缠绕管式换热器在LNG工业领域的研究进展

张家楷，高文忠，齐登宸，齐家业

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

将天然气冷却至-162 ℃并液化可获得LNG[1]，经过液化后的LNG由远洋运输或者陆地传输至接收站，经过再气化后打入天然气管网。中国LNG产业地位日益提高，目前国内超过50座LNG工厂已建成并运营，在建、调试工厂超过60座。

主低温换热器是LNG工厂的关键设备，它能够对已开发的天然气进行气液转换，其性能决定了气化工厂LNG的生产能力[2]。目前常用的两种主要低温换热器是板翅式换热器(PFHE)和螺旋缠绕式换热器(SWHE)[3]。由于扩大SWHE的尺寸比PFHE更容易，SWHE成为大型陆上LNG装置的首选，也是针对高容量的FLNG平台上主要低温换热器的首选。缠绕管式SWHE因其多流能力强、紧凑度高、传热效率高、灵活性强、鲁棒性好的特点[4]，被广泛应用于90%的陆上液化天然气工厂和浮式生产储油和卸油装置(FPSO)[5]。

1 LNG缠绕管式换热器技术

工艺条件的变化对SWHE结构产生较大的影响，通过合理布置管束分布及选定换热管尺寸可调配液化段及过冷段的换热量[6]，从而达到气体充分液化的目的。考虑到LNG液化工厂热负荷均超过数十兆瓦以及低温下运行，通常采用奥氏体不锈钢及铝合金作为换热管材料，同时满足其耐低温及高换热能力的材料特性[7]。SWHE广泛应用于LNG液化工艺，相比于其他形式的换热器，优势十分明显：管、壳程介质以纯逆流方式进行传热，换热器效率相对较高。其中每层绕管均程反向互相缠绕，管程内介质以螺旋方式流动，壳程介质以逆流方式流经换热管外壁，即使在雷诺数较低的工况下，流动形态也为湍流。流体流动时受螺旋状换热管的引导使得流动方向不断改变，边界层厚度降低。此外，管外流体因壳程内部流动通道变化、产生轴向涡流，使得边界层分层，这提高了管、内外的传热系数，有效提高了换热器的热交换能力[8]。

耐高温高压、多股流动性强、整体焊接不易泄露。当一台SWHE存在多种介质共同传热时，由于其传热元件为螺旋形缠绕管，任意一根换热管均程螺旋盘状规则排列，相当于换热器内部存在无数膨胀节，管头温差受力小，伸缩性强，换热器可承受的不同介质间压差和温差更大，这提高了生产单元的可操作性，保证设备的安全性。

易实现多流股、多相流、大流量、大温差低温换热过程，广泛应用于天然气液化作业。SWHE管径较小、流道较长，管层与轴向间隙约为1～2 mm和2～6 mm，介质得以充分接触换热。由于该换热器换热系数高，可使得热段温差降低。高效换热器的热端温差远远低于普通管式换热器的热端温差。

2 LNG缠绕管式换热器应用及研究现状

2.1 国内应用及研究现状

由于国外对LNG的利用较早，LNG液化工艺配套设备发展相对成熟。1898年，世界上第一台SWHE由德国林德(Linde)公司制造，近5年内持续生产多股流缠绕管式换热器，并应用于LNG工厂，其累计金属重量达到3 120 t，所掌握的多股流缠绕管式换热器的设计与制造技术处于垄断地位[9]。在1977～2013年间，美国空气产品化学工程(Air Products)公司加工制造了120套LNG装置，其液化能力累计达到4.3×108t/a。

由于管的弯曲而产生的离心力引起的二次流动是螺旋管流动最显著的特征。因此，在相同雷诺数下，螺旋管内部流动的对流换热系数要高于直管内部流动的对流换热系数。早期研究重点为螺旋线圈的传热特性，探究层流和湍流平均努塞尔数的相关关系式[10]。

Ho[11]建立了非混合和混合气体流动条件下螺旋管换热器热工性能的理论模型。对螺旋管换热器的室内模型进行了实验研究，结果表明该模型与出口冷、热流体温度和热效率的预测值吻合度较高。

Neeraas等[12]建立了螺旋缠绕液化气换热器壳体侧局部传热系数和摩擦压降的测试装置。以氮气、甲烷、乙烷和甲烷/乙烷混合物为测试流体，进行了221次气体流动传热测量和80次气体流动摩擦压降测量，分析气体流动、液膜流动和两相剪切流动特性。

正戊烷是液化天然气工艺中典型的混合制冷剂，具有与液化天然气非常相似的物理性质。为了预测实际运行中管道间液相流动特性，Austegard等[13]以正戊烷和甲醇为实验液，分析液化气换热器中不同尺寸水平管间的流体降模特性。结果表明，当采用不同物性的液体及密集管时，现有经验公式已不适用。

由于MHEX几何复杂性，通常采用迭代方式选择几何参数。工艺规范要求进行流程的优化步骤，在设计完成后根据MHEX模型的预测对流程进行重新优化，重复这些步骤，直到满足收敛条件。Tsay等[14-15]建立了一个拟瞬态SWHE模型，考虑了螺旋管的几何参数和SWHE的流场特性，以同时满足工艺流程及详细设计的要求，并将其纳入天然气液化工艺流程表中。

Sharqawy[16]实验研究了流动形态对SWHE传热性能的影响。实验用螺旋缠绕管选用外径6 mm的不锈钢管，通过4个螺旋线圈集中串联而成，纵向和横向螺距均为12 mm。测试了轴向、径向和轴向-径向混合3种气流配制流动情况。结果表明，轴向-径向混合流型传热系数和压降最高，其次是轴向和径向混合流型。同时建立了不同流态下努塞尔数、科尔伯恩-j系数和摩擦系数的关联式，并与管组换热的努塞尔数关联式进行了比较。所得到的相关系数约为78%～98%，能够与实验数据吻合。

2.2 国内应用及研究现状

我国SWHE的国产化研究从上世纪70年代开始。90年代，国内第一台多股流高压缠绕管换热器由开封空分集团成功研发。目前，开封空分集团有限公司和合肥通用机械研究院已能够独立研究SWHE，而应用于大型 LNG陆地、浮式平台中的铝制和不锈钢-铝制SWHE设计和制造关键技术仍需完善。为了填补相关领域的技术空缺，国内学者对LNG绕管式换热器进行了大量研究。

Wang等[17-18]使用有向图方法描述不同液化过程的柔性流动回路，通过混合制冷剂的温度迭代不同组分的制冷剂汇流的焓值，避免参考焓值不同而产生误差，所提出的分布参数模型能够快速准确预测SWHE性能。为了研究倾斜对换热器性能的影响，还建立了浮动液化气螺旋缠绕式换热器在轧制条件下的数学模型，提出整体替代迭代算法。验证结果表明，预测和试验的流量分布和换热能力的平均偏差分别为16.3%和3.2%。换热能力随着轧制振幅的增大而减小，在3～15°的轧制振幅下，当壳体进口质量流量分布良好时，换热能力从2.2%降至6.7%。

为预测浮动液化天然气(FLNG)海上平台螺旋缠绕式换热器(SWHEs)的动态性能，Duan[19]建立了反映SWHE中多相流间传热的动态模型。该模型采用二维分区矩阵描述相变流之间的传热关系，并建立了一组基于分块矩阵的通用方程来计算相变流的热容，在汽相带、两相带和液相带均适用。

Ding[20-21]建立实验装置以测量热传递系数和观察流动模式。采用3层管束来模拟SWHE的实际结构和流动条件，测流体为丙烷。实验条件考虑因素如下：热通量为4～10 kW/m2，质量通量为40～80 kg/(m2·s)，蒸汽质量为0.2～1.0。结果表明，随着蒸汽质量的增加，传热系数的初始值先增大后减小；随换热量的增大，热通量对传热系数的影响逐渐增加。在±20%的偏差范围内，传热系数的相关性覆盖了98%的实验数据。

Sun[22]为了研究LNG浮式生产储卸装置双混合制冷剂液化过程中SWHE的性能，建立了DMR液化过程的实验装置和数值模拟模型。根据实验结果和REFPROP软件，选取晃动对SWHE性能的影响作为扰动来测试DMR液化过程的响应。结果表明，在所有的晃动情况下，由于晃动引起的SWHE换热性能降低在50%以内。

Hu[23]对乙烷/丙烷混合制冷剂的传热特性进行实验研究，采用乙烷摩尔分数为0～60%的混合制冷剂。随着蒸汽质量的增加，混合制冷剂的传热系数先逐渐增加后明显减小。通过改变乙烷摩尔分数和蒸汽质量传热系数最大下降幅度为21%，最大增量可达27%。同时还建立了混合烃类制冷剂在SWHE壳侧流动沸腾传热系数的相关关系式，与实验数据吻合较好。

Jian[24]对椭圆管式螺旋缠绕换热器进行了数值模拟，分析椭圆形绕管的主轴和副主轴对换热器流动性能的影响，希望通过减小壳侧压力降提高壳侧传热速率。结果表明，与圆管相比，当壳体侧压降与圆管相等时，椭圆管的自聚焦传热性能较好。随着椭圆管主轴长度的增加，摩擦系数f先减小后增大。而随着小轴的增大，f的变化趋势与大轴的增大相反。另外还通过采用遗传算法对SWHE进行多目标优化。优化结果表明，与原结构相比，优化结构的综合性能(K/ΔP)平均提高了315.4%，泵送消耗平均降低了65.5%。

Wang[25]基于液-固-热耦合方法，数值研究了结构参数对螺旋缠绕换热器管束流动特性、传热性能和应力分布的影响。结果表明，壳侧流型由横流变为斜流，随着翼顶角的增大，整体传热系数先增大后减小;最大应力也随进口流量增大而明显改变。由于传热温差较大，热应力在管束应力分布中处于主导地位。随着进口流量的增大，传热增强，温差减小，导致热应力比例减小，主应力影响增大。

Li[26]在验证SWHE模型的基础上，对缩合空隙率特性进行了数值研究。得到了6种制冷剂在不同运行参数和结构参数下的455个数值点。基于这些数据，评估了96种空隙率相关系数。

Wang[27]采用数值方法研究了SWHE的几何参数对热阻的影响。基于不同类型的目标函数，对SWHE进行了MOGA优化。与原结构相比，传统优化结果的综合性能评价因子(Nu/f1/3)平均提高了41.02%，而传统优化结果的综合性能评价因子(Nu/f1/3)平均提高了41.02%。entransy理论得到的最优结构的平均增强率为76.64%。

Yu[28]以丙烷为工质，对浮式平台SWHE两相流的传热特性进行了数值模拟，并与实验数据进行对比，模拟结果与实验结果趋势基本一致，误差小于±10%。研究指出：在海洋条件下管束外两相流动传热过程中，液膜起着关键的作用，提高晃动频率会提高液膜从管束表面逃逸的速度，对传热产生不利影响。同时发现，升降作用对传热过程的影响最弱，而轧制对管束外两相流动的影响最大。该数值模拟结果为液化天然气SWHE在浮式平台上的设计提供了依据。

3 结语

由于缠绕管式换热器加工制造较为困难，而LNG工厂工艺流程复杂多变，难以对换热器进行全面的实验分析，目前建立的路基、海上平台数值模型已能够预测换热器结构参数对流动特性的影响，管、壳程强化传热机理也得到进一步揭示，模拟准确性较高。为了提高LNG工厂的产量，有待对大型SWHE传热特性及流动特性进行进一步研究，为设备设计和结构改进提供理论依据。与此同时，随着海上天然气平台的不断增加，海面平台晃动也对SWHE的工作条件提出了更加严苛要求。未来我国对LNG的利用有增无减，亟待建立LNG用大型缠绕管式换热器通用设计规范准则。