液化天然氣裝備設計技術：LNG板翅式換熱器卷（上）

在LNG工業領域，大力發展LNG產業，提高天然氣能源在消費中的比例是調整我國能源結構的重要途徑，LNG既是天然氣遠洋運輸的主要方法，也是天然氣調峰的重要手段。隨著國內眾多LNG工廠的相繼投產及沿海LNG接收終端的建設，我國LNG工業進入了高速發展時期，與之相關連的LNG板翅式換熱器裝備技術也得到相應快速發展。 ★板翅式換熱器的國內外發展情況 ★板翅式換熱器的主要構造及特點 ★液化天然氣用板翅式換熱器特點 ★30萬立方米每天DMR雙混合制冷劑LNG板翅式換熱器設計計算 ★30萬立方米每天丙烷預冷混合制冷劑LNG四級板翅式換熱器設計計算 ★7萬立方米每天天然氣膨脹預冷LNG兩級板翅式換熱器設計計算 ★30萬立方米每天C3/MR閉式LNG三級板翅式換熱器設計計算 ★60萬立方米每天級聯式PFHE型LNG三級三組板翅式換熱器設計計算 ★100萬立方米每天開式LNG液化系統及板翅式換熱器設計計算 ★30萬立方米每天天然氣膨脹LNG液化兩級板翅式換熱器設計計算

張周衛，蘭州交通大學，教授，男，國家“萬人計劃”領軍人才，國家 級創新創業人才，國家科技專家庫專家，環境科學博士后，動力工程及工程熱物理博士，畢業于西安交通大學能源與動力工程學院制冷及低溫工程系，高級工程師，教授，主要從事空間低溫制冷技術、壓縮機械、真空低溫設備、LNG過程控制裝備、多股流纏繞管式換熱裝備、螺旋壓縮膨脹制冷機等研究，涉及系統耦合傳熱及傳熱數值模擬計算，低溫節流減壓裝置、低溫系統換熱裝備、低溫冷屏蔽系統、高超聲速飛行器空間低溫制冷機理研究等；先后參與北京航空航天大學863系統項目子項目“天然氣渦旋壓縮機”、清華大學航天航空學院973系統子項目“空間氣流組織測試模擬環境室”、總裝備部“空間低溫紅外輻射冷屏蔽系統研究”、真空低溫國防重點實驗室“空間低溫流體流動特性實驗研究”、國家重點實驗室“空間低溫流體自密封加注系統研究”等，先后參與國家 級項目20多項，主持國家自然基金及國家創新基金等6項、甘肅省創新基金4項、甘肅省自然基金等項目4項，與企業合作4項等；主持申報發明專利46項，發表論文30多篇，出版學術專著3部等；帶領創新創業團隊獲得省級二等以上獎勵54人次，廳級以上獎勵80多人次，2013年入選江蘇省啟東市“東疆英才扶持計劃”，2014年入選“國家創新人才推進計劃”，2016年入選國家“特殊人才支持計劃”。

本書基于板翅式換熱器的 LNG 液化工藝及混合制冷劑換熱用板翅式換熱器運算法則，主要內容包括當前國際上流行的LNG 液化工藝流程用各類型LNG 板翅式換熱器設計計算過程，如30 萬立方米每天DMR雙混合制冷劑LNG 三級板翅式換熱器設計計算、30 萬立方米每天三元混合制冷劑預冷LNG 四級板翅式換熱器設計計算、7 萬立方米每天天然氣膨脹預冷LNG 兩級板翅式換熱器設計計算、30 萬立方米每天C3/MR閉式LNG 三級板翅式換熱器設計計算、60 萬立方米每天級聯式PFHE 型LNG 三級三組板翅式換熱器設計計算、100 萬立方米每天開式LNG 液化系統及板翅式換熱器設計計算、30 萬立方米每天天然氣膨脹制冷LNG 液化四級板翅式換熱器設計計算等內容。 本書可供從事天然氣、液化天然氣（LNG）、化工機械、制冷與低溫工程、石油化工、動力工程及工程熱物理領域內的研究人員、設計人員、工程技術人員參考，還可供高等學?；C械、能源化工、石油化工、制冷與低溫工程、能源與環境系統工程等相關專業的師生參考。

第1 章 緒論
1.1 板翅式換熱器的發展概況 002
1.1.1 國外發展概況 002
1.1.2 國內發展概況 002
1.2 板翅式換熱器的主要構造及特點 003
1.3 液化天然氣（LNG）用板翅式換熱器特點 004
1.3.1 PFHE 型LNG 液化工藝流程操控 005
1.3.2 LNG 板翅式換熱器工藝設計 005
1.3.3 LNG 板翅式換熱器結構設計 007
1.3.4 LNG 板翅式換熱器板束排列 008
參考文獻 008

第2 章 30 萬立方米每天DMR 雙混合制冷劑LNG 三級板翅式換熱器設計計算
2.1 板翅式換熱器簡介 010
2.2 板翅式換熱器的工藝計算 011
2.2.1 混合制冷劑參數確定 011
2.2.2 板翅式換熱器的LNG 液化流程 011
2.2.3 制冷劑溫熵圖 011
2.2.4 工藝計算過程 011
2.3 板翅式換熱器翅片 018
2.3.1 翅片特點 018
2.3.2 翅片結構 018
2.3.3 初始參數的確定與計算 018
2.3.4 一級換熱器流體參數計算 019
2.3.5 二級換熱器流體參數計算 024
2.3.6 三級換熱器流體參數計算 027
2.4 板翅式換熱器傳熱面積及壓損計算 030
2.4.1 一級板翅式換熱器傳熱面積及壓損計算 030
2.4.2 二級板翅式換熱器傳熱面積及壓損計算 035
2.4.3 三級板翅式換熱器傳熱面積及壓損計算 039
2.5 板翅式換熱器結構設計 042
2.5.1 封頭設計 042
2.5.2 液壓試驗 047
2.5.3 接管確定 049
2.5.4 接管補強 052
2.5.5 法蘭與墊片選擇 065
2.5.6 隔板、封條及導流片的選擇 067
2.5.7 換熱器的成型安裝 069
本章小結 071
參考文獻 072

第3 章 30 萬立方米每天三元混合制冷劑預冷LNG 四級板翅式換熱器設計計算
3.1 板翅式換熱器的工藝計算 073
3.1.1 混合制冷劑參數確定 073
3.1.2 LNG 液化流程 074
3.1.3 各過程質量流量的計算 074
3.2 板翅式換熱器各參數及傳熱面積計算 081
3.2.1 天然氣側流體參數計算 081
3.2.2 氮氣-甲烷-乙烯側參數計算 085
3.2.3 乙烯-丙烷-異丁烷側參數計算 089
3.2.4 一級板翅式換熱器傳熱面積計算 095
3.2.5 二級板翅式換熱器傳熱面積計算 099
3.2.6 三級板翅式換熱器傳熱面積計算 102
3.2.7 深冷板翅式換熱器傳熱面積計算 104
3.3 壓力損失計算 105
3.3.1 一級壓力損失計算 105
3.3.2 二級壓力損失計算 108
3.3.3 深冷壓力損失計算 110
3.4 板翅式換熱器結構設計 111
3.4.1 封頭結構設計 111
3.4.2 液壓試驗 118
3.4.3 接管確定 123
3.4.4 接管補強 126
本章小結 145
參考文獻 145

第4 章 7 萬立方米每天天然氣膨脹預冷LNG 兩級板翅式換熱器設計計算
4.1 板翅式換熱器的工藝計算 147
4.1.1 混合制冷劑參數確定 147
4.1.2 LNG 液化天然氣工藝流程 147
4.1.3 一級設備預冷制冷過程 148
4.1.4 二級設備預冷制冷過程 150
4.1.5 一級換熱器流體參數計算 152
4.1.6 二級換熱器流體參數計算 158
4.1.7 一級板翅式換熱器傳熱面積計算 161
4.1.8 二級板翅式換熱器傳熱面積計算 166
4.1.9 換熱器壓力損失的計算 169
4.2 板翅式換熱器結構設計 173
4.2.1 封頭選擇 174
4.2.2 EX1 各個板側封頭壁厚計算 174
4.2.3 EX2 各個板側封頭壁厚計算 176
4.3 液壓試驗 177
4.3.1 內壓通道 177
4.3.2 接管 179
4.4 接管補強 182
4.4.1 換熱器接管計算 182
4.4.2 一級換熱器補強面積計算 183
4.4.3 二級換熱器補強面積計算 187
本章小結 190
參考文獻 191

第5 章 30 萬立方米每天C3/MR 閉式LNG 三級板翅式換熱器設計計算
5.1 板翅式換熱器的工藝計算 192
5.1.1 混合制冷劑參數確定 193
5.1.2 LNG 液化流程 193
5.1.3 天然氣的預冷過程 193
5.1.4 一級設備預冷制冷過程 194
5.1.5 二級設備預冷制冷過程 195
5.1.6 三級設備預冷制冷過程 196
5.1.7 一級換熱器流體參數計算（單層通道） 199
5.1.8 二級換熱器流體參數計算（單層通道） 211
5.1.9 三級換熱器流體參數計算（單層通道） 223
5.2 板翅式換熱器結構設計 231
5.2.1 封頭選擇 231
5.2.2 一級換熱器各個板側封頭壁厚計算 232
5.2.3 二級換熱器各個板側封頭壁厚計算 233
5.2.4 三級換熱器各個板側封頭壁厚計算 234
5.3 液壓試驗 236
5.3.1 液壓試驗目的 236
5.3.2 內壓通道 236
5.4 接管 238
5.4.1 接管確定 238
5.4.2 一級換熱器接管壁厚 239
5.4.3 二級換熱器接管壁厚 239
5.4.4 三級換熱器接管壁厚 239
5.4.5 接管尺寸 240
5.4.6 接管補強 240
本章小結 249
參考文獻 250

第6 章 60 萬立方米每天級聯式PFHE 型LNG 三級三組板翅式換熱器設計計算
6.1 板翅式換熱器的工藝計算及過程 251
6.1.1 一級設備預冷制冷過程 251
6.1.2 二級設備預冷制冷過程 254
6.1.3 三級設備預冷制冷過程 256
6.2 板翅式換熱器翅片的計算 257
6.2.1 一級換熱器流體參數計算（單層通道） 258
6.2.2 二級換熱器流體參數計算（單層通道） 265
6.2.3 三級換熱器流體參數計算（單層通道） 271
6.2.4 四級換熱器流體參數計算（單層通道） 277
6.2.5 五級換熱器流體參數計算（單層通道） 284
6.2.6 六級換熱器流體參數計算（單層通道） 290
6.2.7 七級換熱器流體參數計算（單層通道） 296
6.2.8 八級換熱器流體參數計算（單層通道） 304
6.2.9 九級換熱器流體參數計算（單層通道） 310
6.3 板翅式換熱器結構設計 316
6.3.1 封頭設計 316
6.3.2 一級換熱器各個板側封頭壁厚計算 317
6.3.3 二級換熱器各個板側封頭壁厚計算 318
6.3.4 三級換熱器各個板側封頭壁厚計算 319
6.4 液壓試驗 320
6.4.1 液壓試驗壓力 320
6.4.2 封頭的應力校核 321
6.4.3 尺寸校核計算 321
6.5 接管確定 323
6.5.1 接管尺寸確定 323
6.5.2 接管尺寸匯總 324
6.5.3 接管補強 324
本章小結 334
參考文獻 334

第7 章 100 萬立方米每天開式LNG 液化系統及板翅式換熱器設計計算
7.1 板翅式換熱器的工藝計算 336
7.1.1 混合制冷劑參數確定 336
7.1.2 設備預冷制冷過程 336
7.1.3 制冷劑各組分的質量流量 338
7.2 板翅式換熱器翅片的計算 339
7.2.1 一級換熱器流體參數計算（單層通道) 339
7.2.2 一級板翅式換熱器傳熱面積計算 345
7.2.3 一級換熱器壓力損失計算 349
7.2.4 二級換熱器流體參數計算（單層通道) 352
7.2.5 二級板翅式換熱器傳熱面積計算 358
7.2.6 二級換熱器壓力損失計算 362
7.2.7 三級換熱器流體參數計算（單層通道) 363
7.2.8 三級板翅式換熱器傳熱面積計算 368
7.2.9 三級換熱器壓力損失計算 370
7.3 封頭設計 371
7.3.1 封頭選擇 371
7.3.2 一級換熱器各個板側封頭壁厚計算 372
7.3.3 二級換熱器各個板側封頭壁厚計算 373
7.3.4 三級換熱器各個板側封頭壁厚計算 374
7.4 液壓試驗 375
7.4.1 液壓試驗目的 375
7.4.2 內壓通道 376
7.5 接管確定 378
7.5.1 接管尺寸確定 378
7.5.2 一級換熱器接管壁厚 378
7.5.3 二級換熱器接管壁厚 378
7.5.4 三級換熱器接管壁厚 379
7.5.5 接管尺寸總結 379
7.6 接管補強 380
7.6.1 補強方式 380
7.6.2 補強計算 380
本章小結 388
參考文獻 388

第8 章 30 萬立方米每天天然氣膨脹制冷LNG 液化四級板翅式換熱器設計計算
8.1 板翅式換熱器簡介 389
8.1.1 液化工藝流程及原理 389
8.1.2 透平膨脹機工作原理 391
8.1.3 天然氣膨脹液化 392
8.1.4 天然氣膨脹低溫液化比選優勢 396
8.2 換熱器換熱工藝設計計算 396
8.2.1 板翅式換熱器的工藝流程圖 396
8.2.2 板翅式換熱器的工藝設計計算步驟 396
8.2.3 已知參數 397
8.2.4 熱負荷及質量流量計算 397
8.2.5 翅片選擇與翅片參數 401
8.2.6 翅片的排列設計 402
8.2.7 流體參數計算 403
8.2.8 板翅式換熱器傳熱面積計算 416
8.2.9 壓力降計算 422
8.3 板翅式換熱器的結構設計 430
8.3.1 隔板厚度計算 430
8.3.2 翅片強度計算 432
8.3.3 封頭設計計算 432
8.3.4 封頭壁厚校核 438
8.3.5 接管壁厚設計計算 441
8.3.6 接管補強計算 444
本章小結 449
參考文獻 449

附錄

致謝