液化天然氣裝備設計技術：LNG板翅式換熱器卷（上）

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
1．3．1PFHE型LNG液化工藝流程操控005
1．3．2LNG板翅式換熱器工藝設計005
1．3．3LNG板翅式換熱器結構設計007
1．3．4LNG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雙混合製冷劑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混合製冷劑參數確定011
2．2．2板翅式換熱器的LNG液化流程011
2．2．3製冷劑溫熵圖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製冷劑預冷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混合製冷劑參數確定073
3．1．2LNG液化流程074
3．1．3各過程品質流量的計算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混合製冷劑參數確定147
4．1．2LNG液化天然氣工藝流程147
4．1．3一級設備預冷製冷過程148
4．1．4二級設備預冷製冷過程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
4．2．2EX1各個板側封頭壁厚計算174
4．2．3EX2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混合製冷劑參數確定193
5．1．2LNG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製冷過程194
5．1．5二級設備預冷製冷過程195
5．1．6三級設備預冷製冷過程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製冷過程251
6．1．2二級設備預冷製冷過程254
6．1．3三級設備預冷製冷過程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混合製冷劑參數確定336
7．1．2設備預冷製冷過程336
7．1．3製冷劑各組分的品質流量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製冷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熱負荷及品質流量計算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

LNG板翅式換熱器主要用於30萬立方米每天以上的大型LNG液化系統，是該系統中的核心設備，一般達到60×104m3/d以上時，可採用並聯多套的模組化辦法，實行LNG系統的大型化。基於板翅式換熱器的LNG液化工藝也是目前非常流行的中小型LNG液化系統的主液化工藝。在LNG領域，30萬立方米每天以上大型LNG液化工藝系統多採用以板翅式換熱器為主液化裝備的PFHE型LNG液化工藝技術，其具有集約化程度高、製冷效率高、占地面積小及非常便於自動化管理等優勢，已成為30萬～60萬立方米每天大型LNG液化工藝裝備領域內的標準性主流選擇，在世界範圍內已廣泛應用。
 
目前，國內的大型LNG工藝系統一般隨著成套工藝技術整體進口，包括工藝技術包及主設備專利技術等，系統整體造價昂貴，後期維護及更換設備的費用同樣巨大。由於大型LNG系統工藝及主設備大多仍未國產化，即還沒有成型的設計標準，因此給LNG液化工藝系統及裝備的國產化設計計算帶來了難題。自2013年以來，由蘭州交通大學張周衛等開始系統研究開發大型LNG混合製冷劑用多股流板翅式換熱器，並前後開發了LNG混合製冷劑板翅式換熱器、LNG一級三股流板翅式換熱器、LNG二級四股流板翅式換熱器、LNG三級五股流板翅式換熱器等系列LNG板翅式換熱器，可應用於20多種國際上流行的LNG液化工藝流程並作為主液化設備。
 
《液化天然氣裝備設計技術——LNG板翅式換熱器卷》分為上卷和下卷兩部分，兩卷主要圍繞十幾類PFHE型LNG液化工藝研究開發LNG板翅式換熱器，主要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雙混合製冷劑LNG三級板翅式換熱器設計計算、30萬立方米每天三元混合製冷劑預冷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製冷LNG液化四級板翅式換熱器設計計算、30萬立方米每天兩級氮膨脹LNG低溫液化三級板翅式換熱器設計計算、60萬立方米每天MR閉式LNG液化四級板翅式換熱器設計計算、30萬立方米每天混合製冷劑LNG液化兩級板翅式換熱器設計計算、30萬立方米每天LNG一級氮預冷膨脹液化兩級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、30萬立方米每天C1-C2-C3級聯式三級板翅式換熱器設計計算、30萬立方米每天FLNG六元混合製冷劑單級板翅式換熱器設計計算、30萬立方米每天C3/MR+APX三級LNG板翅式換熱器設計計算等內容。其內容也涉及14類較典型的LNG低溫液化工藝流程等設計計算技術，可為LNG液化等關鍵環節中所涉及的主要液化工藝技術及相應LNG板翅式換熱器設計計算提供可參考樣例，並有利於推進LNG系列板翅式換熱器的標準化及相應LNG液化工藝技術的國產化研發進程。
 
《液化天然氣裝備設計技術——LNG板翅式換熱器卷（上）》主要針對目前國際上流行的7類LNG液化工藝系統及主液化裝備的設計計算技術進行系統的研究與開發，並通過《液化天然氣裝備設計技術——LNG板翅式換熱器卷（下）》兩本書一併呈送相關領域供同行借鑒參考。主要研究30萬立方米每天以上LNG液化領域內具有代表性的LNG板翅式換熱器的設計計算方法，內容涵蓋不同類型LNG板翅式換熱器計算過程及製冷劑運算法則，也是當前國際上的主流PFHE型LNG液化工藝主設備。書中所述7種LNG板翅式換熱器設計計算方法屬LNG裝備領域內目前流行的具有一定設計技術難度的LNG系統工藝主設備核心技術，主要應用於LNG、LPG、煤化工、石油化工、低溫製冷等領域，從工藝基礎研發及設計技術等方面來講均已成熟，已能夠推進PFHE型LNG液化主設備的設計計算過程及LNG系列液化工藝的設計計算進程。
 
本書第1章為緒論部分，主要講述LNG板翅式換熱器的特點、國內外發展現狀等。
 
第2章主要講述30萬立方米每天DMR雙混合製冷劑LNG三級板翅式換熱器設計計算過程及涉及DMR液化工藝的設計計算過程，內容全面，不但包括液化工藝中涉及的板翅式主換熱器的設計計算過程，而且包括混合製冷劑的選用及計算方法、製冷工藝的設計計算過程。
 
第3章及後續章節主要講述混合製冷劑LNG四級板翅式換熱器、天然氣膨脹預冷LNG兩級板翅式換熱器、C3/MR閉式LNG三級板翅式換熱器、級聯式PFHE型LNG三級三組板翅式換熱器、開式LNG液化系統及板翅式換熱器、天然氣膨脹製冷LNG液化四級板翅式換熱器，以便為從事LNG液化裝備領域內的工程技術人員及研發人員提供必要的參考。
 
本書共分8章。其中，第1～6章由張周衛負責撰寫並編輯整理，第7章由蘇斯君負責撰寫，第8章由殷麗、王軍強負責撰寫並編輯整理，全書由張周衛統稿。鄭濤、王松濤、黃煊、貟孝東、唐鵬參與各章節的編排工作，李文振、耿宇陽參與了全書的校正工作。
 
本書受國家自然科學基金（編號：51666008）、甘肅省財政廳基本科研業務費（編號：214137）、甘肅省重點人才專案（編號：26600101）等支持。
 
本書按照目前所列24種LNG液化工藝流程的設計計算進度，重點列出7種典型的且具有代表性的LNG板翅式換熱器進行研究開發，總結設計計算方法，並與相關行業內的研究開發人員共同分享。由於水準與時間有限及其他原因，書中難免存在疏漏及不足之處，希望同行及廣大讀者批評指正。
 
蘭州交通大學
張周衛王軍強蘇斯君殷麗