本发明属天然气低温液化技术领域，涉及LNG二级低温液化装备及混合制冷剂制冷技术，应用C2H4制冷剂及LNG三级出口0.3MPa、－130℃的N2—CH4混合制冷剂蒸气在三股流螺旋缠绕管式换热器内将5.8MPa、－53℃天然气冷却至－120℃并液化，以便LNG进入三级过冷段；二级制冷三股流螺旋缠绕管式换热器首先过冷C2H4制冷剂，C2H4过冷后被节流至壳程与N2—CH4混合后冷却来自一级的－53℃LNG管束、N2—CH4预冷管束及C2H4过冷管束，达到过冷C2H4、预冷N2—CH4及液化天然气目的；其结构紧凑，换热效率高，可用于－53℃～－120℃气体带相变低温换热领域，解决LNG二级低温液化难题，提高LNG系统低温换热效率。
1.LNG低温液化二级制冷三股流螺旋缠绕管式换热装备，包括N2—CH4壳程进口法兰
（1）、N2—CH4壳程进口接管（2）、C2H4出口法兰（3）、C2H4出口接管（4）、C2H4出口管箱（5）、C2H4出口管板（6）、N2—CH4出口法兰（7）、N2—CH4出口接管（8）、N2—CH4出口管箱（9）、N2—CH4出口管板（10）、N2—CH4出口管束（11）、筒体（12）、螺旋盘管（13）、下支撑圈（14）、N2—CH4进口管束（15）、N2—CH4进口管板（16）、N2—CH4进口管箱（17）、N2—CH4进口法兰（18）、N2—CH4进口接管（19）、C2H4进口管束（20）、C2H4—N2—CH4混合气出口接管（21）、C2H4—N2—CH4混合气出口法兰（22）、下封头（23）、C2H4进口法兰（24）、C2H4进口接管（25）、C2H4进口管箱（26）、C2H4进口管板（27）、天然气进口法兰（28）、天然气进口接管（29）、天然气进口管箱（30）、天然气进口管板（31）、天然气进口管束（32）、中心筒（33）、垫条（34）、耳座（35）、上支撑圈（36）、C2H4预冷出口管束（37）、天然气出口管束（38）、天然气出口管箱（39）、天然气出口接管（40）、天然气出口法兰（41）、天然气出口管板（42）、节流后C2H4进口接管（43）、节流后C2H4进口法兰（44）、上封头（45），其特征在于：天然气进口管束（32）、N2—CH4进口管束（15）、C2H4进口管束（20）绕中心筒（33）缠绕，缠绕后的管芯安装于筒体（12）内；中心筒（33）一端安装上支撑圈（36），一端安装下支撑圈（14），上支撑圈（36）固定于筒体（12）上部，下支撑圈（14）固定于筒体（12）下部，天然气进口管束（32）、N2—CH4进口管束（15）、C2H4进口管束（20）缠绕于上支撑圈（36）与下支撑圈（14）之间；筒体（12）上部与上封头（45）连接，上封头（45）顶部安装N2—CH4壳程进口接管（2）及N2—CH4壳程进口法兰（1）；筒体（12）下部与下封头（23）连接，下封头（23）顶部安装C2H4—N2—CH4混合气出口接管（21）及C2H4—N2—CH4混合气出口法兰（22）；筒体（12）上部左侧安装N2—CH4出口管板（10），N2—CH4出口管板（10）右侧连接N2—CH4出口管束（11），左侧连接N2—CH4出口管箱（9），N2—CH4出口管箱（9）顶部连接N2—CH4出口接管（8）及N2—CH4出口法兰（7）；筒体（12）上部右侧安装天然气出口管板（42），天然气出口管板（42）左侧连接天然气出口管束（38），右侧连接天然气出口管箱（39），天然气出口管箱（39）顶部连接天然气出口接管（40）及天然气出口法兰（41）；筒体（12）上部中间下方安装C2H4出口管板（6），C2H4出口管板（6）前面安装C2H4预冷出口管束（37），后面安装C2H4出口管箱（5），C2H4出口管箱（5）顶部安装C2H4出口接管（4）及C2H4出口法兰（3）；筒体（12）上部中间上方安装节流后C2H4进口接管（43）、节流后C2H4进口法兰（44）；筒体（12）下部左侧安装N2—CH4进口管板（16），N2—CH4进口管板（16）右侧连接N2—CH4进口管束（15）进口，左侧连接N2—CH4进口管箱（17），N2—CH4进口管箱（17）顶部安装N2—CH4进口接管（19）及N2—CH4进口法兰（18）；筒体（12）下部右侧安装天然气进口管板（31），天然气进口管板（31）左侧连接天然气进口管束（32）进口，右侧连接天然气进口管箱（30），天然气进口管箱（30）顶部安装天然气进口接管（29）及天然气进口法兰（28）；筒体（12）下部中间安装C2H4进口管板（27），C2H4进口管板（27）前面安装C2H4进口管束（20），后面安装C2H4进口管箱（26），C2H4进口管箱（26）顶部安装C2H4进口接管（25）及C2H4进口法兰（24）；筒体（12）中部安装耳座（35）。
LNG低温液化二级制冷三股流螺旋缠绕管式换热装备
技术领域
[0001] 本发明属天然气低温液化技术领域，涉及LNG二级低温液化装备及混合制冷剂制冷技术，应用C2H4制冷剂及LNG二级进口0.3MPa、－130℃的N2—CH4混合制冷剂蒸气在三股流螺旋缠绕管式换热器内将5.8MPa、－53℃天然气冷却至－120℃并液化，以便LNG进入三级过冷段；二级制冷三股流螺旋缠绕管式换热器首先过冷C2H4制冷剂，C2H4过冷后被节流至壳程与N2—CH4混合后冷却来自一级的－53℃LNG管束、N2—CH4预冷管束及C2H4过冷管束，使管程内天然气及N2—CH4中CH4液化，达到过冷C2H4、预冷N2—CH4及液化天然气目的；其结构紧凑，换热效率高，可用于－53℃～－120℃气体带相变低温换热，解决LNG二级低温液化难题，提高LNG系统低温换热效率。
背景技术
[0002] 大型混合制冷剂天然气液化流程主要包括三个阶段，第一个阶段是将压缩后的天然气进行预冷，即将36℃天然气预冷至－53℃，第二个阶段是将天然气从－53℃冷却至－120℃，为低温液化做准备，第三个阶段是将－120℃天然气冷却至－164℃并液化，三个过程可采用不同制冷工艺、不同制冷剂及不同换热设备。目前，大多混合制冷剂天然气液化系统采用整体换热方式，将三段制冷过程连接为一整体，换热器高度可达60～80米，换热效率得到明显提高，但存在的问题是换热工艺流程过于复杂，换热设备体积过于庞大，给加工制造、现场安装及运输带来严重不便，且一旦出现管道泄漏等问题，难于检测，很容易造成整台换热器报废，成套工艺装备停产。另外，由于普通列管式换热器采用管板连接平行管束方式，结构简单，自收缩能力较差，一般为单股流换热，换热效率较低，体积较大，温差较小，难以将天然气在一个流程内冷却并液化。本发明根据LNG二级低温液化特点，采用三段各自独立的螺旋缠绕管式换热器做为主要换热设备，分段独立制冷，针对第二级C2H4制冷剂制冷工艺流程，重点研究开发温区介于―53℃～－120℃之间的第二级低温液化工艺技术及装备，解决第二级天然气低温液化核心技术问题，即LNG低温液化二级制冷三股流螺旋缠绕管式换热器结构及工艺流程问题。
发明内容
[0003] 本发明主要针对天然气二级―53℃～－120℃低温液化问题，采用具有体积小、换热效率高、换热温差大、具有自紧收缩调整功能的三股流螺旋缠绕管式换热器做为主换热设备，应用C2H4制冷剂先预冷后节流的制冷工艺流程，控制相变制冷流程，进而控制天然气液化温度及压力，提高换热效率，解决天然气二级低温液化问题。
[0004] 本发明的技术解决方案：
[0005] LNG低温液化二级制冷三股流螺旋缠绕管式换热装备，包括N2—CH4壳程进口法兰1、N2—CH4壳程进口接管2、C2H4出口法兰3、C2H4出口接管4、C2H4出口管箱5、C2H4出口管板
6、N2—CH4出口法兰7、N2—CH4出口接管8、N2—CH4出口管箱9、N2—CH4出口管板10、N2—CH4出口管束11、筒体12、螺旋盘管13、下支撑圈14、N2—CH4进口管束15、N2—CH4进口管板16、N2—CH4进口管箱17、N2—CH4进口法兰18、N2—CH4进口接管19、C2H4进口管束20、C2H4—N2—CH4混合气出口接管21、C2H4—N2—CH4混合气出口法兰22、下封头23、C2H4进口法兰24、C2H4进口接管25、C2H4进口管箱26、C2H4进口管板27、天然气进口法兰28、天然气进口接管29、天然气进口管箱30、天然气进口管板31、天然气进口管束32、中心筒33、垫条
34、耳座35、上支撑圈36、C2H4预冷出口管束37、天然气出口管束38、天然气出口管箱39、天然气出口接管40、天然气出口法兰41、天然气出口管板42、节流后C2H4进口接管43、节流后C2H4进口法兰44、上封头45，其特征在于：天然气进口管束32、N2—CH4进口管束15、C2H4进口管束20绕中心筒33缠绕，缠绕后的管芯安装于筒体12内；中心筒33一端安装上支撑圈
36，一端安装下支撑圈14，上支撑圈36固定于筒体12上部，下支撑圈14固定于筒体12下部，天然气进口管束32、N2—CH4进口管束15、C2H4进口管束20缠绕于上支撑圈36与下支撑圈14之间；筒体12上部与上封头45连接，上封头45顶部安装N2—CH4壳程进口接管2及N2—CH4壳程进口法兰1；筒体12下部与下封头23连接，下封头23顶部安装C2H4—N2—CH4混合气出口接管21及C2H4—N2—CH4混合气出口法兰22；筒体12上部左侧安装N2—CH4出口管板10，N2—CH4出口管板10右侧连接N2—CH4出口管束11，左侧连接N2—CH4出口管箱
9，N2—CH4出口管箱9顶部连接N2—CH4出口接管8及N2—CH4出口法兰7；筒体12上部右侧安装天然气出口管板42，天然气出口管板42左侧连接天然气出口管束38，右侧连接天然气出口管箱39，天然气出口管箱39顶部连接天然气出口接管40及天然气出口法兰41；筒体12上部中间下方安装C2H4出口管板6，C2H4出口管板6前面安装C2H4预冷出口管束37，后面安装C2H4出口管箱5，C2H4出口管箱5顶部安装C2H4出口接管4及C2H4出口法兰3；筒体12上部中间上方安装节流后C2H4进口接管43、节流后C2H4进口法兰44；筒体12下部左侧安装N2—CH4进口管板16，N2—CH4进口管板16右侧连接N2—CH4进口管束15进口，左侧连接N2—CH4进口管箱17，N2—CH4进口管箱17顶部安装N2—CH4进口接管19及N2—CH4进口法兰18；筒体12下部右侧安装天然气进口管板31，天然气进口管板31左侧连接天然气进口管束32进口，右侧连接天然气进口管箱30，天然气进口管箱30顶部安装天然气进口接管29及天然气进口法兰28；筒体12下部中间安装C2H4进口管板27，C2H4进口管板27前面安装C2H4进口管束20，后面安装C2H4进口管箱26，C2H4进口管箱26顶部安装C2H4进口接管25及C2H4进口法兰24；筒体12中部安装耳座35。
[0006] C2H4制冷剂在－53℃、1.88MPa时进入C2H4进口管箱26，在C2H4进口管箱26内分配于C2H4进口管束20各支管，C2H4进口管束20经螺旋缠绕后在筒体12内被节流后的C2H4、自N2—CH4壳程进口接管2进入壳体的－130℃、0.3MPa的N2—CH4混合制冷剂过冷，温度降低至－120℃、压力降低至1.58MPa，再流至C2H4出口管箱5，经安装于C2H4出口接管4与节流后C2H4进口接管43之间的节流阀节流为过冷液体，节流后压力降至0.3MPa，温度变为－119.4℃，再经节流后C2H4进口接管43进入筒体12与来自三级的自N2—CH4壳程进口接管
2进入壳体的N2—CH4混合制冷剂混合，混合后向下流动冷却天然气进口管束32、N2—CH4进口管束15、C2H4进口管束20后，在－63℃、0.3MPa时经C2H4—N2—CH4混合气出口接管21流出二级制冷装置并进入一级制冷段。
[0007] N2—CH4混合制冷剂在－53℃、1.88MPa时进入N2—CH4进口管箱17，在N2—CH4进口管箱17内分配于N2—CH4进口管束15各支管，N2—CH4进口管束15经螺旋缠绕后在筒体12内被节流后的C2H4、自N2—CH4壳程进口接管2进入壳体的N2—CH4混合制冷剂预冷，预冷后CH4被液化并形成N2—CH4气液两相流，温度降低至－120℃、压力降低至1.58MPa，再流至N2—CH4出口管箱9，经N2—CH4出口接管8后进入三级制冷装置预冷。
[0008] 天然气在－53℃、5.8MPa时进入天然气进口管箱30，在天然气进口管箱30内分配于天然气进口管束32各支管，天然气进口管束32经螺旋缠绕后在筒体12内与节流后的C2H4、自N2—CH4壳程进口接管2进入壳体的N2—CH4混合制冷剂进行换热，温度降至－120℃、压力降至5.5MPa时液化，液化后流至天然气出口管箱39，再经天然气出口接管40流出二级制冷装置并进入三级制冷装置。
[0009] 方案所涉及的原理问题：
[0010] 首先，传统的LNG混合制冷剂天然气液化系统采用整体换热方式，采用一个完整的制冷系统，换热效率较级联式LNG液化系统有了明显提高，使换热器数量减少，整体液化工艺流程得到简化，独立运行的制冷系统减少，管理方便，但存在的问题是液化工艺流程简化后，使LNG主换热器体积庞大，换热工艺复杂，加工制造、现场安装及运输难度增大，且一旦出现管道泄漏等问题，难于检测，容易造成整台换热器报废，成套工艺装备停产。为解决这一问题，本发明将主换热器内天然气温度变化过程分为36℃～－53℃、－53℃～－120℃，－120℃～－164℃三个级别，采用三个独立的换热器，完成三个温度区间由高至低的换热过程，重点研究开发第二级－53℃～－120℃低温换热流程及第二级换热器总体结构及进出口参数，并采用C2H4制冷剂制冷工艺，解决第二段低温液化工艺设备问题。研究过程相对独立，可与前后两段连接成为整体，连接后与整体式主换热换热原理一致，便于主换热器分拆后运输及安装。其次，采用C2H4制冷剂制冷工艺后，节流前须对C2H4进行过冷。冷剂进口为1.88MPa、－53℃时，C2H4处于液相状态，当压力达到1.58MPa、温度达到－120℃时，C2H4过冷并具有较大显热，再节流后可得到更大制冷量。N2—CH4混合制冷剂主要用于三级制冷过程，节流前须经－53℃～－120℃、－120℃～－164℃两段低温预冷过程，在二级制冷过程中，N2—CH4混合制冷剂预冷过程与天然气液化及C2H4过冷过程同时进行，所以，须采用三股流低温换热过程。传统的列管式换热器由于采用了两块大管板连接平行管束结构，体积较大，换热温差较小，易分区，管间距较大，自收缩能力较差，一般适用于单股流换热，换热效率较低，难以将天然气在一个流程内冷却并液化，不易完成三股流均匀换热过程。本发明开发了可承受6.4MPa压力、－120℃低温9Ni钢三股流螺旋缠绕管式低温换热器，可完成高压低温工况下三股流换热过程；采用C2H4制冷剂节流前过冷工艺以产生足够冷量，预冷N2—CH4混合制冷剂、过冷C2H4制冷剂及在LNG二级制冷段液化天然气。
[0011] 本发明的技术特点：
[0012] 本发明主要针对LNG低温液化二级制冷三股流螺旋缠绕管式换热装备，采用具有体积小、换热效率高、换热温差大、具有自紧收缩调整功能的三股流螺旋缠绕管式换热器做为主换热设备，应用C2H4制冷剂先预冷后节流的制冷工艺流程，控制相变制冷流程，进而控制天然气液化温度及压力，提高换热效率，解决天然气在－53℃～－120℃二级低温液化问题；二级制冷过程用三股流螺旋缠绕管式换热器具有结构紧凑，多种介质带相变传热，传热系数大，可解决大型LNG低温液化过程中天然气二级混合制冷剂预冷、天然气低温液化技术难题，提高系统换热及液化效率；应用二级LNG低温液化过程后，LNG主换热器可分为三个独立的换热器，体积减小，可分段进行加工制造、运输及现场安装，一旦出现管道泄漏等问题，易于检测，不易造成整台换热器报废及成套工艺装备停产；LNG低温液化二级制冷三股流螺旋缠绕管式换热装备可合理分配液化段及过冷段的热负荷，使液化段和过冷段相对协调，可结合大型换热器的载荷分配以及换热管强度特性，采用辅助中心筒缠绕螺旋盘管的方式，从理论上保证缠绕过程均匀且强度符合设计要求；合理选择了换热器进出口位置及物料、采用多个小管板侧置的方法可使换热器结构更加紧凑，换热过程得到优化；螺旋缠绕管式换热器管外介质逆流并横向交叉掠过缠绕管，换热器层与层之间换热管反向缠绕，即使雷诺数较低，其依然为湍流形态，换热系数较大；由于是多种介质带相变换热过程，对不同介质之间的压差和温差限制要求较小，生产装置操作难度降低，安全性得以提高；螺旋缠绕管式换热器耐高压且密封可靠、热膨胀可自行补偿，易实现大型LNG液化作业。
附图说明
[0013] 图1所示为LNG低温液化二级制冷三股流螺旋缠绕管式换热装备的主要部件结构及位置关系。
具体实施方式
[0014] 将一级出口温度为－53℃的天然气管道与天然气进口接管29连接，天然气在－53℃、5.8MPa时进入天然气进口管箱30，在管箱30内再分配于天然气螺旋管束32各支管，管束32经螺旋缠绕后在筒体12内与节流后的C2H4、来自三级并进入接管2的N2—CH4混合制冷剂进行换热，温度降至－120℃、压力降至5.5MPa时液化，液化后流至管箱39，通过接管40流入三级制冷装置过冷。
[0015] N2—CH4混合制冷剂在－53℃、1.88MPa时进入混合制冷剂预冷管箱17，在管箱17内再分配于管束15各支管，管束15经螺旋缠绕后在筒体12内被节流后的C2H4、来自三级并由接管2进入壳程的－130℃、0.3MPa的N2—CH4混合制冷剂预冷，预冷后管程内N2—CH4混合制冷剂中CH4被液化，形成气液两相流，再流至管箱9，温度降至－120℃、压力降至
1.58MPa，再经接管8送入三级制冷装置预冷。
[0016] C2H4制冷剂在－53℃、1.88MPa时进入管箱26，在管箱26内再分配于C2H4过冷管束20各支管，管束20经螺旋缠绕后在筒体12内被节流后的C2H4、来自三级并由接管2进入壳程的－130℃、0.3MPa的N2—CH4混合制冷剂过冷，过冷后流至管箱5，温度降至－120℃、压力降至1.58MPa；过冷后的C2H4经接管4与接管43之间的节流阀节流后压力降至0.3MPa，温度变为－119.4℃，处于过冷液相状态；节流后的C2H4经接管43进入筒体12，与来自接管2的N2—CH4混合制冷剂混合后向下流动，冷却N2—CH4管束、C2H4管束及天然气管束后，在－63℃、0.3MPa时经接管21流出三级换热器，进入LNG一级换热装备。
