液化天然气气化用低温印刷板式热交换器换热面积计算分析

液化天然气（LNG）是优质低碳清洁能源，在新能源结构转型中发挥着重要作用，已经成为工业和民用燃料的主导供应方式。LNG气化工艺中选用低温印刷板式热交换器（PCHE）替代传统的板式或管壳式热交换器，可减小占用空间和支撑重量，满足精细化和降本增效的目标。文中针对PCHE和LNG气化流程进行研究，分析在LNG气化工艺中应用PCHE的可行性，优化低温PCHE在蒸发气（BOG）冷却和LNG气化模块的应用及其设计分析流程。

1、PCHE技术研究概况

1.1产品结构

PCHE重要结构示意图见图1。PCHE是一种传热效率高、结构紧凑的微通道热交换器，其特点是以传统板式热交换器为原型，依次通过化学蚀刻方法、板片的堆叠和扩散、机械加工获得最终产品。

1.2技术优势[1-3]

PCHE依靠冷侧板片与热侧板片交替排列形成的冷热流体流动通道（图2）进行传热，流体在板片刻蚀后的微通道内流动，热量由热流体间壁传递至冷流体。

特殊材质、结构、制造、集成和化学处理技术打造出的微通道换热芯体全方位提升了热交换器的性能，使得PCHE兼具换热效率高、耐高温、耐高压、体积小、质量轻及无需垫圈等特性。目前PCHE产品的使用温度在-196～900℃，工作压力约90MPa，国产最大单芯体尺寸为1500mm×600mm×600mm。单元换热效率可以达到98%,体积和质量仅为传统管壳式热交换器的1/6～1/4，可以实现多种介质同时换热，泄漏和振动损失少，寿命长。

1.3研究进展

国内PCHE产品研究突破了一系列瓶颈技术难题，掌握了设计制造关键技术，包括原材料生产技术、热交换器结构计计算、板片刻蚀技术、扩散连接技术、集成建造技术、检测评价技术等，产品应用行业广泛。目前已实现海洋工程、石油炼化、航空运输、气化液化换热等领域国产化应用，实现了原材料、加工设备、制造工艺、检验试验等完整流程自有技术和生产规模化，形成的产品实体制造典型工艺流程见图3。

2、LNG气化工艺中PCHE应用研究算例

2.1可行性分析

在LNG气化工艺流程中的BOG冷却和LNG气化模块应用PCHE是一种合理的双向选择，一方面PCHE的微通道换热板片可满足缩小热交换器尺寸和质量需要，另一方面LNG清洁度高的特点也能满足PCHE的介质选用要求。

BOG冷却和LNG气化时通常会有气液相变过程，气液间转换会对流道产生应力冲击，所以换热体的应力分析也是必须考虑的。此外，PCHE本体和支撑结构也需要整体考虑和分析[4]。

2.2有限元分析

2.2.1模型

以国内某LNG气化项目BOG冷却器为例，在ANSYS软件中建立BOG冷却PCHE有限元分析模型，见图4。

图4LNG气化项目BOG冷却PCHE有限元分析模型

2.2.2设计条件

LNG气化工艺流程中BOG冷却PCHE设计条件见表1。

2.2.3运行参数

根据LNG组分特点、流量、操作压力(表压)等参数共确定9种BOG冷却PCHE运行工况，见表2。9种工况对应的LNG介质组分组成见表3，BOG介质组分组成见表4。

2.3应力分析

2.3.1计算

选取9种工况中换热量最大的工况3进行BOG冷却PCHE换热面积计算。已知工况3参数为，热负荷2187kW，LNG侧流量180000kg/h，BOG流量21850kg/h。出于保守考虑，按照110%流量重新确定计算输入的最大热负荷，即2187×1.1=2405.7（kW），将此热负荷定义为设计工况，其它工况为校核工况。PCHE换热面积计算的理论基础是接触换热，考虑到2种介质流道之间满足设计换热量要求，计算时将接触传热简化为常规非接触换热。

换热面积A分7个步骤进行计算，①选定设计换热量Q，Q=2405.7kW。②计算平均对数温差LMTD。③计算修正后平均对数温差MTD。④计算清洁传热系数Uclean，通过HYSYS软件输入物性参数计算得出U_clean=1230.6W/（m2·℃）。⑤计算考虑污垢总传热系数U_fouled，通过HYSYS软件输入物性参数计算得出U_fouled=1172.9W/（m2·℃）。⑥计算污垢情况下所需换热面积A_fouled。⑦考虑10%换热面积裕量，最后确定所需换热面积A[5-7]。

其中LMTD、MTD、A_fouled、A采用以下公式进行计算：

式（1）~式（4）中，t_hi、t_co分别为热侧进、出口温度，t_hi、t_co分别冷侧进、出口温度，F_corrected为温差修正因子，取值0.9。

将Q=2405.7kW、t_hi=-170℃、t_ho=149℃、t_co=60℃、F_corrected=0.9、U_clean=1230.6W/（m2·℃）、t_ci=-170℃、U_fouled=1172.9W/（m2·℃）带入计算，得到LMTD=49.22℃、MTD=44.3℃、A_fouled=46.3m2、A=50.9m2。

2.3.2换热芯体结构及应力分析评定

依据上述计算结果进行BOG冷却PCHE结构参数设计，确定板片层数为220层、每层流道数量为96道，板片的微通道直径为0.95mm。建立BOG冷却PCHE换热芯体结构网格模型，依据JB4732—1995《钢制压力容器———分析设计标准(2005年确认)》对BOG冷却PCHE换热芯体板片结构模型进行应力分析。设置边界条件为，模型底部约束竖直方向位移，模型对称面约束法向位移。按照一侧板片通道内壁受13.9MPa设计压力加载模型。PCHE换热芯体板片结构模型应力分析及应力评定路径设置见图5[8-15]。

分析图5a可知，应力最大值为112.2MPa，位于板片通道肋根部。BOG冷却PCHE换热芯体板片材质为S31603，其在设计工况下的结构强度应力评定结果见表5。

表5中，Pm为一次总体薄膜应力，PL为一次局部薄膜应力，Pb为一次弯曲应力，PL+Pb为一次薄膜加一次弯曲应力，Sm为许用应力，SⅠ为一次总体薄膜应力强度，SⅡ为一次局部薄膜应力强度，SⅢ为一次薄膜加一次弯曲应力强度，设计工况系数K取1.0，扩散焊接头系数准取0.7。

由表5可知，BOG冷却PCHE换热芯体板片结构均通过了强度校核评定，能够满足相关标准的要求。

3、BOG冷却PCHE产品换热面积复核

LNG气化项目BOG冷却PCHE换热芯片设计参数见表6。

换热面积计算及其修正计算公式如下[5]：

式（5）~式（8）中：A计算为理论计算换热面积，U为湿周，D为通道直径，Ac为单个通道流通面积，Np为单侧板片数量，Nc为单层板片通道数量，Lc为单个通道沿程有效长度（由产品板片图样测量而来），A实际为综合考虑了制造加工等因素及工程经验因素影响后用经验系数修正后的传热面积（即最终提供的PCHE换热面积），准为修正系数。

将D=1.9mm、Np=218层、Nc=96道、Lc=516×10-6mm、准=0.97带入上述各式中计算，得到A计算=58.07mm2，A实际=56.3mm2。

LNG气化项目BOG冷却PCHE实际提供换热面积（考虑污垢情况下）为56.3mm2,理论计算所需换热面积(考虑污垢情况下)为46.3m2,实际提供面积相对于修正后的理论计算面积有21.6%的余量。工况1～工况2和工况4～工况9为校核工况，热负荷均小于设计热负荷2260.6kW，换热面积余量更大，计算过程相似。

4、BOG冷却PCHE换热计算分析总结

合理的PCHE设计方案和优化后的PCHE产品设计参数的获得，需要同时考虑换热芯体应力分析和换热面积复核结果，对上述计算分析进行梳理，总结得到的换热计算分析流程见图6。

通过合理选择PCHE参数，可满足工艺换热和相变承压要求，并控制尺寸重量，同时考虑换热余量，实现覆盖全部设计工况的目标。

5、结束语

在LNG气化应用场景选用低温PCHE替代以传统板式或管壳式热交换器，具有减小占用空间和支撑重量及降本增效重要意义。以某LNG项目BOG冷却模块低温PCHE的换热面积计算为例，进行了传热计算面积计算和换热芯体板片有限元建模及模型应力分析，进行了低温PCHE产品的传热复核计算，对比了有限元分析设计结果与传热复核计算结果，验证了有限元方法的可靠性。总结了低温PCHE换热计算分析流程，此流程在常规热交换器根据工艺参数计算的基础上，同时考虑了换热芯体的应力分析，创新了PCHE结构设计思路，具有优化PCHE设计的实践意义。

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