Application des échangeurs de chaleur à circuits imprimés (PCHE) dans l'industrie FLNG

Les installations flottantes de gaz naturel liquéfié (FLNG) constituent l'équipement de base pour le développement des ressources de gaz naturel en eaux profondes. En intégrant l'intégralité du flux de traitement du gaz naturel terrestre sur une plate-forme offshore mobile, le FLNG permet l'exploitation intégrée du gaz naturel couvrant l'extraction, la purification, la liquéfaction, le stockage et le déchargement.

1. Flux de processus de base des plates-formes FLNG

Le flux de processus principal d'une plate-forme FLNG peut être affiné en cinq étapes critiques:

1. Extraction et transport du gaz d'alimentation: le gaz naturel brut est extrait de puits en eau profonde via des arbres sous-marins et transporté jusqu'à la plate-forme FLNG via des conduites sous-marines. Le gaz d'alimentation arrive généralement à une pression initiale de 1 à 10 MPa, avec des températures allant de 4 à 12 ° C, en fonction de l'environnement sous-marin.
2. Prétraitement du gaz d'alimentation: pour éviter la corrosion, le gel/le blocage et une efficacité de liquéfaction réduite dans les équipements en aval, le gaz est soumis à une purification rigoureuse:
   • Amine Scrubbing: Pour la décarbonisation (élimination du CO2).
   • Procédé Alcool-Amine: Pour la désulfuration (élimination du H2S).
   • Déshydratation par tamis moléculaire: Pour éliminer l'eau, les traces d'hydrocarbures lourds et le mercure.
   • Spécifications cibles: CO2 < 50 ppm, H2S < 6 mg/m³ et H2O ≤ 1 ppm.
3. Compression du gaz naturel: les compresseurs centrifuges à plusieurs étages augmentent la pression du gaz naturel purifié à 4–10 MPa requis pour la liquéfaction. En raison de l'effet de compression adiabatique, la température des gaz s'élève jusqu'à 80-120°C, ce qui nécessite un refroidissement via des échangeurs de chaleur avant l'étape suivante.
4. Liquéfaction du gaz naturel: C’est le cœur du processus. À l'aide du cycle de réfrigérant mixte (MRC), un réfrigérant mixte (comprenant du méthane, de l'éthane, du propane, de l'azote, etc.) est comprimé, refroidi et étranglé pour créer une source cryogénique. Ce réfrigérant échange efficacement la chaleur avec le gaz naturel purifié à haute pression dans le liquéfacteur, refroidissant le gaz jusqu'à -162°C à pression atmosphérique. Ce changement de phase le transforme du GNL gazeux au GNL liquide, réduisant son volume à environ 1/600 de celui d'origine.
5. Stockage et déchargement du GNL: Le GNL liquéfié est stocké dans les réservoirs adiabatiques cryogéniques intégrés à la plate-forme, maintenus à -162°C et 0,1 à 0,2 MPa. Il est ensuite transféré via des bras de chargement vers des méthaniers, réalisant ainsi l'exportation offshore des ressources de gaz naturel des grands fonds.

2. Défis des échangeurs de chaleur dans les applications FLNG

Les plates-formes FLNG fonctionnent dans des environnements offshore difficiles, imposant des exigences strictes aux principaux équipements de transfert de chaleur:

• Avec un espace de pont et une capacité de charge limités, les aménagements FLNG sont très compacts.
• Les brouillards salins élevés, l'humidité élevée et la corrosion atmosphérique marine exigent une résistance à la corrosion et une résistance à la fatigue supérieures pour les échangeurs de chaleur.
• Les processus de base tels que la liquéfaction du gaz naturel et la récupération du BOG (Boil-Off Gas) nécessitent un transfert de chaleur efficace. La présence d'un écoulement diphasique gaz-liquide lors de l'échange thermique impose des exigences élevées en matière d'efficacité thermique et de stabilité du champ d'écoulement.
• Les opérations du FLNG nécessitent une continuité et une sécurité élevées, ce qui nécessite un équipement d'échange thermique doté d'une capacité de fonctionnement stable à long terme et d'une maintenance pratique.

3. Avantages de PCHE

1. Compacité supérieure: PCHE utilise des structures à micro-canaux avec des passages d'écoulement à l'échelle millimétrique, atteignant une densité de zone de transfert de chaleur allant jusqu'à 2 500 m²/m³. L'efficacité est 3 à 5 fois supérieure à celle des échangeurs à calandre et tubes traditionnels, tandis que le volume et le poids sont réduits respectivement à 1/10 et 1/5, résolvant efficacement les contraintes d'espace et de charge.
2. Excellentes résistance structurelle, résistance à la corrosion et résistance à la fatigue: PCHE est fabriqué en acier inoxydable ou en alliage à base de nickel, et son noyau est formé par un processus de liaison par diffusion intégrale. La résistance atteint 95 % de celle du métal de base, sans risque de fuite de soudure. Le matériau présente une bonne résistance à la corrosion par brouillard salin marin et la structure intégrée peut résister à des charges alternées et à des vibrations d'impact, ce qui lui confère une meilleure durée de vie en fatigue que les échangeurs de chaleur traditionnels.
3. Forte adaptabilité aux conditions de travail: la conception du microcanal peut s'adapter de manière flexible au flux biphasique gaz-liquide, à une large plage de températures (-196°C à +850°C) et à une large plage de pression (0,1-100 MPa). Dans des scénarios d'échange thermique tels que la liquéfaction cryogénique et la récupération de BOG, il offre une température uniforme, une faible résistance à l'écoulement et une forte stabilité d'échange thermique.
4. Fonctionnement et maintenance pratiques: PCHE adopte une conception modulaire qui peut être combinée de manière flexible en fonction des exigences du processus. Il est facile à installer et à démonter, réduisant considérablement les coûts d'exploitation et de maintenance ainsi que les risques d'arrêt sur les plates-formes offshore FLNG.

4. Application de PCHE sur les plateformes FLNG

En raison de ses caractéristiques techniques, PCHE est devenu le choix optimal pour plusieurs unités de transfert de chaleur critiques sur les plates-formes FLNG.

Les solutions de Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd. sont largement appliquées dans les postes critiques suivants:

1. Refroidisseur de gaz naturel (prétraitement du gaz d'alimentation)
   • Fonction: Refroidit le gaz brut pour stabiliser les conditions de purification.
   • Côté froid: Eau de mer (15-35°C, 0,1-0,5 MPa).
   • Côté chaud: Gaz Naturel Brut (Entrée: 40-60°C, Sortie: 20-40°C, 1-5 MPa).
2. Refroidisseur final du compresseur (étage de compression)
   • Fonction: Élimine la chaleur adiabatique générée lors de la compression.
   • Côté froid: Eau de mer (15-35°C, 0,1-0,5 MPa).
   • Côté chaud: Gaz naturel comprimé (Entrée: 80-120°C, Sortie: 30-40°C, 5-10 MPa).
3. Liquéfacteur de gaz naturel (étape de liquéfaction de base)
   • Fonction: sert d'équipement de base pour convertir le gaz à haute pression en GNL.
   • Côté froid: réfrigérant mixte (-100 à -162°C, 1–5 MPa).
   • Côté chaud: Gaz purifié haute pression (Entrée: 20-40°C, Sortie: -162°C, 4-10 MPa).
4. Échangeur de chaleur BOG (étape de stockage et de récupération)
   • Fonction: Re-liquéfie le gaz d'évaporation (BOG) en utilisant l'énergie froide du GNL pour réduire les pertes et les émissions.
   • Côté Froid: GNL (-162°C, 0,7–2 MPa).
   • Côté chaud: BOG Gas (-10 à 20°C, 0,5–4 MPa).
5. Vaporisateur haute et basse pression
   • Fonction: regazéifie le GNL en carburant pour l'alimentation de la plate-forme et les instruments.
   • Côté froid: GNL (-162°C, 0,1–0,2 MPa).
   • Côté chaud: Eau de mer/Air/Eau glycolée (5–25°C, jusqu'à 10 MPa pour les types haute pression).

Les produits PCHE fabriqués par Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd. adoptent une technologie avancée de formation de liaison par diffusion, contrôlent strictement la précision des dimensions des micro-canaux et le processus de fabrication pour garantir la résistance et les performances structurelles. Les produits peuvent résister de manière stable à une pression de 100 MPa et à des températures extrêmes (-196°C à +850°C), s'adaptant aux conditions de travail cryogéniques et à haute pression du FLNG. Pour remédier au transfert de chaleur inégal dans les flux biphasiques gaz-liquide, Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd. optimise la conception de la structure du canal d'écoulement grâce à la simulation numérique (CFD), adopte une disposition de micro-canaux de forme spéciale, qui améliore efficacement l'uniformité du transfert de chaleur du flux biphasique gaz-liquide, réduit la résistance à l'écoulement et la perte de charge, et améliore l'efficacité du transfert de chaleur.

PCHE Paramètres du produit de Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd.

Paramètre	Spécification
Pression de conception maximale	100 MPa
Température de conception	-196°C à 850°C
Zone de transfert de chaleur	Jusqu'à 8 000 m²
Épaisseur de la plaque	0,4 à 4 mm
Largeur du canal	0,4 à 4 mm
Matériaux	304, 316L, Duplex 2205, TA1 (Titane), alliages haute température