При принятии решения о выборе определенной технологии для СПГ-завода в настоящее время анализируется круг проблем от количества и мощности предприятий, уже работающих по предлагаемой технологии, до возможности максимального выпуска оборудования в стране или на предприятиях заказчика, при этом к наиболее важному оборудованию традиционно относят теплообменное. [1]
В настоящее время для сжижения газа в качестве низкотемпературных теплообменных аппаратов наибольшее распространение получили пластинчатые и спиральновитые, при этом к особенностям обоих относят невысокую потерю напора, возможность устойчивой работы при давлениях свыше 60 атм до температур кипения азота при атмосферном давлении, возможность изготовления единичного изделия с большой площадью теплообмена, устойчивость работы с достаточным коэффициентом теплопередачи даже при относительно низких среднелогарифмеческих разностях температур потоков. Тем не менее до настоящего момента в некоторых случаях рассматриваются и классические кожухотрубчатые теплообменники. Например, такие теплообменники используются на возрастных предприятиях, работающих по каскадному циклу (г. Арзев, Алжир), где низкие коэффициенты теплообмена компенсируются кипением хладоагентов. К преимуществам прямотрубных аппаратов относят простоту изготовления и эксплуатации, однако недостатки их также известны: большая металлоемкость, доходящая до 50–60 кг на м2 теплообмена, и малая компактность, в м3 аппарата может поместиться не более 250 м2 поверхности теплообмена [2].
Развитие машиностроения во второй половине XX века, распространение смешанных холодильных агентов и повышение единичной мощности СПГ-производств сделало возможным массовое применение менее металлоемких спиральновитых (рисунок 1) и пластинчатых (рисунок 2) теплообменников.
Каждый из этих теплообменников характеризуют как преимущества, так и недостатки. Например, невзирая на относительно низкую стоимость пластинчатых аппаратов, на конечную цену оказывает влияние значительная сложность монтажных работ из-за большого числа стыков и сложности их подгона и соединения. Спиральновитые же теплообменники из-за возможности «игры» труб устойчивы к тепловым напряжениям, которые обусловлены процессами захолаживания во время пусков. Следует отметить, что каждый тип теплообменника имеет определенные достоинства и недостатки исходя из условий их применения.
Спиральновитые теплообменники
К характерным отличиям спиральновитых аппаратов относят компоновку поверхности теплообмена из ряда специальным образом закрепленных в головках концентрических змеевиков, заключенных в корпус аппарата, при этом потоки движутся по трубному и межтрубному пространствам. Учитывая, что витые теплообменники могут компенсировать большие разности температур из-за отсутствия жестких креплений труб внутри корпусов, они распространены на СПГ-заводах, при этом чаще всего можно встретить соответствующее оборудование Linde и Air Products, в которых пучки алюминиевых труб (реже используются медные или нержавеющие) диаметром до 16 мм навиваются на полый сердечник. Между слоями таких труб параллельно сердечнику устанавливаются регулирующие прокладки, обеспечивающие площадь и форму проходного сечения для межтрубного пространства, а для равномерного распределения двухфазного потока хладагента по сечению межтрубного пространства устанавливают специальные распределительные устройства. После изготовления пучка его традиционным образом помещают в обечайку. Следовательно, теплообменники со спиральными трубами состоят из одного и более пучков спиральных труб с герметичным чаще всего алюминиевым кожухом. При этом пучки состоят из уложенных в несколько слоев алюминиевых труб небольшого диаметра, а соседние слои закручены в противоположные стороны и каждый слой отделен вертикальными разделителями [4].
По опыту применения спиральновитые теплообменники признаны более надежными, чем пластинчатые теплообменники, так как они в состоянии выдерживать больший диапазон колебаний давления и меньше подвержены засорению из-за высоких скоростей потоков, также в случае утечки поврежденные трубы могут быть заглушены без полноценного ремонта теплообменника.
При сравнении спиральновитых теплообменников к особенностям их относят:
- компактность – до 500 м2/м3;
- вес – для аппаратов с алюминиевыми трубами составляет 8…12 кг/м2, а для аппаратов с медными или стальными трубами – 14…25 кг/м2;
- возможность охлаждения нескольких потоков в одном аппарате;
- возможности создания аппаратов с большой поверхностью теплообмена;
- примерная стоимость витых теплообменников в зависимости от размеров и назначения аппаратов составляет 45–60 $/м2 [5].
Фирмами Тechnip и Air Products накоплен опыт изготовления аппаратов с теплообменной поверхностью до 15 000 м2, при этом заявляется возможность изготовления оборудования с единичной поверхностью до 30 000 м2.
Пластинчатые теплообменники
Изготавливаются из алюминия, меди или нержавеющей стали по специальному проекту или типовым изделием, где количество набираемых пластин зависит от площади теплообмена. Такой аппарат состоит из гофрированных пластин (ребер), которые разделяются специальными проставками и скрепляются боковыми элементами, гофрированные пластины складываются и спаиваются в вакуумной печи либо скрепляются втулками, для достижения необходимых показателей могут использоваться как один аппарат, так и соединенные последовательно или параллельно несколько. Для снижения теплопотерь теплообменники, коллекторы и соединительные трубопроводы теплоизолируются в зависимости от уровней холода. Лидерами в изготовлении таких теплообменников считаются Chart Industries, Linde, Kobe, Sumitomo и Norden Cryogenie.
В отличие от теплообменников со спиральными трубами, в которых один поток может проходить в межтрубном пространстве, пластинчатые теплообменники позволяют работать с несколькими потоками различных температур и давлений. Следует отметить, что чаще всего площадь, занимаемая крупными пластинчатыми теплообменниками, превышает площадь спиральновитых, особенно в случае крупных производств, однако эта площадь может быть несколько уменьшена за счет размещения нескольких теплоизоляционных камер по высоте [5].
Пластинчатые теплообменники состоят из нескольких основных составных частей (рисунок 2). Основой такого теплообменника является многослойный пакет (матрица) из плоских проставочных листов, плакированных с двух сторон припоем, гофрированных ребристых насадок и ограничивающих брусков. Соединение проставочных листов с насадкой и брусками в единый герметичный монолитный пакет осуществляется бесфлюсовой пайкой в вакуумных печах, при этом изготовление отличает единовременное изготовление множества каналов теплоносителей в одном пакете за время одной автоматической пайки, во время которой твердым припоем пропаиваются многие метры швов. Используя насадки различной оптимальных для каждого конкретного случая геометрической формы и размеров, можно создавать конструкции для самых различных применений, при этом возможна организация прямотока, противотока или перекрестного тока. В таблице 1 приведено сравнение пластинчатых и спиральновитых теплообменников.
Как видно из рисунка 2, в пластинчатых теплообменниках возможно одновременно в одном блоке проводить теплообмен между четырьмя и более теплоносителями, что достигается соответствующей конструкцией коллекторов, что нашло применение при оптимизации энергопотребеления на средне- и крупнотоннажных СПГ-заводах, когда приходится решать задачи по регулировке температурных напоров потоков.
При сравнении пластинчатых теплообменников к особенностям их относят [7]:
- компактность – около 2 000 м2 поверхности теплообмена на 1 м3 объема теплообменника, что значительно выше всех остальных типов теплообменников;
- возможность комплектации пластинами с различным оребрением и расстоянием между пластинами в одном аппарате, что позволяет регулировать сопротивление при прохождении потоков через теплообменник в зависимости от расхода теплоносителей и их давления;
- масса и теплоемкость пластинчатых теплообменников намного меньше, чем остальных типов теплообменников такой же поверхности, в связи с тем, что основная часть поверхности выполняется из тонких металлических листов;
- стоимость 1 м3 криогенного теплообменника составляет порядка 45 000 евро.
При рассмотрении возможности изготовления криогенных теплообменников российскими предприятиями следует отметить, например, «НПО Гелиймаш» и «Криогенмаш», на которых с советских времен освоено изготовление криогенных теплообменников из медных, алюминиевых, нержавеющих труб, отличающихся надежностью, компактностью, малой массой, высокой тепловой эффективностью, однако сложности возникают при изготовлении теплообменного оборудования начиная со среднетоннажных СПГ-заводов, также не всегда конкурентоспособна и стоимость изделий [8, 9].
Таким образом, выбор и последующая эксплуатация криогенных теплообменников – важная задача проектировочных и эксплуатирующих организаций, правильные решения которых значительно улучшают надежность и бесперебойную работу криогенных блоков предприятий.
Литература
1. Жагфаров Ф.Г., Карпов А.Б., Григорьева Н.А. Инновационные технологии при подготовке природного газа в проектах производства сжиженного природного газа // Технологии нефти и газа. – 2017. – № 6 (113). – С. 14–18.
2. Иванов В.Л., Леонтьев А.И., Манушин Э.А., Осипов М.И. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок: учебник для вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 591 с.
3. Теплообменные аппараты [Электронный ресурс]. – URL: http://geliymash.ru/production/ teploobmennye-apparaty (дата обращения: 19.04.2023).
4. Кондратенко А.Д., Карпов А.Б., Мещерин И.В. Российские производства по сжижению природного газа // Деловой журнал NEFTEGAZ.RU. – 2019. – № 10 (94). – С. 68–80.
5. Бакланова В.Г., Шевич Ю.А. Теплообменные аппараты низкотемпературных установок и систем термостатирования: учеб. пособие. Ч. 1. Аппараты трубчатого и пластинчато-ребристого типов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. – 64 с.
6. Теплообменные аппараты [Электронный ресурс]. – URL: http:// files.chartindustries.com/ BrazedAluminumHeatExchangers-russian.pdf (дата обращения: 20.04.2023).
7. Александров А.А., Архаров А.М., Архаров И.А. Теплотехника: учебник для вузов. – 6-е изд. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. – 876 с.
8. Карпов А.Б., Мещерин И.В., Козлов А.М., Бутырская К.Г. СПГ в России. Путь производственных мощностей // Деловой журнал NEFTEGAZ.RU. – 2020. – № 4 (111). – С. 175–185.
9. Карпов А.Б., Козлов А.М., Кондратенко А.Д. Технология получения малотоннажного СПГ с двумя контурами охлаждения // Деловой журнал NEFTEGAZ.RU. – 2018. – № 2 (74). – С. 50–54.
