虹吸式换热器在LNG冷能利用项目中的应用

丁力 袁丹 张荣伟 梁东

摘 要：本文在LNG冷能利用制冰项目的基础上，以实际调试经验及测试数据为依据，总结原有常规管壳式换热器的使用特性，提出了一种虹吸式换热器在该领域的应用方案。该换热器的应用可增强LNG冷能利用技术的可行性，与一般换热器相比，该设备具有耐高压、抗变形、投资少、占地小、运行费用低，操作维护便捷等优势。

关键词：虹吸式换热器；LNG；冷能利用；天然气

本文从技术可行性及安全性等方面，在示范项目技术成熟的基础上，总结调试及长期运行的经验，提出一种虹吸式换热器的应用方案，该换热器不仅可用于一般规模的LNG冷能利用项目，而且可实现核心设备全部国产化。

1 工况分析

根据某LNG气化站工况背景，该站占地约4.4×104 m2，是周边用户的主供气站，供气能力为6.4×104 m3/h。一般气化量为2500～36000 m3/h，气化压力为0.48～0.50MPa，管网外输压力为0.362～0.366 MPa。站内有8台150 m3的立式LNG储罐，1台1750 m3的LNG子母储罐，6个LNG槽车卸车位以及24台4000 m3/h的空温式气化器。

LNG直接气化时，由于LNG 的温度极低，使空气中的水分以及其它组分液化，形成冷雾。随着 LNG气化量的增加，冷雾范围逐渐扩大，浓度逐渐增加。在气化量高峰时，冷雾已经弥漫整个气化站，大量冷污染产生对站内运行及周边带来诸多影响。

安全隐患：生产区冷雾弥漫不利于运行人员巡查及操作，易造成人员滑跌摔伤，同时处于长期的低温潮湿环境中，不利于运行人员的身体健康。

环境影响：大量冷雾向周围环境扩散，对LNG站周边交通及行人安全造成不利影响。

设备损伤：低温潮湿环境造成站内管道、阀门、设备设施腐蚀加剧，同时也会影响仪表自控设备的不正常运转。

2 方案介绍

2.1 原冷能利用系统

此项目以除雾为目的，因此其用于制冰的气化量范围的设定必须以此为根本；从系统可操作性、安全性，投资规模，气化站运行状况及发展规划等方面考虑（几年内将通入管道气），该冷能利用项目的规模初步定为4000～20000Nm3/h。

在4000Nm3/h的气化低峰时，系统可将各冷媒温度调高，使制冰时间在12个小时左右，确保制冰的质量；在20000Nm3/h的气化高峰时，系统可将各冷媒温度调低，使制冰时间在6个小时左右，确保厂区除冷雾效果。

综上所述，冷能规模定为4000～20000Nm3/h，制冰量为100吨/天，远期日产冰160吨，既符合项目去除冷雾的目的，又满足当地市场需求，避免了由于设备建设规模过大，而造成的投资浪费、无法短期回收的不良后果。

此冷能利用系统启用后，各项指标达到设计标准，场站内雾场浓度明显降低，能见度高于原有工况，不影响场站附近区域的人员安全及公路运输。该制冰项目利用LNG冷能制1吨冰耗电约为4～5 kWh，远远低于传统电压縮制冰70 kWh/吨耗电量，节电效益显著。项目现已经运行三年，通过项目调试及长时间的数据统计，可较好的证明LNG冷能用于制冰工艺的可行性及安全性。

但是，该系统在工艺设计、设备安装、运行维护等方面仍有较大的优化改进空间。

2.2 问题分析

在设备选型方面，该系统的冷媒泵为低温泵，且冷媒在泵内遇热后容易在泵腔体内气化，产生的气蚀效应不仅对设备造成冲击，而且影响冷媒输送流量，给设备及系统运行带来不稳定因素。因此，该LNG冷能利用系统冷媒低温泵采用了进口设备，在一定程度上可减轻以上情况。

在系统运行生产方面，该LNG冷能制冰系统的耗电量，基本来源于自控系统，冷媒循环泵，及冰块运输设备，这三个方面。因此，如果取消部分冷媒循环泵，将有效的降低生产运营成本。

在设备现场安装方面，该系统由两套换热橇组成，第一套为LNG与相变冷媒换热，第二套为相变冷媒与制冰冷媒换热。该换热器在现场采用平行放置，设备占地较大，橇内管道复杂，现场驳接工作较多，且给日常维护管理带来不便。

3 新换热器介绍

针对上述LNG冷能制冰工艺采用进口低温泵，二级分离式换热器占地较大，维护工作量较多等现状，本文将原有核心设备进行了优化，即采用虹吸式换热器，该工艺不仅可取消部分冷媒循环泵，从根本上解决了冷媒泵内气蚀的可能性，而且现场可垂直叠加安装换热器部件。

该虹吸式换热器（见图3）是一种带有中间传热介质的换热器（IFV，intermediate fluid vaporizer，简称IFV），一般采用混合相变介质，其介质冰点较低，不易产生冰堵，符合与LNG的换热条件。同时该换热器结构可实现无动力冷媒循环，即自动完成自蒸发及冷凝的冷媒输送；换热器主体材料兼顾抗腐蚀性和耐低温性能；设备具有投资小、占地少、运行费用低和管理方便等相对优势，是LNG冷能利用的新型设备。

4 流程设计

使用虹吸式换热器制冰工艺描述如下：

LNG气化系统：-162℃的LNG与冷媒换热，温度升高至约-20℃，经复热器升温后进入下游用户。

冷媒循环系统：约-10℃的冷媒与LNG换热后，温度降低至约-80℃液化。在自身重力条件下，进入到换热器下部，冷媒在下部换热器将盐水温度降低，自身温度升高气化，进入换热器上部，重复与LNG换热，完成自然循环。

盐水系统：-5℃左右的盐水，接受来自冷媒的冷量后，温度降低至约-15℃，进入制冰机供冷，盐水温度升高至-5℃，返回换热器进入下一次循环。

为实现以上冷媒无动力循环，必须做好冷凝与蒸发的压差，及冷媒流量的计算，以防止出现流动受阻，局部冻堵等问题。

5 结论

虹吸式换热器已经在大量的工程实践中应用，结合LNG冷能利用项目实际调试经验及测试数据，通过上述的流程设计与计算，该套方案在技术及安全方面可行性极高。一旦虹吸式换热器用于LNG冷能利用系统，预计可降低10%设备投资，同时降低约20%项目运行的燃动成本。

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