哈雷钎焊板式换热器
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工程用大截面高压板翅式换热器的技术发展与现状

点击:2157 日期:[ 2014-04-26 21:14:09 ]
              LNG工程用大截面高压板翅式换热器的技术发展与现状                                龙江,毛忠     〔四川空分设备(集团)有限责任公司石化工程部,四川省简阳市建设中路239号 641400〕     摘要:随着国内外LNG工业的高速发展,对铝制板翅式换热器提出了新的要求,以往小截面、多只并/串连的板翅式换热器组合方案已不能满足大、中型液化天然气工业发展的需要。大截面高压板翅式换热器的换热单元个数少,承压能力高,能够尽量减少气流分配的不均性。大截面高压板翅式换热器的应用,也使得LNG冷箱内管道布置简单,安全性、可靠性大大提高,冷箱体积减小,满足了液化天然气工业发展的需要,也降低了用户投资成本。简介板翅式换热器的技术发展与现状,阐述大截面高压板翅式换热器的热力设计与结构优化。     关键词:液化天然气;高压板翅式换热器;大截面;翅片;优化设计;技术发展     中图分类号:TB657·5   文献标识码:B     前 言     近年来,随着国外液化天然气(LNG)工业的蓬勃发展与高压铝制板翅式换热器技术的逐步成熟,国外大中型液化装置上已有高压板翅式换热器应用的成功案例。为了适应国家能源战略对大型液化天然气装置国产化的需要,必须研制更高压力等级、更大截面的板翅式换热器。与大型绕管式换热器比较而言,板翅式换热器应用于大型液化天然气装置有以下特点:①流体组合方式灵活、传热温差小、效率高、结构紧凑;②大截面单元制造工艺逐步成熟,承压能力显著提高;③成熟的专业制造厂家多,采购周期短、经济性好。     1·川空板翅式换热器的技术发展与现状     20世纪50年代,板翅式换热器开始应用于空分设备,冶金、化学工业的蓬勃发展有力地推动了国内板翅式换热器的技术进步。四川空分设备(集团)有限责任公司(以下简称:川空)自1994年生产出第一台大型板翅式换热器以来,一直致力于中、高压板翅式换热器的研究、设计及制造, 1995年川空第一台中压板翅式换热器应用于天然气加工装置。经过多年的发展,川空板翅式换热器技术的发展取得了长足的进步。1997年为天津大港油田成功设计、制造了4·92 MPa、120万m3/d天然气加工装置用中压板翅式换热器; 1999年分别为辽河油田、大庆油田设计、制造了5·1、5·5 MPa大型中压板翅式换热器; 2002年为天津大港油田设计、制造了7·1 MPa高压板翅式换热器; 2005年为中海油番禺公司500万m3/d天然气加工装置配套液化冷箱,板翅式换热器最高设计压力达到7·7 MPa。     近年来,川空制造装备水平大幅提升,研发力量持续投入,为大截面高压板翅式换热器的研发、制造奠定了坚实的基础。川空8 MPa等级大截面高压板翅式换热器制造技术成熟,具备了单台大截面高压板翅式换热器〔最大可钎接尺寸: 1250 mm×1300 mm×9000 mm (宽×高×长,下同),最高设计压力: 8 MPa〕的设计、制造能力,能够充分保证产品的性能和质量,同时也具备了10 MPa等级高压板翅式换热器的设计、制造条件。     目前,川空1#真空钎焊炉的最大可钎接尺寸为1350 mm×1350 mm×6500 mm,川空2#真空钎焊炉的最大可钎接尺寸为1400 mm×1600 mm×10000 mm。在大型液化天然气关键设备国产化的研制过程中,川空试制了4台宽度为1300 mm、压力等级为8 MPa的样机,随后为中国石油提供了50万t/a天然气液化装置用高压板翅式换热器,最大板翅式换热器单元的尺寸为1300 mm×2300 mm×8800 mm (设计压力6 MPa,两只复合)。     2·大截面高压板翅式换热器的热力设计与结构优化     大截面高压板翅式换热器可满足液化天然气、天然气处理及加工、空气分离等装置大型化的要求,尽可能地解决装置大型化带来的换热单元个数多、管道布置复杂、气流分配不均匀、高压等新问题。     2·1 制造工艺     大截面高压板翅式换热器的热力设计和结构优化,与整个板翅式换热器制造工艺发展过程紧密相连、息息相关。只有准确、全面的板翅式换热器热力设计与结构优化才能使板翅式换热器在满足性能要求的同时,适应制造工艺的要求,并减小换热器的制造难度。     高压板翅式换热器芯体和低压板翅式换热器一样,由隔板、翅片、封条三部分组成。在相邻两隔板之间放置翅片及封条,组成一夹层,称为通道。对于大截面高压板翅式换热器而言,高压翅片是板翅式换热器的核心零件,不但要满足高效传热的要求,还要能够承受较高的压力。同时,由于承受的压力较高,隔板、翅片、封条等零件的钎焊要求也相应提高,必须要有与之相适应的成熟、可靠、先进的制造工艺技术与手段。LNG工程用板翅式换热器除了要满足上述两点工艺要求外,在设计时还需要重点解决换热器大型化后的两相流分配问题,以满足多级混合制冷工艺流程的要求,以及解决厚壁零件的制造、焊接问题。     2·2 设计软件     多年来,川空采用HYSYS模拟软件、HTFS-MUSE板翅式换热器设计软件设计天然气加工及处理、天然气液化等领域应用的板翅式换热器,也对上述软件做了大量工程化的二次开发,同时积累了大量宝贵的工程经验。换热器热力性能模拟准确是板翅式换热器设计的基础,川空对天然气液化冷箱多组分、低温、高压、超临界物系的物性做了大量的验证性工作,也在大量中小型天然气加工与处理装置、天然气液化装置上应用并验证了HYSYS模拟软件用于板翅式换热器设计计算的准确性。     HTFS-MUSE板翅式换热器设计软件是世界著名并被认可的行业软件,软件被引进以来,川空在应用板翅式换热器的空分设备、天然气加工及处理、氧氮液化、石油化工、乙烯等各个领域积累了大量的工程设计经验。     软件强大、完善的模拟计算功能,能够给板翅式换热器设计工程师提供大量的设计信息,如:换热器温度场的分布,各个通道不同截面的温度、压力、流速和阻力等信息,层间热负荷的偏差、综合考虑纵向与横向导热的影响、流体分配不均匀度等。结合川空目前的装备水平、工艺制造能力,工程师就能够综合考虑并优化设计出满足用户提出的各项要求、加工制造难度低、经济性好、可靠性高的板翅式换热器。     2·3 高效、高压翅片的形式选择与加工成型技术高效、高压翅片的形式选择、加工成型工艺技术是大截面高压板翅式换热器的关键技术之一。翅片形式的选择需要综合考虑承压能力、传热与阻力特性、加工成型工艺的难易、加工质量的持续可控等因素。翅片本身又是高压板翅式换热器承压和传热的核心元件,因此川空在高压翅片的研制上做了大量工作。在传统翅片大量工程应用的基础上,对不同形式(锯齿形、多孔形、平直形、波纹形)、不同几何尺寸等翅片进行了优选,在此基础上,通过计算机CFD模拟分析、计算其性能,并对翅片进行初选。按ASME规范第Ⅷ卷第一分册UG-101的规定,对初选翅片进行了大量的爆破试验,确定翅片的承压能力。对满足承压能力的翅片进行了传热与阻力性能测试,完成翅片的选型工作。     翅片的加工成型工艺技术与高压翅片的形式选择紧密相连。其难点在于如何提高高压翅片的加工几何精度,如何有效进行高精密的检验、检测并建立完善的质量控制程序。为此,川空购置了9条高精密翅片成型生产线,其中2条为高压翅片成型生产线,从装备上满足翅片研发及加工制造的需求。严格控制翅片模具加工制造各个零件的精密度、组合装配的精密度,围绕高压翅片生产的工艺稳定、持续、精密控制、检测等各个环节做了大量工作,形成了完整的高压翅片加工、控制、检测技术。     2·4 受压元件的综合考虑     高压板翅式换热器除了高压翅片核心零件外,还有隔板、封条、侧板等关键零件。虽然能够计算出翅片和隔板的最小厚度、封条的最小宽度以及侧板的最小厚度,但在实际的天然气液化工程应用中,往往使用更厚、更宽的隔板和封条。隔板厚度、封条宽度的选择除了考虑承压、钎焊、厚壁零件的焊接等因素外,更多的是综合考虑天然气液化装置用高压板翅式换热器的安全性、可靠性。     2·5 零件清洗技术     真空钎焊要求翅片零件具有很高的真空清洁度,因此对清洗设备提出了更高的要求。川空进口了一套有机溶剂清洗设备用于翅片零件的清洗,隔板及封条等零件采用先进的超声波清洗设备清洗,零件清洗技术达到了世界先进水平。     2·6 装配技术     川空对已有的清洁装配室技术进行了升级改造,清洁装配室内增添了空调设备、除湿设备、自动升降装配平台等先进设备。通过上述清洗设备及装配环境的升级改造,大大提高了翅片零件的清洗质量、控制并有效减少各个制造环节的污染。目前,川空的装备水平完全能够满足高压板翅式换热器制造的需要。     3·结束语     随着我国经济的发展,天然气在能源使用中所占比例会越来越高,也给天然气液化工业带来了发展机遇。川空成功开发的8 MPa等级LNG用大截面高压板翅式换热器,一定会有越来越广阔的应用市场。目前,国内大量6 MPa等级以上的空分设备、石油化工、天然气加工及处理、天然气液化、乙烯装置中使用的中、高压板翅式换热器还选择进口,努力提高产品的安全性、可靠性、经济性,增强产品的综合国际竞争力,让用户满意并放心使用是川空不断的追求。8 MPa等级LNG用大截面高压板翅式换热器的开发成功,也为川空开发更高压力等级的产品积累了经验并奠定了良好的基础。通过努力,国内板翅式换热器的设计、制造水平一定能够上一个新的台阶。
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