Применение печатных теплообменников (PCHE) в промышленности FLNG
Плавучие установки по добыче сжиженного природного газа (FLNG) служат основным оборудованием для разработки глубоководных ресурсов природного газа. Интегрируя весь поток переработки природного газа на суше на мобильную морскую платформу, FLNG обеспечивает интегрированную эксплуатацию природного газа, включая добычу, очистку, сжижение, хранение и отгрузку.
1. Основной процесс работы платформ FLNG
Основной технологический процесс платформы FLNG можно разделить на пять критических этапов:
- Добыча и транспортировка сырьевого газа: Сырой природный газ добывается из глубоководных скважин с помощью подводных деревьев и транспортируется на платформу FLNG по подводным выкидным трубопроводам. Исходный газ обычно поступает при начальном давлении 1–10 MPa и температуре от 4 до 12 °C, в зависимости от подводной среды.
- Предварительная обработка сырьевого газа. Чтобы предотвратить коррозию, замерзание/засорение и снижение эффективности сжижения в последующем оборудовании, газ подвергается тщательной очистке:
- Очистка амином: для декарбонизации (удаления CO2).
- Спирто-аминный процесс: для десульфурации (удаления H2S).
- Обезвоживание на молекулярном сите: для удаления воды, следов тяжелых углеводородов и ртути.
- Целевые характеристики: CO2 < 50 ppm, H2S < 6 мг/м³ и H2O ≤ 1 ppm.
- Сжатие природного газа. Многоступенчатые центробежные компрессоры повышают давление очищенного природного газа до 4–10 MPa, необходимого для сжижения. Из-за эффекта адиабатического сжатия температура газа повышается до 80–120°С, что приводит к необходимости охлаждения через теплообменники перед следующей ступенью.
- Сжижение природного газа. Это суть процесса. Используя цикл смешанного хладагента (MRC), смешанный хладагент (содержащий метан, этан, пропан, азот и т. д.) сжимается, охлаждается и дросселируется для создания криогенного источника. Этот хладагент эффективно обменивается теплом с очищенным природным газом под высоким давлением в сжиженном аппарате, охлаждая газ до -162°C при атмосферном давлении. Это фазовое изменение превращает его из газа в жидкий СПГ, уменьшая его объем примерно до 1/600 от исходного.
- Хранение и отгрузка СПГ. Сжиженный СПГ хранится во встроенных в платформу криогенных адиабатических резервуарах, при этом поддерживается температура -162°C и температура 0,1–0,2 MPa. Затем он передается посредством погрузки на танкеры СПГ, обеспечивая морской экспорт глубоководных ресурсов природного газа.
2. Проблемы теплообменников в приложениях FLNG
Платформы FLNG работают в суровых морских условиях, предъявляя строгие требования к основному теплообменному оборудованию:
- Благодаря ограниченному пространству на палубе и грузоподъемности компоновка FLNG очень компактна.
- Высокий уровень солевого тумана, высокая влажность и морская атмосферная коррозия требуют от теплообменников превосходной коррозионной стойкости и усталостной прочности.
- Основные процессы, такие как сжижение природного газа и регенерация отпарного газа, требуют эффективной теплопередачи. Наличие двухфазного газожидкостного потока при теплообмене предъявляет высокие требования к термическому КПД и стабильности поля течения.
- Операции FLNG требуют высокой непрерывности и безопасности, что требует теплообменного оборудования с долговременной стабильной работой и удобным обслуживанием.
3. Преимущества PCHE
- Превосходная компактность: в PCHE используются микроканальные структуры с проточными каналами миллиметрового размера, что обеспечивает плотность площади теплопередачи до 2500 м²/м³. Эффективность в 3-5 раз выше, чем у традиционных кожухотрубных теплообменников, а объем и вес уменьшены до 1/10 и 1/5 соответственно, что эффективно решает проблемы с пространством и нагрузкой.
- Превосходная структурная прочность, коррозионная стойкость и усталостная стойкость: PCHE изготовлен из нержавеющей стали или сплава на основе никеля, а его сердцевина сформирована в результате комплексного процесса диффузионной сварки. Прочность достигает 95% от основного металла, риск протечек сварного шва отсутствует. Материал обладает хорошей устойчивостью к коррозии из-за брызг морской соли, а интегрированная конструкция может выдерживать переменные нагрузки и ударную вибрацию, что обеспечивает более высокий усталостный срок службы по сравнению с традиционными теплообменниками.
- Высокая адаптируемость к условиям работы: конструкция микроканала позволяет гибко адаптироваться к двухфазному потоку газ-жидкость, широкому диапазону температур (от -196°C до +850°C) и широкому диапазону давлений (0,1-100 MPa). В сценариях теплообмена, таких как криогенное сжижение и рекуперация болотного газа, он обеспечивает равномерную температуру, низкое гидравлическое сопротивление и высокую стабильность теплообмена.
- Удобство эксплуатации и обслуживания: PCHE имеет модульную конструкцию, которую можно гибко комбинировать в соответствии с технологическими требованиями. Его легко устанавливать и разбирать, что значительно снижает затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание, а также риски остановки морских платформ FLNG.
4. Применение PCHE на платформах FLNG
Благодаря своим техническим характеристикам PCHE стал оптимальным выбором для нескольких критически важных блоков теплопередачи на платформах FLNG.
Решения Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd. широко применяются в следующих критических позициях:
- Охладитель природного газа (предварительная обработка сырьевого газа)
- Функция: Охлаждает сырой газ для стабилизации условий очистки.
- Холодная сторона: морская вода (15–35°C, 0,1–0,5 MPa).
- Горячая сторона: неочищенный природный газ (вход: 40–60°C, выход: 20–40°C, 1–5 MPa).
- Доохладитель компрессора (стадия сжатия)
- Функция: удаляет адиабатическое тепло, выделяющееся при сжатии.
- Холодная сторона: морская вода (15–35°C, 0,1–0,5 MPa).
- Горячая сторона: сжатый природный газ (вход: 80–120°C, выпуск: 30–40°C, 5–10 MPa).
- Ожижитель природного газа (основная стадия сжижения)
- Функция: Служит основным оборудованием для переработки газа высокого давления в СПГ.
- Холодная сторона: смешанный хладагент (от -100 до -162°C, 1–5 MPa).
- Горячая сторона: очищенный газ высокого давления (вход: 20–40°C, выпуск: -162°C, 4–10 MPa).
- Теплообменник болотного газа (этап хранения и восстановления)
- Функция: повторно сжижает отпарный газ (BOG) с использованием холодной энергии СПГ для снижения потерь и выбросов.
- Холодная сторона: СПГ (-162°C, 0,7–2 MPa).
- Горячая сторона: болотный газ (от -10 до 20°C, 0,5–4 MPa).
- Испаритель высокого и низкого давления.
- Функция: Регазифицирует СПГ в энергию платформы и топливо для приборов.
- Холодная сторона: СПГ (-162°C, 0,1–0,2 MPa).
- Горячая сторона: морская вода/воздух/вода-гликоль (5–25°C, до 10 MPa для типов высокого давления).
В продуктах PCHE, производимых компанией Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd., применяется передовая технология формирования диффузионной сварки, строго контролируется точность размеров микроканалов и производственный процесс, чтобы обеспечить структурную прочность и производительность. Продукты могут стабильно выдерживать давление 100 MPa и экстремальные температуры (от -196°C до +850°C), адаптируясь к криогенным условиям работы и высокому давлению FLNG. Для решения проблемы неравномерной теплопередачи в двухфазных потоках газ-жидкость компания Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd. оптимизирует конструкцию проточных каналов посредством численного моделирования (CFD), применяет микроканалы специальной формы, которые эффективно улучшают однородность теплопередачи в двухфазном потоке газ-жидкость, уменьшают гидравлическое сопротивление и потери перепада давления, а также повышают эффективность теплопередачи.
PCHE Параметры продукта компании Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd.
| Параметр | Спецификация |
|---|---|
| Максимальное расчетное давление | 100 MPa |
| Расчетная температура | от -196°C до 850°C |
| Зона теплопередачи | До 8000 м² |
| Толщина пластины | от 0,4 до 4 мм |
| Ширина канала | от 0,4 до 4 мм |
| Материалы | 304, 316L, Дуплекс 2205, ТА1 (Титан), жаропрочные сплавы |