近年来,天然气的使用量稳步增长,仍是全球主要能源消费之一。日益增长的天然气市场需求要求利用海上气田,这些气田占世界已探明天然气储量的60%以上。浮式液化天然气(FLNG)平台具有良好的机动性和可重用性,是海上天然气的基本生产设备。低温主换热器是FLNG平台的关键设备,它实现了开采天然气的气——液转化过程,决定了LNG的生产能力。FLNG平台在风浪作用下发生晃动,导致低温换热器的流动和换热特性发生变化,换热器将承受额外的热应力和压应力,会存在一些海工工况下安全隐患。为了保证FLNG平台在有限空间下高效稳定运行,低温换热器必须满足高效、紧凑、可靠的要求。
FLNG液化工艺面临的挑战在于,低温换热器难以同时满足高效率和良好紧凑可靠性的要求。此前,FLNG液化工艺中常用的热交换器是板翅式热交换器(PFHEs)和螺旋缠绕式热交换器(SWHEs)。PFHEs具有效率高、紧凑性好等优点,但目前PFHE耐压极限在8MPA左右,某些耐压低肋的PFHE能做到12MPa,且其存在变形和LNG泄漏的潜在风险。而SWHE具有耐压高、可靠性高、易于维护等优点,但其传热密度低、体积大限制了其在FLNG中的应用。因此,寻求一种高效、紧凑、可靠的新型换热器成为保证FLNG高效稳定运行的关键。
印刷电路换热器(PCHE)具有效率高、结构紧凑、可靠性高等优点,被认为是FLNG平台应用的一种有前途的低温换热器。PCHE由堆叠板组成,每个板上都有微通道化学蚀刻。由于PCHE的比表面积密度达到2500 m2/m3 (Oh et al.,2009),远远大于PFHE(约160 m2/m3)和SWHE(约120 m2/m3),PCHE可以满足高效率和致密性高的要求。由于堆叠板通过扩散焊接相互连接,且在热交换器芯体的制造过程中不使用钎焊材料,PCHE能够承受恶劣的工作条件而不被击穿或腐蚀,可满足良好的可靠性要求。
印刷电路热交换器(PCHE)最早于20世纪80年代早期在悉尼大学开发。1985年,Heatric公司首次制造商用印刷电路热交换器(PCHE)。印刷电路热交换器(PCHE)的优点越来越突出,除广泛应用于超临界二氧化碳能源系统外,印刷电路热交换器(PCHE)还逐渐应用于海洋气体处理、浮式LNG系统、高温气体冷却反应堆氦气体交换、电子元件散热等其他产业领域。