液化天然氣裝備設計技術：液化換熱卷（簡體書）

隨著低溫制冷技術的不斷發展，低溫工藝及裝備設計制造技術日趨完善，在工業、農業、國防及科研等領域內的作用日益突顯，尤其在石油化工、煤化工、天然氣、空分等大型成套裝備技術領域具有重要地位，已廣泛應用於大型液化天然氣（LNG）、百萬噸化肥、百萬噸甲醇、大型氣體液化分離等重大系統裝備技術工藝流程中。

在LNG工業領域，大力發展LNG產業，提高天然氣能源在消費中的比例是調整我國能源結構的重要途徑。LNG既是天然氣遠洋運輸的唯一方法，又是天然氣調峰的重要手段。隨著國內眾多LNG工廠的相繼投產及沿海LNG接收終端的建設，我國LNG工業進入了高速發展時期，與之相關聯的LNG低溫制冷裝備技術也得到快速發展。LNG液化工藝主要包括天然氣預處理、液化、儲存、運輸、接收、再氣化等工藝單元，其中，液化工藝為核心工藝流程，主要應用低溫制冷工藝技術制取-162℃低溫環境並將天然氣液化。根據不同的LNG液化工藝，可設計並加工制造不同的制冷裝備，主要包括天然氣壓縮機、制冷劑壓縮機、天然氣冷箱、BOG壓縮機、氣液分離器、大型空冷器、LNG膨脹機、四級節流閥及各種過程控制裝備等。儲運工藝技術中還包括大型LNG儲罐、LNG立式儲罐、LNG氣化器、LNG潛液泵等。近年來，30萬立方米以上LNG系統多采用混合制冷劑板翅式主換熱裝備及液化工藝技術，60萬立方米以上大型LNG系統多采用混合制冷劑纏繞管式主換熱裝備及液化工藝技術，這兩種混合制冷劑LNG液化工藝技術具有集約化程度高、制冷效率高、占地面積小及非常便於自動化管理等優勢，已成為大型LNG液化工藝裝備領域內的標準性主流選擇，在世界範圍內已廣泛應用。目前，國內的大型LNG裝備一般隨著成套工藝技術整體進口，包括工藝技術包及主設備專利技術使用費等，造價非常昂貴，後期維護及更換設備的費用同樣巨大。由於大型LNG系統裝備及主設備大多仍未國產化，即還沒有成型的設計標準，因此給LNG制冷裝備的設計計算帶來了難題。

《液化天然氣裝備設計技術：液化換熱卷》主要圍繞LNG混合制冷劑液化工藝及換熱工藝中所涉及的主要低溫裝備，研究開發LNG液化工藝流程中核心主液化裝備的設計計算技術，主要包括LNG低溫液化混合制冷劑多股流纏繞管式主換熱裝備、LNG低溫液化混合制冷劑多股流板翅式主換熱裝備、天然氣進氣壓縮機及混合制冷劑壓縮機用表面蒸發空冷器、LNG開架式氣化器等裝備的設計計算技術，為LNG液化、LNG儲運、LNG接收及LNG氣化等關鍵環節中所涉及主要設備的設計計算提供可參考樣例，並推進LNG系列裝備及LNG系統工藝技術的標準化及國產化研究開發進程。此外，近年來由於低溫液氮洗、低溫甲醇洗等系統工藝技術在低溫氣體液化分離領域內占比越來越大，應用越來越廣泛，而這兩套工藝系統內最具特色的裝備為大型多股流纏繞管式主換熱裝備，是目前世界上設計計算難度最大的系列主設備之一，尤其低溫液氮用多股流纏繞管式換熱器，內含擴散制冷工藝技術且有10股以上低溫流體同時進行低溫多股流、多相流換熱過程，設計計算難度極大，在換熱領域內，同LNG低溫液化混合制冷劑多股流纏繞管式主換熱裝備並列為設計計算難度最大的換熱裝備，本書作者通過多年研究開發，已系統掌握這兩種主換熱裝備的設計計算技術，並通過本書一並呈送相關領域同行借鑒參考。

（1）LNG纏繞管式主換熱裝備

以目前最流行的MCHE型混合制冷劑LNG液化工藝為例，MCHE主換熱器為多股流纏繞管式換熱器，主要用於100×104m3/d以上大型LNG液化系統，是整個LNG液化工藝流程中的核心設備，可一次性將36℃天然氣冷卻至-162℃，並液化。由於MCHE主換熱器為工藝型換熱器，內含液化工藝，有5種以上混合制冷劑分凝預冷並同時制冷，是一種多股流回熱型換熱器，也是目前換熱器中體積最大、纏繞過程最復雜、設計計算難度最大的換熱器。MCHE型纏繞管式換熱器管內介質以螺旋方式流動，殼程介質逆流橫向交叉通過繞管，換熱器層與層之間換熱管反向纏繞，管、殼程介質以純逆流方式進行傳熱，即使在較低的雷諾數下其流動形態也為湍流，換熱系數較高，其結構相對緊湊、耐高壓且密封可靠、熱膨脹可自行補償，易實現大型LNG液化作業。美國APCI是LNG領域MCHE最大的供貨商，在1977～2013年間，生產了120套LNG裝置，其液化能力累計達到4.3×108t/a。此外，德國Linde公司在近5年內一共生產了累計金屬重量達到3120t的多股流纏繞管式換熱器應用於LNG工廠。自2010年以來，由蘭州交通大學張周衛等主持研究開發LNG纏繞管式換熱器等項目，目前，已出版《纏繞管式換熱器》專著一部，開發MCHE專用軟件一套，申報發明專利12項，發表論文14篇，涉及12類不同溫區的纏繞管式換熱器，並系統開發了纏繞管式換熱器設計計算方法，可用於設計計算LNG專用系統纏繞管式換熱器、低溫甲醇洗系列纏繞管式換熱器、低溫液氮洗系列纏繞管式換熱器等各種類型纏繞管式換熱器。本書給出了專用於計算MCHE型LNG混合制冷劑用纏繞管式換熱器的一個計算事例，供相關行業的同行參考。

（2）LNG板翅式換熱器

LNG板翅式換熱器主要用於30×104m3/d以上大型LNG液化系統，是該系統中的核心設備，一般達到60×104m3/d以上時，采用並聯兩套的模塊化辦法，實現LNG系統的大型化。基於板翅式換熱器的LNG液化工藝也是目前非常流行的中小型LNG液化系統的主液化工藝。從2013年開始，由蘭州交通大學張周衛等開始研究開發大型LNG混合制冷劑用多股流板翅式換熱器，並前後開發了LNG混合制冷劑板翅式換熱器、LNG一級三股流板翅式換熱器、LNG二級四股流板翅式換熱器、LNG三級五股流板翅式換熱器等系列LNG板翅式換熱器，申報發明專利4項。本文根據項目開發情況，給出了LNG混合制冷劑多股流板翅式換熱器設計計算模型，供相關行業的同行參考。

（3）表面蒸發空冷器

表面蒸發空冷器常用於天然氣壓縮機、混合制冷劑壓縮機等出口高溫氣體的冷卻過程，其利用管外水膜的蒸發過程進一步強化管外傳熱過程，從而達到空冷的效果。基本工作原理是用泵將設備下部水池中的循環冷卻水輸送到位於水平放置的光管管束上方的噴淋水分配器，由分配器將冷卻水向下噴淋到傳熱管表面，使管外表面形成連續均勻的薄水膜；同時用風機將空氣從設備下部空氣入口吸入，使空氣自下而上流動，橫掠水平放置的光管管束。此時傳熱管的管外換熱除依靠水膜與空氣流間的顯熱傳遞外，管外表面水膜的迅速蒸發吸收了大量的熱量，強化了管外傳熱。由於水具有較高的汽化潛熱（1atm時為2386kJ/kg），因此管外表面水膜的蒸發大大強化了管外傳熱，使設備總體傳熱效率明顯提高。本書根據表面蒸發空冷器強化換熱原理，給出了一種表面蒸發空冷器的設計計算方法，僅供參考。

（4）LNG開架式氣化器

LNG開架式氣化器是用海水作為熱媒將液態LNG氣化為氣體。開架式氣化器結構簡單，外部接口有LNG入口、氣化後的LNG出口以及海水進出口、換熱管安裝在框架結構內。氣化器的基本單元是傳熱管，由若幹傳熱管組成板狀排列，兩端與集氣管或集液管焊接形成一個管束板，再由若幹個管束板組成氣化器。LNG從下部總管進入，然後分配到每個小的換熱管內，在換熱管束內由下向上流動。氣化器頂部裝有海水分布裝置，海水由頂部進入，經分布器分配成薄膜狀均勻沿管束外壁下降，同時將熱量傳遞給管內液化天然氣，使其加熱並氣化。本書根據LNG開架式氣化器工作原理，給出了一種LNG開架式氣化器的設計計算方法，僅供參考。

（5）低溫液氮洗用多股流纏繞管式換熱器

與LNG纏繞管式換熱器設計相關聯的低溫液氮洗用多股流纏繞管式換熱器主要應用於液氮洗工藝，主換熱工藝流程主要包括三個階段，由三個不同換熱溫區的換熱器組成，其中，第一個階段是將壓縮後的高壓氮氣進行預冷，將42℃高壓氮氣預冷至-63.6℃；第二個階段是將高壓氮氣及低溫甲醇工藝來的凈化氣從-63.6℃冷卻至-127.2℃，為低溫液化做準備；第三個階段是將-127.2℃高壓氮氣冷卻至-188℃並液化及將-127.2℃凈化氣冷卻至-188.2℃，三個過程連續運行並連接成為一個整體式低溫液氮回熱換熱裝備。本書給出了低溫液氮洗用多股流纏繞管式換熱器設計計算模型，供相關行業的同行參考。

本書共分6章，第1章、第2章、第3章由張周衛、郭舜之負責撰寫並編輯整理，第4章、第5章、第6章由汪雅紅、趙麗負責撰寫並編輯整理；全書最後由張周衛統稿。

本書受國家自然科學基金（編號：51666008）、甘肅省財政廳基本科研業務費（編號：214137）、甘肅省自然科學基金（編號：1208RJZA234）等支持，在此表示感謝！

本書按照目前所列裝備設計計算開發進度，重點針對5項裝備進行研究開發，總結設計計算方法，並與相關行業內的研究人員共同分享。由於水平有限、時間有限及其他原因，本書難免存在不足之處，希望同行及廣大讀者批評指正。

蘭州交通大學

張周衛 郭舜之 汪雅紅 趙麗

2017年12月1日

第1章緒論
1．1LNG應用領域/001
1．2LNG工廠國內外發展現狀/002
1．2．1國外發展及現狀/002
1．2．2國內發展及現狀/003
1．3LNG產業鏈/003
1．4LNG產業鏈各環節主要工藝概述/004
1．4．1LNG凈化工藝/004
1．4．2LNG液化工藝/006
1．4．3LNG接收站工藝/009
1．4．4LNG加氣站工藝流程/010
1．5LNG主要裝備技術/011
參考文獻/011

第2章LNG纏繞管式換熱器設計計算
2．1LNG多股流低溫纏繞管式換熱器/012
2．1．1纏繞管式換熱器設計計算路線/012
2．1．2MCHE型LNG液化工藝描述/013
2．1．3LNG纏繞管式換熱器設計原則/020
2．2纏繞管式換熱器換熱工藝計算/021
2．2．1換熱工藝計算主要內容/021
2．2．2纏繞管式換熱器的制冷過程溫熵圖的繪制/030
2．2．3制冷裝備通過真空層向外界輻射散熱量的計算/035
2．2．4一級制冷裝備傳熱及管束結構參數計算過程/036
2．2．5二級制冷裝備傳熱及管束結構參數計算過程/048
2．2．6三級制冷裝備傳熱及管束結構參數計算過程/051
2．3纏繞管式換熱器結構設計計算/054
2．3．1內筒的強度設計計算/054
2．3．2換熱管規格及選型/058
2．3．3管板設計/059
2．3．4法蘭與墊片/059
2．3．5保溫層及保溫材料選擇/062
2．3．6開孔補強計算/062
2．3．7中心筒的強度校核/076
2．4塔的強度設計/077
2．4．1塔殼（外筒）的強度計算/077
2．4．2塔的質量載荷計算/082
2．4．3塔的自振周期計算/084
2．4．4地震載荷和地震彎矩的計算/084
2．4．5風載荷和風彎矩計算/087
2．4．6計算各截面的最大彎矩/088
2．4．7塔殼穩定校核/090
2．4．8裙座穩定計算/091
2．4．9地腳螺栓座計算/093
2．4．10裙座與塔殼對接連接焊縫的驗算/096
2．4．11設計總匯/097
2．4．12塔器設計主要符號說明/097
2．5本章小結/098
參考文獻/098

第3章LNG板翅式換熱器設計計算
3．1板翅式換熱器簡介/101
3．1．1板翅式換熱器國內外發展/101
3．1．2板翅式換熱器的構造及工作原理/102
3．1．3基於PFHE的LNG液化系統/102
3．1．4基於板翅式換熱器的混合制冷劑制冷系統/102
3．1．5液化天然氣工藝流程操作及控制/103
3．2板翅式換熱器的工藝計算/103
3．2．1板翅式換熱器的工藝設計過程/103
3．2．2混合制冷劑參數確定/103
3．2．3基於板翅式換熱器的LNG液化流程/104
3．2．4LNG工藝計算過程/105
3．2．5板翅式換熱器傳熱系數、傳熱面積計算及板束排列及壓力降計算/113
3．3板翅式換熱器結構設計/139
3．3．1封頭設計/139
3．3．2液壓試驗/144
3．3．3接管確定/146
3．3．4接管補強/149
3．3．5法蘭與墊片選擇/158
3．3．6隔板導流片封條的選擇/161
3．3．7換熱器的成型安裝/163
參考文獻/164

第4章表面蒸發空冷器設計計算
4．1空冷技術概述/166
4．1．1國外空冷技術發展概況/167
4．1．2我國空冷技術發展概況/167
4．1．3工作原理/169
4．1．4蒸發空冷器的特點/169
4．1．5親水膜/170
4．2空冷器的設計計算/170
4．2．1空冷器的設計計算方法和步驟/170
4．2．2詳細計算/175
4．3噴淋系統的設計/198
4．3．1噴頭的選用/198
4．3．2噴淋水質的要求/198
4．3．3噴淋系統/198
4．4管束結構與計算/201
4．4．1管束的布管設計/201
4．4．2管箱結構形式/201
4．4．3管束材料/202
4．4．4管束支撐梁的計算/202
4．4．5管束定距結構/208
4．4．6絲堵式焊接矩形管箱的設計計算/209
4．5構架/215
4．5．1構架的型式與參數/215
4．5．2構架載荷的計算/217
4．5．3構架材料選用的一般原則/219
4．6百葉窗/219
4．6．1葉窗的用途/219
4．6．2百葉窗的安裝方式/220
4．6．3一般要求/220
4．6．4百葉窗的結構/220
4．7風機的選用/220
4．7．1風機的選型方法/220
4．7．2通風機選型的一般步驟/221
4．7．3軸流式通風機/222
4．7．4性能參數表/222
4．7．5離心式通風機/223
4．7．6風機型式及傳動方式/224
4．7．7離心通風機的安裝與使用/225
4．7．8通風機噪聲/226
4．8空冷器的防凍設計/227
4．8．1確定防凍設計依據/227
4．8．2熱損失和防凍要求/227
4．8．3計算最低的管壁溫度/227
參考文獻/228

第5章開架式氣化器設計計算
5．1概述/230
5．1．1背景及意義/230
5．1．2開架式氣化器結構和工作原理/230
5．1．3LNG組分及物性/231
5．1．4設計基本參數/231
5．2氣化器換熱計算/232
5．2．1氣化器傳熱面積的確定/232
5．2．2氣化器的氣化能力的確定/232
5．2．3氣化單位質量液化天然氣所需的熱量/232
5．2．4氣化器的傳熱系數的確定/233
5．2．5開架式氣化器結構尺寸的確定/247
5．3LNG開架式海水氣化器設計選材/248
5．3．1氣化器概述/248
5．3．2影響氣化器選材的因素/249
5．3．3材料傳熱性能/249
5．3．4材料低溫性能/249
5．3．5材料耐腐蝕性能/249
5．3．6常用材料性能比較/250
5．3．7氣化器材料選擇/250
5．4開架式氣化器的海水分布裝置/251
5．4．1海水水質的基本要求/251
5．4．2海水分布裝置結構/251
5．5LNG換熱管道裂紋及腐蝕/252
5．5．1工作環境及工況說明/252
5．5．2開架式氣化器基本結構/253
5．5．3LNG換熱管道裂紋分析/253
5．5．4傳熱管開裂成因及解決方案/254
5．6LNG管道腐蝕及應力計算/254
5．6．1鋁合金應力腐蝕性能/254
5．6．2鋁合金點蝕對應力集中系數影響/255
5．6．3點蝕數目和最深點蝕位置的影響/256
5．6．4點蝕系數對應力集中系數的影響/256
5．7法蘭設計/257
5．7．1螺栓法蘭連接設計內容/257
5．7．2本設計采用窄面整體法蘭/257
5．7．3整體法蘭計算/258
參考文獻/260

第6章低溫液氮洗用多股流纏繞管式換熱器
6．1設計方案及流程/262
6．1．1液氮洗工序生產流程圖/262
6．1．2設計工藝參數/264
6．1．3纏繞管換熱器設計計算過程/264
6．2氮氣及制冷劑的狀態計算/265
6．2．1高壓氮氣冷卻器的設計/265
6．2．2纏繞管換熱器殼程有效面積的計算/266
6．2．3殼側界膜換熱系數的計算/270
6．2．4管側界膜換熱系數的計算/272
6．2．5傳熱溫差計算（利用對數平均溫差法計算）/276
6．2．6管側壓力損失/278
6．2．7殼側壓力損失/279
6．3一號原料氣體冷卻器的設計計算過程/280
6．3．1一號原料氣體冷卻器螺旋管的確定/280
6．3．2纏繞管換熱器殼程有效面積的計算/282
6．3．3殼側界膜熱導率的計算/286
6．3．4管側界膜熱導率的計算/286
6．3．5傳熱溫差計算/291
6．3．6管內側壓力損失/293
6．3．7殼側壓力損失/295
6．4二號原料氣體冷卻器的設計計算過程/296
6．4．1二號原料氣體螺旋管的確定/296
6．4．2纏繞管換熱器殼程有效面積的計算/297
6．4．3殼側界膜熱導率的計算/300
6．4．4管側界膜熱導率的計算/302
6．4．5傳熱溫差計算/306
6．4．6管內側壓力損失/308
6．4．7殼側壓力損失/310
6．5換熱器機構設計與強度計算/311
6．5．1內筒的強度計算/311
6．5．2外筒（塔殼）的強度計算/316
6．5．3中心筒的強度校核/320
6．5．4管板設計/322
6．5．5法蘭與墊片/322
參考文獻/326

致謝
附錄混合制冷劑物性參數表