تطبيق المبادلات الحرارية للدوائر المطبوعة (PCHE) في صناعة FLNG

تعمل مرافق الغاز الطبيعي المسال العائمة (FLNG) كمعدات أساسية لتطوير موارد الغاز الطبيعي في أعماق البحار. من خلال دمج تدفق معالجة الغاز الطبيعي البري بالكامل على منصة بحرية متنقلة، يتيح FLNG التشغيل المتكامل للغاز الطبيعي الذي يغطي الاستخراج والتنقية والتسييل والتخزين والتفريغ.

1. تدفق العمليات الأساسية لمنصات FLNG

يمكن تحسين تدفق العملية الأساسي لمنصة FLNG إلى خمس مراحل حرجة:

1. استخراج ونقل غاز التغذية: يتم استخراج الغاز الطبيعي الخام من آبار أعماق البحار عبر الأشجار الموجودة تحت سطح البحر ويتم نقله إلى منصة FLNG عبر خطوط التدفق تحت سطح البحر. يصل غاز التغذية عادةً إلى ضغط أولي يبلغ 1–10 MPa، مع درجات حرارة تتراوح من 4 إلى 12 درجة مئوية، اعتمادًا على البيئة تحت سطح البحر.
2. المعالجة المسبقة لغاز التغذية: لمنع التآكل والتجميد/الانسداد وتقليل كفاءة التسييل في المعدات النهائية، يخضع الغاز لتنقية صارمة:
   • تنقية الأمين: لإزالة الكربون (إزالة ثاني أكسيد الكربون).
   • عملية الكحول الأمينية: لإزالة الكبريت (إزالة H2S).
   • تجفيف المنخل الجزيئي: لإزالة الماء، وتتبع الهيدروكربونات الثقيلة، والزئبق.
   • مواصفات الهدف: ثاني أكسيد الكربون < 50 جزء في المليون، وكبريتيد الهيدروجين < 6 مجم/م3، وH2O ≥ 1 جزء في المليون.
3. ضغط الغاز الطبيعي: تعمل ضواغط الطرد المركزي متعددة المراحل على زيادة ضغط الغاز الطبيعي المنقى إلى 4–10 MPa المطلوب للتسييل. بسبب تأثير الضغط الأديباتي، ترتفع درجات حرارة الغاز إلى 80-120 درجة مئوية، مما يستلزم التبريد عبر المبادلات الحرارية قبل المرحلة التالية.
4. تسييل الغاز الطبيعي: هذا هو قلب العملية. باستخدام دورة التبريد المختلطة (MRC)، يتم ضغط المبرد المختلط (الذي يشتمل على الميثان والإيثان والبروبان والنيتروجين وما إلى ذلك) وتبريده وخنقه لإنشاء مصدر مبرد. يقوم هذا المبرد بتبادل الحرارة بكفاءة مع الغاز الطبيعي المنقى عالي الضغط في المسال، مما يؤدي إلى تبريد الغاز إلى -162 درجة مئوية عند الضغط الجوي. يؤدي هذا التغيير في الطور إلى تحويله من غاز إلى غاز طبيعي مسال سائل، مما يقلل حجمه إلى حوالي 1/600 من حجمه الأصلي.
5. تخزين وتفريغ الغاز الطبيعي المسال: يتم تخزين الغاز الطبيعي المسال في الخزانات المبردة المدمجة في المنصة، ويتم الاحتفاظ بها عند -162 درجة مئوية و0.1–0.2 MPa. ومن ثم يتم نقله عبر أذرع التحميل إلى ناقلات الغاز الطبيعي المسال، مما يحقق التصدير البحري لموارد الغاز الطبيعي في أعماق البحار.

2. تحديات المبادلات الحرارية في تطبيقات FLNG

تعمل منصات FLNG في بيئات بحرية قاسية، مما يفرض متطلبات صارمة على معدات نقل الحرارة الأساسية:

• مع مساحة سطح السفينة وسعة التحميل المحدودة، تكون تخطيطات FLNG مضغوطة للغاية.
• يتطلب رذاذ الملح العالي والرطوبة العالية والتآكل الجوي البحري مقاومة فائقة للتآكل وقوة كلال للمبادلات الحرارية.
• تتطلب العمليات الأساسية مثل تسييل الغاز الطبيعي واسترداد الغاز المغلي (BOG) نقلًا فعالًا للحرارة. إن وجود تدفق ثنائي الطور للغاز والسائل أثناء التبادل الحراري يفرض متطلبات عالية على الكفاءة الحرارية واستقرار مجال التدفق.
• تتطلب عمليات FLNG استمرارية وأمانًا عاليًا، مما يتطلب معدات تبادل حراري ذات قدرة تشغيل مستقرة على المدى الطويل وصيانة مريحة.

3. مزايا PCHE

1. الاكتناز الفائق: يستخدم PCHE هياكل القنوات الصغيرة مع ممرات تدفق بمقياس ملليمتر، مما يحقق كثافة منطقة نقل الحرارة تصل إلى 2500 متر مربع/متر مكعب. الكفاءة أعلى بمقدار 3-5 مرات من المبادلات التقليدية ذات الغلاف والأنبوب، في حين يتم تقليل الحجم والوزن إلى 1/10 و1/5 على التوالي، مما يحل بشكل فعال قيود المساحة والحمل.
2. قوة هيكلية ممتازة، مقاومة للتآكل، ومقاومة للتعب: PCHE مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ أو سبيكة أساسها النيكل، ويتم تشكيل جوهره من خلال عملية ربط الانتشار المتكاملة. تصل القوة إلى 95% من المعدن الأساسي، مع عدم وجود خطر تسرب اللحام. تتمتع المادة بمقاومة جيدة للتآكل الناتج عن رش الملح البحري، ويمكن للهيكل المتكامل أن يتحمل الأحمال المتناوبة والاهتزازات الناتجة عن الصدمات، مما يمنحها عمر إجهاد أفضل من المبادلات الحرارية التقليدية.
3. قدرة قوية على التكيف مع ظروف العمل: يمكن لتصميم القناة الدقيقة أن يتكيف بمرونة مع التدفق ثنائي الطور للغاز والسائل، ونطاق درجة حرارة واسع (-196 درجة مئوية إلى +850 درجة مئوية)، ونطاق ضغط واسع (0.1-100 MPa). في سيناريوهات التبادل الحراري مثل التسييل المبرد واسترداد BOG، فإنه يوفر درجة حرارة موحدة، ومقاومة تدفق منخفضة، واستقرار قوي للتبادل الحراري.
4. التشغيل والصيانة المريحة: يعتمد PCHE تصميمًا معياريًا يمكن دمجه بمرونة وفقًا لمتطلبات العملية. من السهل تركيبه وتفكيكه، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف التشغيل والصيانة ومخاطر إيقاف التشغيل على المنصات البحرية FLNG.

4. تطبيق PCHE على منصات FLNG

نظرًا لخصائصه التقنية، أصبح PCHE الخيار الأمثل لوحدات نقل الحرارة الحرجة المتعددة على منصات FLNG.

يتم تطبيق حلول Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd. على نطاق واسع في المواقف الحرجة التالية:

1. مبرد الغاز الطبيعي (المعالجة المسبقة لغاز التغذية)
   • الوظيفة: تبريد الغاز الخام لتحقيق الاستقرار في ظروف التنقية.
   • الجانب البارد: مياه البحر (15-35 درجة مئوية، 0.1-0.5 MPa).
   • الجانب الساخن: غاز طبيعي خام (المدخل: 40-60 درجة مئوية، المخرج: 20-40 درجة مئوية، 1-5 MPa).
2. المبرد اللاحق للضاغط (مرحلة الضغط)
   • الوظيفة: إزالة الحرارة الأديباتية المتولدة أثناء الضغط.
   • الجانب البارد: مياه البحر (15-35 درجة مئوية، 0.1-0.5 MPa).
   • الجانب الساخن: غاز طبيعي مضغوط (المدخل: 80-120 درجة مئوية، المخرج: 30-40 درجة مئوية، 5-10 MPa).
3. تسييل الغاز الطبيعي (مرحلة التسييل الأساسية)
   • الوظيفة: بمثابة المعدات الأساسية لتحويل الغاز عالي الضغط إلى LNG.
   • الجانب البارد: مبرد مختلط (-100 إلى -162 درجة مئوية، 1–5 MPa).
   • الجانب الساخن: غاز منقى عالي الضغط (المدخل: 20-40 درجة مئوية، المخرج: -162 درجة مئوية، 4-10 MPa).
4. المبادل الحراري لغاز الغليان (مرحلة التخزين والاسترداد)
   • الوظيفة: إعادة تسييل الغاز المغلي (BOG) باستخدام الطاقة الباردة للغاز الطبيعي المسال لتقليل الخسارة والانبعاثات.
   • الجانب البارد: الغاز الطبيعي المسال (-162 درجة مئوية، 0.7–2 MPa).
   • الجانب الساخن: غاز BOG (-10 إلى 20 درجة مئوية، 0.5–4 MPa).
5. جهاز التبخير ذو الضغط العالي والضغط المنخفض
   • الوظيفة: إعادة تحويل الغاز الطبيعي المسال إلى طاقة المنصة ووقود الأجهزة.
   • الجانب البارد: الغاز الطبيعي المسال (-162 درجة مئوية، 0.1–0.2 MPa).
   • الجانب الساخن: مياه البحر/الهواء/ماء الجليكول (5-25 درجة مئوية، حتى 10 MPa للأنواع ذات الضغط العالي).

تعتمد منتجات PCHE المصنعة من قبل شركة Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd. تقنية تشكيل رابطة الانتشار المتقدمة، وتتحكم بشكل صارم في دقة أبعاد القناة الصغيرة وعملية التصنيع لضمان القوة الهيكلية والأداء. يمكن للمنتجات أن تتحمل بشكل ثابت ضغط 100 MPa ودرجات الحرارة القصوى (-196 درجة مئوية إلى +850 درجة مئوية)، والتكيف مع ظروف العمل المبردة والضغط العالي لـ FLNG. لمعالجة النقل غير المتساوي للحرارة في التدفقات ثنائية الطور بين الغاز والسائل، تعمل شركة Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd. على تحسين تصميم هيكل قناة التدفق من خلال المحاكاة العددية (CFD)، وتتبنى تخطيط قناة صغيرة على شكل خاص، مما يحسن بشكل فعال انتظام نقل الحرارة لتدفق الغاز والسائل ثنائي الطور، ويقلل من مقاومة التدفق وفقدان انخفاض الضغط، ويعزز كفاءة نقل الحرارة.

PCHE معلمات المنتج لشركة Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd.

المعلمة	المواصفات
أقصى ضغط تصميمي	100 MPa
درجة حرارة التصميم	-196 درجة مئوية إلى 850 درجة مئوية
منطقة نقل الحرارة	تصل إلى 8000 متر مربع
سمك اللوحة	0.4 إلى 4 ملم
عرض القناة	0.4 إلى 4 ملم
المواد	304، 316L، دوبلكس 2205، TA1 (تيتانيوم)، سبائك ذات درجة حرارة عالية