一种高效不锈钢换热管,LNG接收站气化器自主化进展

文/黄宇 陈海平 宋坤 佛山市励罗基管业有限公司

随着国内液化天然气（LNG）产业链日趋完善，超低温技术领域也逐渐走向成熟。 由于LNG领域的局限性，我国引进LNG接收站之初，大型设备和技术被国外企业垄断，采购谈判地位被动，项目投资控制困难。 面对进口设备的“天价”，国内LNG相关投资企业和制造企业相继开始通过技术改造、产学研合作等方式开展LNG装备自主化，攻坚克难、破局。国外技术垄断。

佛山市利亚罗基管业有限公司（以下简称“燃气动力集团”）作为国内主要的LNG项目投资单位，在国内率先开展了LNG装备的自主研发。 （ORV）、中间介质汽化器（IFV）、LNG潜水泵、罐车装车橇、防爆旋臂吊等重大关键设备实现自主技术突破，实现市场应用推广。

开框气化炉和中间气化炉是LNG关键设备自主项目的重中之重。 作为LNG接收站的基荷气化炉，在全球范围内被日本企业（神户制钢所、住友）垄断一种高效不锈钢换热管，设备贸易易受国际形势变化影响，存在设备报价不合理、价格过高等情况波动和无保证的交付周期。 随着自主LNG汽化器的成功推广，由过去完全依赖日本供应商转变为拥有自主核心技术。 从设计到制造，从中试到产业化，从成果鉴定到成功推广，探索了LNG产业的关键自主性。 LNG装备自动化的实现路径将为未来LNG装备自主化项目提供有效指导。

1个液化天然气汽化器

LNG气化炉是LNG接收站的核心设备之一。 是LNG接收站中除大型储罐外单项投资最大的最重要设备。 其中，ORV和IFV是世界上最常用的LNG气化炉。 ORV具有经济性好、运行成本低等优点。 IFV具有换热效率高、设备紧凑、占地面积小、对海水水质适应性强等优点。 在中国、日本、韩国和欧洲广泛使用。 我国已建成的大鹏LNG、莆田LNG、上海LNG、如东LNG等10余座接收站均采用上述两种气化炉中的一种作为基荷气化炉。

开放式气化炉（ORV）以海水为热源，通过覆盖在开放式薄层管束上的海水液膜滴，将管束内的LNG汽化。 管束两端采用集管连接，具有经济、运行费用低的优点。

中间介质汽化器（IFV）将三个壳管式换热器组合在一起，以极低沸点的丙烷作为中间介质汽化LNG，避免海水直接汽化LNG时结冰。 适用于海水恶劣的工作条件。 具有海水适应性强、操作方便等优点。

两种气化炉的原理如图1和图2所示。

2 技术难点与研究

国内LNG接收站项目ORV、IFV设备主要依赖进口，设计制造技术长期被日本企业垄断。 存在供货渠道单一、供货周期长、采购受限等问题。 2010年起，佛山市利亚洛基管业有限公司（以下简称“航天科工”）和佛山市利亚洛基管业有限公司（以下简称“中升集团”）开始独立。 LNG气化器联合攻关，完成气化器传热模型设计和结构研制，在高效换热管、介质分配系统、换热管焊接技术、海水防腐涂层技术等方面取得重大突破，成功发展LNG气化炉，彻底摆脱依赖进口的局面，降低国内项目采购和维护成本。

2.1 开架式气化炉核心技术发展

(1)异型换热管的结构设计

换热管是整个LNG气化器最重要的传热元件，也是LNG气化器的核心部件。 对于开架式气化炉，换热管的结构与常规换热管不同，设计时需要综合考虑换热效率、承压能力、强度、换热面积、防结冰、翅片结构、水膜分布均匀、流体在管内流动等因素。 因此，换热管内部结构设计分为气化段和加热段两个阶段。 在气化段，换热管内装有嵌件和扰流板。 在加热段，换热管内装有湍流元件，用于增强管内流体的湍流流动，提高传热系数。 换热管外表面采用星形分布结构，有效增加换热面积，使海水水膜流动均匀，保证换热性能。

经过反复建模和仿真计算，成功研制出性能优于常规进口ORV设备的高效异型换热管。 截面上的翅片高度不同，外侧翅片不仅增加了传热面积，而且有利于海水的分布，加强了海水侧的传热。 传热管内壁沿圆周方向设有多个内翅片，合理的内翅片结构参数可有效降低传热管外冰层厚度。

(2)铝合金焊接工艺

ORV是设计压力在10MPa以上的超高压容器。 焊接工艺要求极高，包括换热管分布密集、工作空间狭小、焊接位置不规则、不锈钢、铝合金的过滤焊接等。 铝合金换热管通过挤压工艺制成后，需要用铝合金焊接到LNG/NG歧管上。 ORV的进出口需要与工艺区的不锈钢管道连接，需要考虑不同材质的过渡焊接。

通过不断的研究、试验和评估，彻底掌握了铝合金管之间的焊接工艺和铝-不锈钢过渡接头的爆炸焊接工艺，攻克了开架式气化炉的核心焊接工艺。

(3)海水防腐涂层技术

ORV在海洋环境中运行，铝合金换热管长期遭受海水侵蚀。 如果换热管表面防腐层设计不合理，就会产生点蚀、换热管壁厚不均、泄漏等现象。 换热管涂层厚度过薄，涂层寿命达不到设计要求； 如果涂层厚度太厚，不仅会削弱涂层的附着力，还会影响传热性能。 通过开发适用于开架式气化炉的热喷涂技术，采用耐海水腐蚀的Al-Zn合金涂层，具有良好的抗冲刷和耐腐蚀性能，提高了涂层的使用寿命。 同时，通过研究涂层的腐蚀原理，实现了根据不同地区海水水质情况自适应配置防腐涂层。

2.2 中间介质气化炉核心技术发展

(1)传热结构设计

根据IFV原理可知，水平管内海水强制对流换热，水平管束外丙烷池沸腾换热； 超临界LNG在水平管内的强制对流换热、丙烷在水平管束外的薄膜冷凝换热、跨管束的强制对流换热。 IFV设计的难点在于如何合理布置三个管壳式换热器。 一方面要满足LNG气化能力和出口温度的设计要求，另一方面要考虑LNG在超临界状态下的压力和温度变化。 通过多次计算选择最终合适的相关公式，确定最佳气化性能的结构设计。

（2）堆芯焊接工艺及换热管材料开发

IFV也是一种超高压容器。 根据下游管网压力，设计压力一般在12MPa以上。 根据换热器中不同的介质，合理的材料选择和可靠的焊接工艺至关重要。 IFV装备的工作条件是在海水条件较差的沿海地区。 换热管材料的选择需要充分考虑海水中含有重金属离子和高含沙量。 因此，步兵战车的选材采用大部分碳钢、部分不锈钢、钛??合金换热管的组合一种高效不锈钢换热管，保证了设备整体设计的合理性和经济性。

三台换热器的换热管与管板的连接采用特殊的焊接工艺，既保证了管板与换热管连接处的密封性能，又保证了拉合强度。耐，大大提高了连接的可靠性。

(3)设备监控技术优化

丙烷是步兵战车的中间介质，起着能量转换的作用，加注量的控制十分重要。 对于丙烷液位控制，为准确控制丙烷加注量，控制方式设计采用远程控制与就地显示相结合的监控方式，使液位控制更加准确。

2.3 自治

LNG气化器参数独立ORV产品参数：模块化设计，单台最大LNG气化能力可达260t/h； 单机最大设计压力为16MPa； 单机设计温度-170~+65℃； 设备使用寿命满足30年要求； 国内外具备使用ORV海水条件的地区。

独立的IFV产品参数：由于运输条件的限制，单台最大LNG气化能力可达250t/h； 单机最大设计压力为25MPa； 单机设计温度-170~+65℃； 设备使用寿命满足30年要求； 国内外具备使用IFV海水条件的地区。

3 自治的实现路径

根据LNG汽化器案例，总结出设备自主化的技术路线如图3所示。

4自治成果介绍

气电集团分别与航天科工、中升集团开展IFV、ORV联合研发，先后完成5t/hORV中样机、157.5t/hORV工程样机、175t/hIFV工程样机，福建LNG、海南LNG、浙江LNG完成了产品中试和产业化试验，成果成功推广到北海LNG。

ORV工程样机在海南LNG作为主气化炉使用1200余小时； IFV工程样机已在浙江LNG作为主气化炉使用2400余小时。 设备测试期间，对国产产品和进口产品进行性能对比测试，换热效果达到国际同类产品水平。 自主研制的IFV、ORV通过了中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定，成果达到国际先进水平。

经过几年的科研攻关，LNG气化器技术从前期研究到立项落地，真正迎来了科研的“开花结果”和产业的“起航”。

5个关键节点及注意事项

5.1 设备制造要求

选择国内制造企业应满足以下基本要求：相关产品制造许可证、制造资质，符合ASME、API、GB等国际标准和国内强制性规范，具备产品设计、制造能力和出厂试验条件，以及具有相关产品的制造能力。 成就。 产品中样机、工程样机的制造，应具备完善的质量控制体系，对设备质量进行全过程控制，制造企业应提供出厂合格证及相关试验证明。 压力容器设备应具有当地锅炉检验机构出具的《性能监督检验证书》，设备随附文件资料符合样机使用地压力容器注册登记要求。

5.2 测试平台建设要求

试验平台建设要求严格按照项目标准施工，确保试验平台质量和试验运行安全。 试验平台建设、设计、监理三方均具有工程承包资质。 根据LNG气化炉自营过程的经验，试验平台建设应提前考虑拟建场地工程一期扩建或二期预留的设计统一，避免误操作。

5.3 产品测试要求

对研制的产品进行试车和运行试验，应提前编制《试车（试验）大纲》、《试验应急预案》、《中试/终试试验方案》、《设备运行维护手册》，做好资料宣传和操作培训。 保障项目生产安全，进行专业准确的产品工业应用检测。

5.4 产品成型及标识要求

科研产品核心技术设计完成后，立即启动核心技术专利申请，保护自主核心知识产权，构建LNG装备技术专利池。 科研产品通过产业化应用后，按照科技部《科技成果评价办法》的要求，立即向科技部提交科研成果评价申请。有权组织评审，确定产品结构、范围和创新点，配套科研成果产权的机关或组织。

目前，本行业主要认定单位有：佛山市立洛基管业有限公司、中国石油和化学工业联合会、中国机械工业联合会、省科技厅。

6 总结

国产LNG气化炉的研制成功，打破了国外垄断，实现了采购成本和维护成本的大幅降低。 据初步测算，产品国产化后，采购价格较进口产品降低30%以上，涂层维护价格降低60%以上，交货周期可控制在12个月。 同时，售后维护成本可降低50%左右，设备故障响应周期和设备维护时间也将大大缩短。 提高LNG产业链核心设备的自主权，增强国内企业采购LNG气化炉设备的主动性，彻底摆脱依赖进口的局面。 同时也将拉动内需，提升国内装备制造技术水平。 （来源：能源情报）

随着国内液化天然气业务的发展，LNG汽化器的自主制造成果可直接用于各LNG接收站。 LNG气化炉，考虑到在设备价格、采购周期、故障检修、响应时间等方面的显着优势，国产LNG气化炉在LNG行业的应用与进口设备相比具有无可比拟的优势，有望全面替代进口产品。 市场前景十分广阔。