué)蝕刻方法、板片的堆疊和擴(kuò)散、機(jī)械加工獲得最終產(chǎn)品。

1.2技術(shù)優(yōu)勢(shì)[1-3]

PCHE依靠冷側(cè)板片與熱側(cè)板片交替排列形成的冷熱流體流動(dòng)通道（圖2）進(jìn)行傳熱，流體在板片刻蝕后的微通道內(nèi)流動(dòng)，熱量由熱流體間壁傳遞至冷流體。

特殊材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、制造、集成和化學(xué)處理技術(shù)打造出的微通道換熱芯體全方位提升了熱交換器的性能，使得PCHE兼具換熱效率高、耐高溫、耐高壓、體積小、質(zhì)量輕及無(wú)需墊圈等特性。目前PCHE產(chǎn)品的使用溫度在-196～900℃，工作壓力約90MPa，國(guó)產(chǎn)最大單芯體尺寸為1500mm×600mm×600mm。單元換熱效率可以達(dá)到98%,體積和質(zhì)量?jī)H為傳統(tǒng)管殼式熱交換器的1/6～1/4，可以實(shí)現(xiàn)多種介質(zhì)同時(shí)換熱，泄漏和振動(dòng)損失少，壽命長(zhǎng)。

1.3研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)PCHE產(chǎn)品研究突破了一系列瓶頸技術(shù)難題，掌握了設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)，包括原材料生產(chǎn)技術(shù)、熱交換器結(jié)構(gòu)計(jì)計(jì)算、板片刻蝕技術(shù)、擴(kuò)散連接技術(shù)、集成建造技術(shù)、檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)等，產(chǎn)品應(yīng)用行業(yè)廣泛。目前已實(shí)現(xiàn)海洋工程、石油煉化、航空運(yùn)輸、氣化液化換熱等領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了原材料、加工設(shè)備、制造工藝、檢驗(yàn)試驗(yàn)等完整流程自有技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模化，形成的產(chǎn)品實(shí)體制造典型工藝流程見圖3。

2、LNG氣化工藝中PCHE應(yīng)用研究算例

2.1可行性分析

在LNG氣化工藝流程中的BOG冷卻和LNG氣化模塊應(yīng)用PCHE是一種合理的雙向選擇，一方面PCHE的微通道換熱板片可滿足縮小熱交換器尺寸和質(zhì)量需要，另一方面LNG清潔度高的特點(diǎn)也能滿足PCHE的介質(zhì)選用要求。

BOG冷卻和LNG氣化時(shí)通常會(huì)有氣液相變過(guò)程，氣液間轉(zhuǎn)換會(huì)對(duì)流道產(chǎn)生應(yīng)力沖擊，所以換熱體的應(yīng)力分析也是必須考慮的。此外，PCHE本體和支撐結(jié)構(gòu)也需要整體考慮和分析[4]。

2.2有限元分析

2.2.1模型

以國(guó)內(nèi)某LNG氣化項(xiàng)目BOG冷卻器為例，在ANSYS軟件中建立BOG冷卻PCHE有限元分析模型，見圖4。

圖4LNG氣化項(xiàng)目BOG冷卻PCHE有限元分析模型

2.2.2設(shè)計(jì)條件

LNG氣化工藝流程中BOG冷卻PCHE設(shè)計(jì)條件見表1。

2.2.3運(yùn)行參數(shù)

根據(jù)LNG組分特點(diǎn)、流量、操作壓力(表壓)等參數(shù)共確定9種BOG冷卻PCHE運(yùn)行工況，見表2。9種工況對(duì)應(yīng)的LNG介質(zhì)組分組成見表3，BOG介質(zhì)組分組成見表4。

2.3應(yīng)力分析

2.3.1計(jì)算

選取9種工況中換熱量最大的工況3進(jìn)行BOG冷卻PCHE換熱面積計(jì)算。已知工況3參數(shù)為，熱負(fù)荷2187kW，LNG側(cè)流量180000kg/h，BOG流量21850kg/h。出于保守考慮，按照110%流量重新確定計(jì)算輸入的最大熱負(fù)荷，即2187×1.1=2405.7（kW），將此熱負(fù)荷定義為設(shè)計(jì)工況，其它工況為校核工況。PCHE換熱面積計(jì)算的理論基礎(chǔ)是接觸換熱，考慮到2種介質(zhì)流道之間滿足設(shè)計(jì)換熱量要求，計(jì)算時(shí)將接觸傳熱簡(jiǎn)化為常規(guī)非接觸換熱。

換熱面積A分7個(gè)步驟進(jìn)行計(jì)算，①選定設(shè)計(jì)換熱量Q，Q=2405.7kW。②計(jì)算平均對(duì)數(shù)溫差LMTD。③計(jì)算修正后平均對(duì)數(shù)溫差MTD。④計(jì)算清潔傳熱系數(shù)Uclean，通過(guò)HYSYS軟件輸入物性參數(shù)計(jì)算得出U_clean=1230.6W/（m2·℃）。⑤計(jì)算考慮污垢總傳熱系數(shù)U_fouled，通過(guò)HYSYS軟件輸入物性參數(shù)計(jì)算得出U_fouled=1172.9W/（m2·℃）。⑥計(jì)算污垢情況下所需換熱面積A_fouled。⑦考慮10%換熱面積裕量，最后確定所需換熱面積A[5-7]。

其中LMTD、MTD、A_fouled、A采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式（1）~式（4）中，t_hi、t_co分別為熱側(cè)進(jìn)、出口溫度，t_hi、t_co分別冷側(cè)進(jìn)、出口溫度，F(xiàn)_corrected為溫差修正因子，取值0.9。

將Q=2405.7kW、t_hi=-170℃、t_ho=149℃、t_co=60℃、F_corrected=0.9、U_clean=1230.6W/（m2·℃）、t_ci=-170℃、U_fouled=1172.9W/（m2·℃）帶入計(jì)算，得到LMTD=49.22℃、MTD=44.3℃、A_fouled=46.3m2、A=50.9m2。

2.3.2換熱芯體結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分析評(píng)定

依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行BOG冷卻PCHE結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，確定板片層數(shù)為220層、每層流道數(shù)量為96道，板片的微通道直徑為0.95mm。建立BOG冷卻PCHE換熱芯體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型，依據(jù)JB4732—1995《鋼制壓力容器———分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(2005年確認(rèn))》對(duì)BOG冷卻PCHE換熱芯體板片結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行應(yīng)力分析。設(shè)置邊界條件為，模型底部約束豎直方向位移，模型對(duì)稱面約束法向位移。按照一側(cè)板片通道內(nèi)壁受13.9MPa設(shè)計(jì)壓力加載模型。PCHE換熱芯體板片結(jié)構(gòu)模型應(yīng)力分析及應(yīng)力評(píng)定路徑設(shè)置見圖5[8-15]。

分析圖5a可知，應(yīng)力最大值為112.2MPa，位于板片通道肋根部。BOG冷卻PCHE換熱芯體板片材質(zhì)為S31603，其在設(shè)計(jì)工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力評(píng)定結(jié)果見表5。

表5中，Pm為一次總體薄膜應(yīng)力，PL為一次局部薄膜應(yīng)力，Pb為一次彎曲應(yīng)力，PL+Pb為一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力，Sm為許用應(yīng)力，SⅠ為一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度，SⅡ?yàn)橐淮尉植勘∧?yīng)力強(qiáng)度，SⅢ為一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度，設(shè)計(jì)工況系數(shù)K取1.0，擴(kuò)散焊接頭系數(shù)準(zhǔn)取0.7。

由表5可知，BOG冷卻PCHE換熱芯體板片結(jié)構(gòu)均通過(guò)了強(qiáng)度校核評(píng)定，能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3、BOG冷卻PCHE產(chǎn)品換熱面積復(fù)核

LNG氣化項(xiàng)目BOG冷卻PCHE換熱芯片設(shè)計(jì)參數(shù)見表6。

換熱面積計(jì)算及其修正計(jì)算公式如下[5]：

式（5）~式（8）中：A計(jì)算為理論計(jì)算換熱面積，U為濕周，D為通道直徑，Ac為單個(gè)通道流通面積，Np為單側(cè)板片數(shù)量，Nc為單層板片通道數(shù)量，Lc為單個(gè)通道沿程有效長(zhǎng)度（由產(chǎn)品板片圖樣測(cè)量而來(lái)），A實(shí)際為綜合考慮了制造加工等因素及工程經(jīng)驗(yàn)因素影響后用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)修正后的傳熱面積（即最終提供的PCHE換熱面積），準(zhǔn)為修正系數(shù)。

將D=1.9mm、Np=218層、Nc=96道、Lc=516×10-6mm、準(zhǔn)=0.97帶入上述各式中計(jì)算，得到A計(jì)算=58.07mm2，A實(shí)際=56.3mm2。

LNG氣化項(xiàng)目BOG冷卻PCHE實(shí)際提供換熱面積（考慮污垢情況下）為56.3mm2,理論計(jì)算所需換熱面積(考慮污垢情況下)為46.3m2,實(shí)際提供面積相對(duì)于修正后的理論計(jì)算面積有21.6%的余量。工況1～工況2和工況4～工況9為校核工況，熱負(fù)荷均小于設(shè)計(jì)熱負(fù)荷2260.6kW，換熱面積余量更大，計(jì)算過(guò)程相似。

4、BOG冷卻PCHE換熱計(jì)算分析總結(jié)

合理的PCHE設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化后的PCHE產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)的獲得，需要同時(shí)考慮換熱芯體應(yīng)力分析和換熱面積復(fù)核結(jié)果，對(duì)上述計(jì)算分析進(jìn)行梳理，總結(jié)得到的換熱計(jì)算分析流程見圖6。

通過(guò)合理選擇PCHE參數(shù)，可滿足工藝換熱和相變承壓要求，并控制尺寸重量，同時(shí)考慮換熱余量，實(shí)現(xiàn)覆蓋全部設(shè)計(jì)工況的目標(biāo)。

5、結(jié)束語(yǔ)

在LNG氣化應(yīng)用場(chǎng)景選用低溫PCHE替代以傳統(tǒng)板式或管殼式熱交換器，具有減小占用空間和支撐重量及降本增效重要意義。以某LNG項(xiàng)目BOG冷卻模塊低溫PCHE的換熱面積計(jì)算為例，進(jìn)行了傳熱計(jì)算面積計(jì)算和換熱芯體板片有限元建模及模型應(yīng)力分析，進(jìn)行了低溫PCHE產(chǎn)品的傳熱復(fù)核計(jì)算，對(duì)比了有限元分析設(shè)計(jì)結(jié)果與傳熱復(fù)核計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了有限元方法的可靠性。總結(jié)了低溫PCHE換熱計(jì)算分析流程，此流程在常規(guī)熱交換器根據(jù)工藝參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮了換熱芯體的應(yīng)力分析，創(chuàng)新了PCHE結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，具有優(yōu)化PCHE設(shè)計(jì)的實(shí)踐意義。

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