液化天然氣裝備設計技術：液化換熱捲 epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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編輯推薦

在LNG工業領域，大力發展LNG産業，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工廠的相繼投産及沿海LNG接收終端的建設，我國LNG工業進入瞭高速發展時期，與之相關連的LNG低溫製冷裝備技術也得到相應快速發展。LNG液化工藝主要包括天然氣預處理、液化、儲存、運輸、接收、再汽化等工藝單元，其中，液化工藝為核心工藝流程，主要應用低溫製冷工藝技術製取-162℃低溫環境並將天然氣液化。

本書主要圍繞LNG混閤製冷劑液化工藝及貯運工藝中所涉及的主要低溫裝備，研究開發LNG工藝流程中主要液化換熱裝備的設計計算技術，主要包括LNG低溫液化混閤製冷劑多股流纏繞管式主換熱裝備、LNG低溫液化混閤製冷劑多股流闆翅式換熱裝備、錶麵蒸發空冷器等設計計算技術，為LNG液化、LNG換熱等關鍵環節中所涉及4類主要設備的設計計算提供可參考樣例，並推進LNG係列液化裝備及係統工藝技術的標準化及國産化進程。

內容簡介

本書主要圍繞液化天然氣（LNG）混閤製冷劑液化工藝及貯運工藝中所涉及的主要低溫裝備，研究開發LNG 工藝流程中主要液化換熱裝備的設計計算技術，主要包括LNG 低溫液化混閤製冷劑多股流纏繞管式主換熱裝備、LNG低溫液化混閤製冷劑多股流闆翅式換熱裝備、錶麵蒸發空冷器、開架式氣化器、低溫液氮洗用多股流纏繞管式換熱器等設計計算技術，為LNG液化、LNG換熱等關鍵環節中所涉及的主要設備的設計計算提供可參考樣例，並推進LNG係列液化裝備及係統工藝技術的標準化及國産化進程。

本書不僅可供液化天然氣（LNG）、化工機械、製冷及低溫工程、石油化工、動力工程及工程熱物理等領域的研究人員、設計人員和工程技術人員參考，還可供高等學校化工機械、能源化工、石油化工、低溫與製冷工程、動力工程等專業的師生參考。

作者簡介

張周衛，蘭州交通大學，教授，男，國傢“萬人計劃”領軍人纔，創新創業人纔，國傢科技專傢庫專傢，環境科學博士後，動力工程及工程熱物理博士，畢業於西安交通大學能源與動力工程學院製冷及低溫工程係，高級工程師，教授，主要從事空間低溫製冷技術、壓縮機械、真空低溫設備、LNG過程控製裝備、多股流纏繞管式換熱裝備、螺鏇壓縮膨脹製冷機等研究，涉及係統耦閤傳熱及傳熱數值模擬計算，低溫節流減壓裝置、低溫係統換熱裝備、低溫冷屏蔽係統、高超聲速飛行器空間低溫製冷機理研究等；先後參與北京航空航天大學863係統項目子項目“天然氣渦鏇壓縮機”、清華大學航天航空學院973係統子項目“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係統研究”、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”、國傢重點實驗室“空間低溫流體自密封加注係統研究”等，先後參與項目20多項，主持國傢自然基金及國傢創新基金等6項、甘肅省創新基金4項、甘肅省自然基金等項目4項，與企業閤作4項等；主持申報發明專利46項，發錶論文30多篇，齣版學術專著3部等；帶領創新創業團隊獲得省級二等以上奬勵54人次，廳級以上奬勵80多人次，2013年入選江蘇省啓東市“東疆英纔扶持計劃”，2014年入選“國傢創新人纔推進計劃”，2016年入選國傢“特殊人纔支持計劃”。

內頁插圖

目錄

第1章緒論
1．1LNG應用領域/001
1．2LNG工廠國內外發展現狀/002
1．2．1國外發展及現狀/002
1．2．2國內發展及現狀/003
1．3LNG産業鏈/003
1．4LNG産業鏈各環節主要工藝概述/004
1．4．1LNG淨化工藝/004
1．4．2LNG液化工藝/006
1．4．3LNG接收站工藝/009
1．4．4LNG加氣站工藝流程/010
1．5LNG主要裝備技術/011
參考文獻/011

第2章LNG纏繞管式換熱器設計計算
2．1LNG多股流低溫纏繞管式換熱器/012
2．1．1纏繞管式換熱器設計計算路綫/012
2．1．2MCHE型LNG液化工藝描述/013
2．1．3LNG纏繞管式換熱器設計原則/020
2．2纏繞管式換熱器換熱工藝計算/021
2．2．1換熱工藝計算主要內容/021
2．2．2纏繞管式換熱器的製冷過程溫熵圖的繪製/030
2．2．3製冷裝備通過真空層嚮外界輻射散熱量的計算/035
2．2．4一級製冷裝備傳熱及管束結構參數計算過程/036
2．2．5二級製冷裝備傳熱及管束結構參數計算過程/048
2．2．6三級製冷裝備傳熱及管束結構參數計算過程/051
2．3纏繞管式換熱器結構設計計算/054
2．3．1內筒的強度設計計算/054
2．3．2換熱管規格及選型/058
2．3．3管闆設計/059
2．3．4法蘭與墊片/059
2．3．5保溫層及保溫材料選擇/062
2．3．6開孔補強計算/062
2．3．7中心筒的強度校核/076
2．4塔的強度設計/077
2．4．1塔殼（外筒）的強度計算/077
2．4．2塔的質量載荷計算/082
2．4．3塔的自振周期計算/084
2．4．4地震載荷和地震彎矩的計算/084
2．4．5風載荷和風彎矩計算/087
2．4．6計算各截麵的最大彎矩/088
2．4．7塔殼穩定校核/090
2．4．8裙座穩定計算/091
2．4．9地腳螺栓座計算/093
2．4．10裙座與塔殼對接連接焊縫的驗算/096
2．4．11設計總匯/097
2．4．12塔器設計主要符號說明/097
2．5本章小結/098
參考文獻/098

第3章LNG闆翅式換熱器設計計算
3．1闆翅式換熱器簡介/101
3．1．1闆翅式換熱器國內外發展/101
3．1．2闆翅式換熱器的構造及工作原理/102
3．1．3基於PFHE的LNG液化係統/102
3．1．4基於闆翅式換熱器的混閤製冷劑製冷係統/102
3．1．5液化天然氣工藝流程操作及控製/103
3．2闆翅式換熱器的工藝計算/103
3．2．1闆翅式換熱器的工藝設計過程/103
3．2．2混閤製冷劑參數確定/103
3．2．3基於闆翅式換熱器的LNG液化流程/104
3．2．4LNG工藝計算過程/105
3．2．5闆翅式換熱器傳熱係數、傳熱麵積計算及闆束排列及壓力降計算/113
3．3闆翅式換熱器結構設計/139
3．3．1封頭設計/139
3．3．2液壓試驗/144
3．3．3接管確定/146
3．3．4接管補強/149
3．3．5法蘭與墊片選擇/158
3．3．6隔闆導流片封條的選擇/161
3．3．7換熱器的成型安裝/163
參考文獻/164

第4章錶麵蒸發空冷器設計計算
4．1空冷技術概述/166
4．1．1國外空冷技術發展概況/167
4．1．2我國空冷技術發展概況/167
4．1．3工作原理/169
4．1．4蒸發空冷器的特點/169
4．1．5親水膜/170
4．2空冷器的設計計算/170
4．2．1空冷器的設計計算方法和步驟/170
4．2．2詳細計算/175
4．3噴淋係統的設計/198
4．3．1噴頭的選用/198
4．3．2噴淋水質的要求/198
4．3．3噴淋係統/198
4．4管束結構與計算/201
4．4．1管束的布管設計/201
4．4．2管箱結構形式/201
4．4．3管束材料/202
4．4．4管束支撐梁的計算/202
4．4．5管束定距結構/208
4．4．6絲堵式焊接矩形管箱的設計計算/209
4．5構架/215
4．5．1構架的型式與參數/215
4．5．2構架載荷的計算/217
4．5．3構架材料選用的一般原則/219
4．6百葉窗/219
4．6．1葉窗的用途/219
4．6．2百葉窗的安裝方式/220
4．6．3一般要求/220
4．6．4百葉窗的結構/220
4．7風機的選用/220
4．7．1風機的選型方法/220
4．7．2通風機選型的一般步驟/221
4．7．3軸流式通風機/222
4．7．4性能參數錶/222
4．7．5離心式通風機/223
4．7．6風機型式及傳動方式/224
4．7．7離心通風機的安裝與使用/225
4．7．8通風機噪聲/226
4．8空冷器的防凍設計/227
4．8．1確定防凍設計依據/227
4．8．2熱損失和防凍要求/227
4．8．3計算最低的管壁溫度/227
參考文獻/228

第5章開架式氣化器設計計算
5．1概述/230
5．1．1背景及意義/230
5．1．2開架式氣化器結構和工作原理/230
5．1．3LNG組分及物性/231
5．1．4設計基本參數/231
5．2氣化器換熱計算/232
5．2．1氣化器傳熱麵積的確定/232
5．2．2氣化器的氣化能力的確定/232
5．2．3氣化單位質量液化天然氣所需的熱量/232
5．2．4氣化器的傳熱係數的確定/233
5．2．5開架式氣化器結構尺寸的確定/247
5．3LNG開架式海水氣化器設計選材/248
5．3．1氣化器概述/248
5．3．2影響氣化器選材的因素/249
5．3．3材料傳熱性能/249
5．3．4材料低溫性能/249
5．3．5材料耐腐蝕性能/249
5．3．6常用材料性能比較/250
5．3．7氣化器材料選擇/250
5．4開架式氣化器的海水分布裝置/251
5．4．1海水水質的基本要求/251
5．4．2海水分布裝置結構/251
5．5LNG換熱管道裂紋及腐蝕/252
5．5．1工作環境及工況說明/252
5．5．2開架式氣化器基本結構/253
5．5．3LNG換熱管道裂紋分析/253
5．5．4傳熱管開裂成因及解決方案/254
5．6LNG管道腐蝕及應力計算/254
5．6．1鋁閤金應力腐蝕性能/254
5．6．2鋁閤金點蝕對應力集中係數影響/255
5．6．3點蝕數目和最深點蝕位置的影響/256
5．6．4點蝕係數對應力集中係數的影響/256
5．7法蘭設計/257
5．7．1螺栓法蘭連接設計內容/257
5．7．2本設計采用窄麵整體法蘭/257
5．7．3整體法蘭計算/258
參考文獻/260

第6章低溫液氮洗用多股流纏繞管式換熱器
6．1設計方案及流程/262
6．1．1液氮洗工序生産流程圖/262
6．1．2設計工藝參數/264
6．1．3纏繞管換熱器設計計算過程/264
6．2氮氣及製冷劑的狀態計算/265
6．2．1高壓氮氣冷卻器的設計/265
6．2．2纏繞管換熱器殼程有效麵積的計算/266
6．2．3殼側界膜換熱係數的計算/270
6．2．4管側界膜換熱係數的計算/272
6．2．5傳熱溫差計算（利用對數平均溫差法計算）/276
6．2．6管側壓力損失/278
6．2．7殼側壓力損失/279
6．3一號原料氣體冷卻器的設計計算過程/280
6．3．1一號原料氣體冷卻器螺鏇管的確定/280
6．3．2纏繞管換熱器殼程有效麵積的計算/282
6．3．3殼側界膜熱導率的計算/286
6．3．4管側界膜熱導率的計算/286
6．3．5傳熱溫差計算/291
6．3．6管內側壓力損失/293
6．3．7殼側壓力損失/295
6．4二號原料氣體冷卻器的設計計算過程/296
6．4．1二號原料氣體螺鏇管的確定/296
6．4．2纏繞管換熱器殼程有效麵積的計算/297
6．4．3殼側界膜熱導率的計算/300
6．4．4管側界膜熱導率的計算/302
6．4．5傳熱溫差計算/306
6．4．6管內側壓力損失/308
6．4．7殼側壓力損失/310
6．5換熱器機構設計與強度計算/311
6．5．1內筒的強度計算/311
6．5．2外筒（塔殼）的強度計算/316
6．5．3中心筒的強度校核/320
6．5．4管闆設計/322
6．5．5法蘭與墊片/322
參考文獻/326

緻謝
附錄混閤製冷劑物性參數錶

前言/序言

隨著低溫製冷技術的不斷發展，低溫工藝及裝備設計製造技術日趨完善，在工業、農業、國防及科研等領域內的作用日益突顯，尤其在石油化工、煤化工、天然氣、空分等大型成套裝備技術領域具有重要地位，已廣泛應用於大型液化天然氣（LNG）、百萬噸化肥、百萬噸甲醇、大型氣體液化分離等重大係統裝備技術工藝流程中。

在LNG工業領域，大力發展LNG産業，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唯一方法，又是天然氣調峰的重要手段。隨著國內眾多LNG工廠的相繼投産及沿海LNG接收終端的建設，我國LNG工業進入瞭高速發展時期，與之相關聯的LNG低溫製冷裝備技術也得到快速發展。LNG液化工藝主要包括天然氣預處理、液化、儲存、運輸、接收、再氣化等工藝單元，其中，液化工藝為核心工藝流程，主要應用低溫製冷工藝技術製取-162℃低溫環境並將天然氣液化。根據不同的LNG液化工藝，可設計並加工製造不同的製冷裝備，主要包括天然氣壓縮機、製冷劑壓縮機、天然氣冷箱、BOG壓縮機、氣液分離器、大型空冷器、LNG膨脹機、四級節流閥及各種過程控製裝備等。儲運工藝技術中還包括大型LNG儲罐、LNG立式儲罐、LNG氣化器、LNG潛液泵等。近年來，30萬立方米以上LNG係統多采用混閤製冷劑闆翅式主換熱裝備及液化工藝技術，60萬立方米以上大型LNG係統多采用混閤製冷劑纏繞管式主換熱裝備及液化工藝技術，這兩種混閤製冷劑LNG液化工藝技術具有集約化程度高、製冷效率高、占地麵積小及非常便於自動化管理等優勢，已成為大型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裝備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使用費等，造價非常昂貴，後期維護及更換設備的費用同樣巨大。由於大型LNG係統裝備及主設備大多仍未國産化，即還沒有成型的設計標準，因此給LNG製冷裝備的設計計算帶來瞭難題。

《液化天然氣裝備設計技術：液化換熱捲》主要圍繞LNG混閤製冷劑液化工藝及換熱工藝中所涉及的主要低溫裝備，研究開發LNG液化工藝流程中核心主液化裝備的設計計算技術，主要包括LNG低溫液化混閤製冷劑多股流纏繞管式主換熱裝備、LNG低溫液化混閤製冷劑多股流闆翅式主換熱裝備、天然氣進氣壓縮機及混閤製冷劑壓縮機用錶麵蒸發空冷器、LNG開架式氣化器等裝備的設計計算技術，為LNG液化、LNG儲運、LNG接收及LNG氣化等關鍵環節中所涉及主要設備的設計計算提供可參考樣例，並推進LNG係列裝備及LNG係統工藝技術的標準化及國産化研究開發進程。此外，近年來由於低溫液氮洗、低溫甲醇洗等係統工藝技術在低溫氣體液化分離領域內占比越來越大，應用越來越廣泛，而這兩套工藝係統內最具特色的裝備為大型多股流纏繞管式主換熱裝備，是目前世界上設計計算難度最大的係列主設備之一，尤其低溫液氮用多股流纏繞管式換熱器，內含擴散製冷工藝技術且有10股以上低溫流體同時進行低溫多股流、多相流換熱過程，設計計算難度極大，在換熱領域內，同LNG低溫液化混閤製冷劑多股流纏繞管式主換熱裝備並列為設計計算難度最大的換熱裝備，本書作者通過多年研究開發，已係統掌握這兩種主換熱裝備的設計計算技術，並通過本書一並呈送相關領域同行藉鑒參考。

（1）LNG纏繞管式主換熱裝備

以目前最流行的MCHE型混閤製冷劑LNG液化工藝為例，MCHE主換熱器為多股流纏繞管式換熱器，主要用於100×104m3/d以上大型LNG液化係統，是整個LNG液化工藝流程中的核心設備，可一次性將36℃天然氣冷卻至-162℃，並液化。由於MCHE主換熱器為工藝型換熱器，內含液化工藝，有5種以上混閤製冷劑分凝預冷並同時製冷，是一種多股流迴熱型換熱器，也是目前換熱器中體積最大、纏繞過程最復雜、設計計算難度最大的換熱器。MCHE型纏繞管式換熱器管內介質以螺鏇方式流動，殼程介質逆流橫嚮交叉通過繞管，換熱器層與層之間換熱管反嚮纏繞，管、殼程介質以純逆流方式進行傳熱，即使在較低的雷諾數下其流動形態也為湍流，換熱係數較高，其結構相對緊湊、耐高壓且密封可靠、熱膨脹可自行補償，易實現大型LNG液化作業。美國APCI是LNG領域MCHE最大的供貨商，在1977～2013年間，生産瞭120套LNG裝置，其液化能力纍計達到4.3×108t/a。此外，德國Linde公司在近5年內一共生産瞭纍計金屬重量達到3120t的多股流纏繞管式換熱器應用於LNG工廠。自2010年以來，由蘭州交通大學張周衛等主持研究開發LNG纏繞管式換熱器等項目，目前，已齣版《纏繞管式換熱器》專著一部，開發MCHE專用軟件一套，申報發明專利12項，發錶論文14篇，涉及12類不同溫區的纏繞管式換熱器，並係統開發瞭纏繞管式換熱器設計計算方法，可用於設計計算LNG專用係統纏繞管式換熱器、低溫甲醇洗係列纏繞管式換熱器、低溫液氮洗係列纏繞管式換熱器等各種類型纏繞管式換熱器。本書給齣瞭專用於計算MCHE型LNG混閤製冷劑用纏繞管式換熱器的一個計算事例，供相關行業的同行參考。

（2）LNG闆翅式換熱器

LNG闆翅式換熱器主要用於30×104m3/d以上大型LNG液化係統，是該係統中的核心設備，一般達到60×104m3/d以上時，采用並聯兩套的模塊化辦法，實現LNG係統的大型化。基於闆翅式換熱器的LNG液化工藝也是目前非常流行的中小型LNG液化係統的主液化工藝。從2013年開始，由蘭州交通大學張周衛等開始研究開發大型LNG混閤製冷劑用多股流闆翅式換熱器，並前後開發瞭LNG混閤製冷劑闆翅式換熱器、LNG一級三股流闆翅式換熱器、LNG二級四股流闆翅式換熱器、LNG三級五股流闆翅式換熱器等係列LNG闆翅式換熱器，申報發明專利4項。本文根據項目開發情況，給齣瞭LNG混閤製冷劑多股流闆翅式換熱器設計計算模型，供相關行業的同行參考。

（3）錶麵蒸發空冷器

錶麵蒸發空冷器常用於天然氣壓縮機、混閤製冷劑壓縮機等齣口高溫氣體的冷卻過程，其利用管外水膜的蒸發過程進一步強化管外傳熱過程，從而達到空冷的效果。基本工作原理是用泵將設備下部水池中的循環冷卻水輸送到位於水平放置的光管管束上方的噴淋水分配器，由分配器將冷卻水嚮下噴淋到傳熱管錶麵，使管外錶麵形成連續均勻的薄水膜；同時用風機將空氣從設備下部空氣入口吸入，使空氣自下而上流動，橫掠水平放置的光管管束。此時傳熱管的管外換熱除依靠水膜與空氣流間的顯熱傳遞外，管外錶麵水膜的迅速蒸發吸收瞭大量的熱量，強化瞭管外傳熱。由於水具有較高的汽化潛熱（1atm時為2386kJ/kg），因此管外錶麵水膜的蒸發大大強化瞭管外傳熱，使設備總體傳熱效率明顯提高。本書根據錶麵蒸發空冷器強化換熱原理，給齣瞭一種錶麵蒸發空冷器的設計計算方法，僅供參考。

（4）LNG開架式氣化器

LNG開架式氣化器是用海水

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