LNG低温液化三级制冷三股流板翅式换热器的制作方法

本发明属天然气低温液化技术领域，涉及LNG三级低温制冷板翅式换热器及混合制冷剂制冷技术，应用N₂—CH₄混合制冷剂在三股流板翅式换热器内将6.0MPa、－120℃天然气冷却至－164℃并液化，以便LNG过冷贮存及方便运输；应用板翅式换热器首先预冷并液化非共沸N₂—CH₄混合制冷剂，N₂—CH₄液化后再节流至混合制冷剂侧冷却来自二级的出口温度为－120℃的天然气、N₂—CH₄混合制冷剂，使天然气侧天然气及N₂—CH₄侧混合制冷剂均被液化，达到混合制冷剂节流前预冷及天然气低温液化目的；其结构紧凑，换热效率高，可用于陆地LNG及海洋FLNG领域，实现－120℃～－164℃天然气低温液化过程，解决LNG三级制冷技术难题。

背景技术：

大型混合制冷剂天然气液化流程主要包括三个阶段，第一个阶段是将压缩后的天然气进行预冷，即将36℃天然气预冷至－53℃，第二个阶段是将天然气从－53℃冷却至－120℃，为低温液化做准备，第三个阶段是将－120℃天然气冷却至－164℃并液化，三个过程可采用不同制冷工艺、不同制冷剂及不同换热设备。目前，大多混合制冷剂天然气液化系统采用整体换热方式，将三段制冷过程连接为一整体，换热器高度可达60～80米，换热效率得到明显提高，但存在的问题是换热工艺流程过于复杂，换热设备体积过于庞大，给加工制造、现场安装及运输带来严重不便，且一旦出现管道泄漏等问题，难于检测，很容易造成整台换热器报废，成套工艺装备停产。另外，由于普通列管式换热器采用管板连接平行管束方式，结构简单，自收缩能力较差，一般为单股流换热，换热效率较低，体积较大，温差较小，难以将天然气在一个流程内冷却并液化。此外，以螺旋缠绕管式换热器为主液化设备的大型LNG液化系统，也具有三段式混合制冷剂制冷的特点，加上缠绕管式换热器具有自紧收缩的功能及单位体积换热面积大等优点，适用于大型LNG低温液化环境，具有很高的液化效率及经济性，一般适用于日产100万至500万方的LNG系统。由于天然气液化系统受气源产量的限制，大多数中小型气田的日产量多在60万至100万方之间，如使用大型缠绕管式换热器的液化系统就不经济，加工制造成本及投资太大。板翅式换热器相对于缠绕管式换热器同样具有很高的换热效率，多采用高强度铝合金材料后，导热系数大，单位体积换热面积大，且总体高度相当于缠绕管式换热器的三分之一，换热器总体尺寸较小，无管板，对换热器在低温工况下的自紧收缩要求较小，特别适用于60万至100万方之间的产量较小的LNG液化系统。近年来，随着海洋领域内的浮式LNG液化船的发展，一般将海底开发出来的天然气直接在浮式FLNG液化船上液化，由于受LNG液化船晃动及空间小等问题的影响，主液化换热器不宜太高，如使用较高的缠绕管式换热器做为主液化设备，即便分段后其高度也会严重影响LNG船在海洋上的稳定性，而板翅式换热器在相同产量下较缠绕管式换热器具有较低的总体高度，如再分段制冷后，更适用于FLNG浮式液化船等系统。本发明主要针对60万至100万方之间的陆地LNG及海洋用FLNG液化系统，根据LNG三级低温液化特点，采用三段各自独立的板翅式换热器做为主要换热设备，分段独立制冷，重点针对第二级N₂—CH₄混合制冷剂制冷工艺流程，研究开发温区介于－120℃～－164℃之间的第三级制冷工艺技术及装备，解决第三级天然气低温液化核心技术问题，即LNG低温液化三级制冷三股流板翅式换热器结构及工艺流程问题。

技术实现要素：

本发明主要针对天然气三级－120℃～－164℃制冷问题，采用具有体积小、换热效率高、换热温差大的三股流板翅式换热器做为主换热设备，应用N₂—CH₄制冷剂先预冷后节流的制冷工艺流程，控制相变制冷流程，进而控制天然气预冷温度及压力，提高换热效率，解决天然气三级预冷问题。

本发明的技术解决方案：

LNG低温液化三级制冷三股流板翅式换热器，包括天然气进口法兰1、天然气进口接管2、天然气进口管箱3、节流后N₂—CH₄出口法兰4、节流后N₂—CH₄出口接管5、节流后N₂—CH₄出口管箱6、节流后N₂—CH₄出口导流板7、折板8、左封条9、下封条10、N₂—CH₄出口管箱11、N₂—CH₄出口U型接管12、节流阀13、天然气出口法兰14、天然气出口接管15、天然气出口管箱16、节流后N₂—CH₄进口法兰17、节流后N₂—CH₄进口接管18、节流后N₂—CH₄进口管箱19、节流后N₂—CH₄进口导流板20、右封条21、上封条22、N₂—CH₄进口法兰23、N₂—CH₄进口接管24、N₂—CH₄进口管箱25、天然气进口导流板26、天然气出口导流板27、N₂—CH₄进口导流板28、N₂—CH₄出口导流板29、隔板30、前面板31、后面板32；所述节流阀13，包括锥面第一密封圈33、锥面第二密封圈34、节流阀阀座35、节流阀弹簧36、卡箍37、销杆38、节流阀阀盖39、压紧螺钉40、弹簧第一垫圈41、弹簧第二垫圈42、节流阀阀杆43、节流阀阀体44；其特征在于：前面板31与后面板32之间依次相间连接折板8与隔板30；折板8上部依次连接节流后N₂—CH₄出口导流板7、天然气进口导流板26、N₂—CH₄进口导流板28，并形成多组连接；折板8下部依次连接节流后N₂—CH₄进口导流板20、天然气出口导流板27、N₂—CH₄出口导流板29，并形成多组连接；左封条9依次连接于换热器左侧隔板30之间；右封条21依次连接于换热器右侧隔板30之间；上封条21依次连接于换热器上侧隔板30之间，且依次开有各股流体进出通道；下封条10依次连接于换热器下侧隔板30之间，且依次开有各股流体进出通道；节流后N₂—CH₄出口通道与节流后N₂—CH₄进口通道位于同一层内，并形成节流后N₂—CH₄侧夹层；天然气进口通道与天然气出口通道位于同一层内，并形成天然气侧夹层；N₂—CH₄进口通道与N₂—CH₄出口通道位于同一层内，并形成N₂—CH₄侧夹层；节流后N₂—CH₄侧夹层、天然气侧夹层、N₂—CH₄侧夹层依次排列形成一组夹层，多组夹层依次排列组成整体换热器；每组夹层中的节流后N₂—CH₄出口、天然气进口、N₂—CH₄进口在换热器顶部依次排成三列，并依次形成节流后N₂—CH₄出口列、天然气进口列、N₂—CH₄进口列；节流后N₂—CH₄出口列、天然气进口列、N₂—CH₄进口列顶部依次分别连接半圆柱型节流后N₂—CH₄出口管箱6、天然气进口管箱3、N₂—CH₄进口管箱25；节流后N₂—CH₄出口列、天然气进口列、N₂—CH₄进口列底部各口依次分别连接节流后N₂—CH₄出口导流板7、天然气进口导流板26、N₂—CH₄进口导流板28；节流后N₂—CH₄—C₂H₄出口导流板7、天然气进口导流板26、N₂—CH₄进口导流板28底部依次分别连接各夹层内折板8顶部；节流后N₂—CH₄出口管箱6、天然气进口管箱3、N₂—CH₄进口管箱25三个管箱依次排列并分别连接于换热器顶部；节流后N₂—CH₄出口管箱6、天然气进口管箱3、N₂—CH₄进口管箱25顶部分别连接节流后N₂—CH₄出口接管5、天然气进口接管2、N₂—CH₄进口接管24；节流后N₂—CH₄出口接管5、天然气进口接管2、N₂—CH₄进口接管24顶部分别连接节流后N₂—CH₄出口法兰4、天然气进口法兰1、N₂—CH₄进口法兰23；每组夹层中的N₂—CH₄出口、天然气出口、节流后N₂—CH₄进口在换热器底部依次排成三列，并依次形成N₂—CH₄出口列、天然气出口列、节流后N₂—CH₄进口列；N₂—CH₄出口列、天然气出口列、节流后N₂—CH₄进口列底部依次分别连接半圆柱型N₂—CH₄出口管箱11、天然气出口管箱16、节流后N₂—CH₄进口管箱19；N₂—CH₄出口列、天然气出口列、节流后N₂—CH₄进口列顶部依次分别连接N₂—CH₄出口导流板29、天然气出口导流板27、节流后N₂—CH₄进口导流板20；N₂—CH₄出口导流板29、天然气出口导流板27、节流后N₂—CH₄进口导流板20顶部依次分别连接各夹层内折板8底部；N₂—CH₄出口管箱11、天然气出口管箱16、节流后N₂—CH₄进口管箱19三个管箱依次排列并分别连接于换热器底部；天然气出口管箱16、节流后N₂—CH₄进口管箱19底部分别连接天然气出口按管15、节流后N₂—CH₄进口接管18；天然气出口按管15、节流后N₂—CH₄进口接管18底部分别连接天然气出口法兰14、节流后N₂—CH₄进口法兰17；N₂—CH₄出口管箱11底部连接N₂—CH₄出口U型接管12；N₂—CH₄出口U型接管12右侧连接节流后N₂—CH₄进口管箱19，中部安装节流阀13；节流阀阀杆43右侧螺纹连接节流阀阀盖39；节流阀阀盖39安装于节流阀阀座35内；节流阀阀座35通过压紧螺钉40连接节流阀阀体44；销杆48穿过节流阀阀盖39及节流阀阀杆43；卡箍37安装于节流阀阀盖39卡槽内；节流阀弹簧36安装于节流阀阀盖39与节流阀阀座35内，中心为节流阀阀杆43，右侧与弹簧第一垫圈41接触，左侧与弹簧第二垫圈42接触；节流阀弹簧36预紧节流阀阀杆43左侧阀芯锥面与节流阀阀体44左侧扩压罩内表面形成密封面；锥面第一密封圈33、锥面第二密封圈34从左至右依次安装于节流阀阀杆43左侧阀芯锥面密封槽内。

折板8横向断面为锯齿形，整体为长方面形铝合金折板；隔板30、前面板31、后面板32为长方体形铝合金薄板；折板8依次交叉安装于隔板30之间，开口向上；节流后N₂—CH₄出口导流板7、天然气进口导流板26、N₂—CH₄进口导流板28横向断面均为锯齿形，上下两端横向断面锯齿高度相同，上下两端横向断面锯齿长度不同，上部断面锯齿长度小于下部断面锯齿长度；节流后N₂—CH₄进口导流板20、天然气出口导流板27、N₂—CH₄出口导流板29横向断面均为锯齿形，上下两端横向断面锯齿高度相同，上下两端横向断面锯齿长度不同；上部断面锯齿长度大于下部断面锯齿长度。

应用N₂—CH₄混合制冷剂在三股流板翅式换热器内将6.0MPa、－120℃天然气冷却至－164℃并液化，以便LNG过冷贮存及方便运输；应用板翅式换热器首先预冷并液化非共沸N₂—CH₄混合制冷剂，N₂—CH₄液化后再节流至混合制冷剂侧冷却来自二级的出口温度为－120℃的天然气、N₂—CH₄混合制冷剂，使天然气侧天然气及N₂—CH₄侧混合制冷剂均被液化，达到混合制冷剂节流前预冷及天然气低温液化目的。

补充混合制冷剂由节流后N₂—CH₄进口接管18补入。

N₂—CH₄在－120℃及1.58MPa时进入N₂—CH₄进口管箱25，在N₂—CH₄进口管箱25内分配于N₂—CH₄进口列各进口，通过各进口再进入每组夹层中的N₂—CH₄侧夹层，被节流后的N₂—CH₄混合制冷剂预冷液化，再经N₂—CH₄出口列各出口流至N₂—CH₄出口管箱11，温度降低至－164℃、压力降低至1.38MPa，再经安装于N₂—CH₄出口U型接管12内的节流阀节流，节流后压力降低至0.3MPa，节流后氮温度变为－185℃，处于气液两相状态，节流后甲烷温度变为－163.5℃，处于液相过冷状态，节流后混合制冷剂为气液两相，再经N₂—CH₄出口U型接管12进入节流后N₂—CH₄进口管箱19，经节流后N₂—CH₄进口列各进口进入每组夹层中的节流后N₂—CH₄侧夹层，向上流动冷却N₂—CH₄侧夹层、天然气侧夹层后，在－130℃、0.3MPa时，经节流后N₂—CH₄出口列各出口，进入节流后N₂—CH₄出口管箱6汇合，再经节流后N₂—CH₄出口接管5流出三级制冷板翅式换热器并进入二级制冷板翅式换热器。

天然气在－120℃、5.5MPa时进入天然气进口管箱3，在天然气进口管箱3内分配于天然气进口列各进口，通过各进口再进入每组夹层中的天然气侧夹层，被节流后N₂—CH₄侧夹层内的混合制冷剂预冷，预冷后温度降低至－164℃、压力降低至5.3MPa时液化，液化后经天然气出口列流至天然气出口管箱16，再经天然气出口接管15流出三级制冷装置，节流降压后送入LNG贮罐。

节流阀工作时，N₂—CH₄自右侧节流阀阀座35顶部通孔进入节流阀阀座35与节流阀阀体44之间环形通道，并作用于节流阀阀杆43锥形密封面，当压力大于节流阀弹簧36设定预紧压力时，推动节流阀阀杆43，带动节流阀阀盖39向左运动，节流阀打开并节流制冷剂。节流阀设定压力可根据系统设计压力设定，通过节流阀阀盖39与节流阀阀杆43之间的节流阀弹簧36预紧力调节，预紧力通过旋转节流阀阀盖39并改变节流阀弹簧36预紧高度的方法实现节流制冷；节流阀在安装之间须进行节流试验并进行精确调节，调节满足节流要求后安装于N₂—CH₄出口U型接管12管内。

方案所涉及的原理问题：

首先，传统的LNG混合制冷剂天然气液化系统采用整体换热方式，换热效率较级联式LNG液化系统有了明显提高，使换热器数量减少，整体液化工艺流程得到简化，独立运行的制冷系统减少，管理方便，但存在的问题是液化工艺流程简化后，使LNG主换热器体积庞大，换热工艺复杂，加工制造、现场安装及运输难度增大，且一旦出现管道泄漏等问题，难于检测，容易造成整台换热器报废，成套工艺装备停产。为解决这一问题，本发明将主换热器内天然气温度变化过程分为36℃～－53℃、－53℃～－120℃，－120℃～－164℃三个级别，采用三个独立的换热器，完成三个温度区间由高至低的换热过程，重点研究开发第三级－120℃～－164℃低温换热流程及第三级板翅式换热器总体结构及进出口参数，并采用N₂—CH₄制冷剂制冷工艺，解决第三段制冷换热设备问题。研究过程相对独立，可与前两段连接成为整体，连接后与整体式主换热换热原理一致，便于主换热器分拆后运输及安装。其次，采用N₂—CH₄制冷剂制冷工艺后，节流前须对N₂—CH₄进行过冷。冷剂进口为1.58MPa、－120℃时，N₂—CH₄混合制冷剂中甲烷已经被液化，氮仍未达到饱和，处于气相状态，当压力达到1.38MPa、预冷温度达到－164℃时，氮达到饱和并被液化，液化后再节流可得到更大的制冷量。预冷过程与天然气液化及过冷过程同时进行，所以，须采用三股流板翅式换热器低温换热。N₂—CH₄混合制冷剂主要用于三级制冷过程，节流前须经－53℃～－120℃、－120℃～－164℃两段低温预冷过程，在二级制冷过程中，N₂—CH₄混合制冷剂预冷过程与天然气液化及C₂H₄过冷过程同时进行。传统的列管式换热器由于采用了两块大管板连接平行管束结构，体积较大，换热温差较小，易分区，管间距较大，自收缩能力较差，一般适用于单股流换热，换热效率较低，难以将天然气在一个流程内冷却并液化，不易完成多股流均匀换热过程。本发明开发了可承受6.4MPa压力、低温－185℃的高强度铝合金三股流板翅式换热器，可完成高压低温工况下双股流换热过程。采用非共沸N₂—CH₄混合制冷剂后，可使饱和液氮节流后冷剂进口温度达到－185℃，产生足够的传热温差推动力。同时，甲烷在过冷状态下节流至－163.5℃过冷状态，可继续利用其显热，达到饱和温度－146℃时再蒸发，使三级液化过程具有三个低温换热温度，包括两个蒸发温度，以此降低传热过程熵增量，减少传热过程损失。此外，以缠绕管式换热器为主液化设备的大型LNG液化系统一般适用于每天100万至500万方的大型天然气液化系统。当产量介于60万至100万方之间时，板翅式换热器相对于缠绕管式换热器同样具有很高的换热效率，多采用高强度铝合金材料后，导热系数大，单位体积换热面积大，且总体高度相当于缠绕管式换热器的三分之一，无管板，对换热器在低温工况下的自紧收缩要求较小，特别适用于产量较小的LNG液化系统。近年来，随着海洋领域内的浮式LNG液化船的发展，一般将海底开发出来的天然气直接在浮式LNG液化船上液化，由于受LNG液化船晃动及空间小等问题的影响，主液化换热器不宜太高，如使用较高的缠绕管式换热器做为主液化设备，即便分段后其高度也会严重影响LNG船在海洋上的稳定性，而板翅式换热器在相同产量下较缠绕管式换热器具有较低的总体高度，如再分三段处理后，可有效降低换热器高度，不但适用于陆地60万至100万方之间的天然气液化系统，更适用于浮式LNG液化船等系统。

本发明的技术特点：

本发明主要针对每天60万至100万方之间的 LNG低温液化三级制冷三股流板翅式换热器，采用具有体积小、换热效率高、换热温差大的三股流板翅式换热器做为主换热设备，应用N₂—CH₄先预冷后节流制冷的制冷工艺流程，解决天然气在－120℃～－164℃的三级制冷问题；三级制冷过程用三股流板翅式换热器具有结构紧凑，多种介质带相变传热，传热系数大，可解决大型LNG低温液化过程中天然气三级混合制冷剂预冷、天然气低温液化技术难题，提高系统换热及液化效率；应用三级LNG低温液化过程后，LNG主换热器可分为三个独立的换热器，体积减小，可分段进行加工制造、运输及现场安装，一旦出现管道泄漏等问题，易于检测，不易造成整台换热器报废及成套工艺装备停产； LNG低温液化三级制冷三股流板翅式换热器可合理分配液化段及过冷段的热负荷，使液化段和过冷段相对协调，可结合大型换热器的载荷分配以及换热管强度特性，从理论上保证缠绕过程均匀且强度符合设计要求；合理选择了换热器进出口位置及物料，可使换热器结构更加紧凑，换热过程得到优化；由于是多种介质带相变换热过程，对不同介质之间的压差和温差限制要求较小，生产装置操作难度降低，安全性得以提高，可用于陆地LNG及海洋FLNG领域，实现－120℃～－164℃天然气低温预冷过程，解决LNG三级制冷技术难题。此外，三级制冷板翅式换热器将管道内置节流制冷技术应用于N₂—CH₄节流制冷过程，使三级板翅式换热器具有先预冷后节流制冷的功效，可获得三级－120℃～－164℃天然气液化制冷区间，满足LNG低温液化温度要求。

附图说明

图1为LNG低温液化三级制冷三股流板翅式换热器的节流后N₂—CH₄侧板翅流形图。

图2为LNG低温液化三级制冷三股流板翅式换热器的天然气侧板翅流形图。

图3为LNG低温液化三级制冷三股流板翅式换热器的N₂—CH₄侧板翅流形图。

图4为LNG低温液化三级制冷三股流板翅式换热器的顶部封条及进出口列下视示意图。

图5为LNG低温液化三级制冷三股流板翅式换热器的底部封条及进出口列上视示意图。

图6为LNG低温液化三级制冷三股流板翅式换热器的折板与隔板相间排板示意图。

图7为LNG低温液化三级制冷三股流板翅式换热器的节流阀结构图。

具体实施方式

将N₂—CH₄在－120℃及1.58MPa时打入N₂—CH₄进口管箱25，在N₂—CH₄进口管箱25内分配于N₂—CH₄进口列各进口，通过各进口再进入每组夹层中的N₂—CH₄侧夹层，被节流后的N₂—CH₄混合制冷剂预冷液化，再经N₂—CH₄出口列各出口流至N₂—CH₄出口管箱11，温度降低至－164℃、压力降低至1.38MPa，再经安装于N₂—CH₄出口U型接管12内的节流阀节流，节流后压力降低至0.3MPa，节流后氮温度变为－185℃，处于气液两相状态，节流后甲烷温度变为－163.5℃，处于液相过冷状态，节流后混合制冷剂为气液两相，再经N₂—CH₄出口U型接管12进入节流后N₂—CH₄进口管箱19，经节流后N₂—CH₄进口列各进口进入每组夹层中的节流后N₂—CH₄侧夹层，向上流动冷却N₂—CH₄侧夹层、天然气侧夹层后，在－130℃、0.3MPa时，经节流后N₂—CH₄出口列各出口，进入节流后N₂—CH₄出口管箱6汇合，再经节流后N₂—CH₄出口接管5流出三级制冷板翅式换热器并进入二级制冷板翅式换热器。

天然气在－120℃、5.5MPa时进入天然气进口管箱3，在天然气进口管箱3内分配于天然气进口列各进口，通过各进口再进入每组夹层中的天然气侧夹层，被节流后N₂—CH₄侧夹层内的混合制冷剂预冷，预冷后温度降低至－164℃、压力降低至5.3MPa时液化，液化后经天然气出口列流至天然气出口管箱16，再经天然气出口接管15流出三级制冷装置，节流降压后送入LNG贮罐。

节流阀工作时，N₂—CH₄自右侧节流阀阀座35顶部通孔进入节流阀阀座35与节流阀阀体44之间环形通道，并作用于节流阀阀杆43锥形密封面，当压力大于节流阀弹簧36设定预紧压力时，推动节流阀阀杆43，带动节流阀阀盖39向左运动，节流阀打开并节流制冷剂。节流阀设定压力可根据系统设计压力设定，通过节流阀阀盖39与节流阀阀杆43之间的节流阀弹簧36预紧力调节，预紧力通过旋转节流阀阀盖39并改变节流阀弹簧36预紧高度的方法实现节流制冷；节流阀在安装之间须进行节流试验并进行精确调节，调节满足节流要求后安装于N₂—CH₄出口U型接管12管内。