液化天然气装备设计技术：lng板翅式换热器卷（下） 能源科学 张周卫//汪雅红//耿宇阳//李文振 新华

LNG 板翅式换热器主要用于30×10 4m3/d 以上大型LNG 液化系统，是该系统中的核心设备，一般达到60×10 4m3/d 以上时，可采用并联多套的模块化办法，实现LNG 系统的大型化。基于板翅式换热器的LNG 液化工艺也是目前非常流行的中小型LNG 液化系统的主液化工艺。在LNG 领域，30 万立方米每天以上大型LNG 液化工艺系统多采用以板翅式换热器为主液化装备的PFHE 型LNG 液化工艺技术，其具有集约化程度高、制冷效率高、占地面积小及非常便于自动化管理等优势，已成为30 万～60 万立方米每天大型LNG 液化工艺装备领域内的标准性主流选择，在世界范围内已广泛应用。 
目前，国内的大型LNG 工艺系统一般随着成套工艺技术整体进口，包括工艺技术包及主设备专利技术等，整体系统造价非常昂贵，后期维护及更换设备的费用同样巨大。由于大型LNG 系统工艺及主设备大多仍未国产化，即还没有成型的设计标准，因此给LNG 液化工艺系统及装备的国产化设计计算带来了难题。自2013 年以来，由兰州交通大学张周卫等开始系统研究开发大型LNG 混合制冷剂用多股流板翅式换热器，并前后开发了LNG 混合制冷剂板翅式换热器、LNG 一级三股流板翅式换热器、LNG 二级四股流板翅式换热器、LNG 三级五股流板翅式换热器等系列LNG 板翅式换热器，可应用于20 多种国际上流行的LNG 液化工艺流程并作为主液化设备。 
《液化天然气装备设计技术：LNG 板翅式换热器卷（下）》主要围绕8 类PFHE 型LNG液化工艺研究开发LNG 板翅式换热器，主要包括当前国际上流行的LNG 液化工艺流程用各类型LNG 板翅式换热器设计计算过程，如30 万立方米每天两级氮膨胀LNG 低温液化三级板翅式换热器设计计算、60 万立方米每天MR 闭式LNG 液化四级板翅式换热器设计计算、30万立方米每天混合制冷剂LNG 液化两级板翅式换热器设计计算、30 万立方米每天LNG 一级氮预冷膨胀液化两级板翅式换热器设计计算、30 万立方米每天天然气膨胀LNG 液化两级板翅式换热器设计计算、30 万立方米每天C1-C2-C3 级联式三级板翅式换热器设计计算、30万立方米每天FLNG 五元混合制冷剂单级板翅式换热器设计计算、30 万立方米每天C3/MR APX 三级LNG 板翅式换热器设计计算等内容。其内容也涉及8 类较典型的LNG 低温液化工艺流程及设计计算，可为LNG 液化等关键环节中所涉及主要液化工艺技术及相应LNG 板翅式换热器设计计算提供可参考样例，并有利于推进LNG 系列板翅式换热器的标准化及相应LNG 液化工艺技术的国产化研发进程。 
《液化天然气装备设计技术：LNG 板翅式换热器卷（下）》主要针对目前国际上流行的8类LNG 液化工艺系统及板翅式主液化装备的设计计算进行系统的研究与开发，并与上卷一并供相关领域同行借鉴参考。其中，下卷主要研究30 万立方米每天以上LNG 液化领域内具有代表性的LNG 板翅式换热器的设计计算方法，主要涵盖不同类型LNG 板翅式换热器计算过程及制冷剂运算法则，也是当前国际上主流PFHE 型LNG 液化工艺主设备。书中8 种LNG板翅式换热器设计计算方法属于LNG 装备领域内目前流行的具有一定技术设计难度的LNG系统工艺主设备核心技术，主要应用于LNG、LPG、煤化工、石油化工、低温制冷等领域，从工艺基础研发及设计技术等方面来讲均已成熟，已能够推进PFHE 型LNG 液化主设备的设计计算过程及LNG 系列液化工艺的设计计算进程。 
本书第1 章为绪论部分，主要讲述LNG 板翅式换热器的特点、国内外发展现状等。第2章主要讲述30 万立方米每天两级氮膨胀LNG 低温液化三级板翅式换热器的特点、对应LNG流程参数计算及三级板翅式主换热器设计计算方法。第3 章及后续章节主要讲述MR 闭式LNG 液化四级板翅式换热器、混合制冷剂LNG 液化两级板翅式换热器、LNG 一级氮预冷膨胀液化两级板翅式换热器、天然气膨胀LNG 液化两级板翅式换热器、C1-C2-C3 级联式三级板翅式换热器、FLNG 五元混合制冷剂单级板翅式换热器、C3/MR APX 三级LNG 板翅式换热器等不同LNG 液化工艺流程用板翅式换热器，以便为从事LNG 液化装备领域内的工程技术人员及研发人员提供必要的参考。内容涉及液化工艺的设计计算过程，包含内容较全面，不但包括液化工艺中涉及的板翅式主换热器的设计计算过程，而且包括混合制冷剂的选用及计算方法、制冷工艺的设计计算过程等。 
本书共分9 章，其中，第1～7 章由张周卫负责撰写并整理，第8 章由汪雅红、张周卫负责撰写并整理，第9 章由张周卫、耿宇阳、李文振负责撰写并整理，全书由张周卫统稿。耿宇阳、李文振参与了全书的整理及校正工作。王军强、殷丽分别参与了部分章节的整理及校正工作。 
本书受国家自然科学基金（编号：51666008）、甘肃省重点人才项目（编号：26600101）、甘肃省财政厅基本科研业务费（编号：214137）、甘肃省高等学校产业支撑计划项目（编号：2020C-22）等支持。 
本书按照目前所列24 种LNG 液化工艺流程的设计计算进度，重点列出8 种典型的且具有代表性的LNG 板翅式换热器进行研究开发，总结设计计算方法，并与相关行业内的研究开发人员共同分享。由于水平、时间有限及其他原因，书中难免有疏漏及不妥之处，希望同行及广大读者批评指正。 

兰州交通大学 
张周卫 汪雅红 耿宇阳 李文振 

《液化天然气装备设计技术：LNG 板翅式换热器卷》包括上、下两卷，本书为下卷。内容主要涵盖基于板翅式换热器的 LNG 液化工艺及混合制冷剂换热用板翅式换热器运算法则，主要包括当前国际上流行的LNG 液化工艺流程用各类型板翅式换热设计计算过程，如30 万立方米每天两级氮膨胀LNG 低温液化三级板翅式换热器设计计算、60 万立方米每天MR 闭式LNG 液化四级板翅式换热器设计计算、30 万立方米每天混合制冷剂LNG 液化两级板翅式换热器设计计算、30 万立方米每天LNG 一级氮预冷膨胀液化两级板翅式换热器设计计算、30 万立方米每天天然气膨胀LNG 液化两级板翅式换热器设计计算、30 万立方米每天C1-C2-C3 级联式三级板翅式换热器设计计算、30 万立方米每天FLNG 五元混合制冷剂单级板翅式换热器设计计算、30 万立方米每天C3/MR APX 三级LNG 板翅式换热器设计计算等内容。 
本书不仅可供从事天然气、液化天然气（LNG）、新能源、化工机械、制冷及低温工程、石油化工、动力工程及工程热物理领域内的研究人员、设计人员、工程技术人员参考，还可供高等学校化工机械、能源化工、新能源、石油化工、低温与制冷工程、能源与系统工程等专业的师生参考。

《液化天然气装备设计技术：LNG 板翅式换热器卷》包括上、下两卷，本书为下卷。内容主要涵盖基于板翅式换热器的 LNG 液化工艺及混合制冷剂换热用板翅式换热器运算法则，主要包括当前国际上流行的LNG 液化工艺流程用各类型板翅式换热设计计算过程，如30 万立方米每天两级氮膨胀LNG 低温液化三级板翅式换热器设计计算、60 万立方米每天MR 闭式LNG 液化四级板翅式换热器设计计算、30 万立方米每天混合制冷剂LNG 液化两级板翅式换热器设计计算、30 万立方米每天LNG 一级氮预冷膨胀液化两级板翅式换热器设计计算、30 万立方米每天天然气膨胀LNG 液化两级板翅式换热器设计计算、30 万立方米每天C1-C2-C3 级联式三级板翅式换热器设计计算、30 万立方米每天FLNG 五元混合制冷剂单级板翅式换热器设计计算、30 万立方米每天C3/MR APX 三级LNG 板翅式换热器设计计算等内容。 
本书不仅可供从事天然气、液化天然气（LNG）、新能源、化工机械、制冷及低温工程、石油化工、动力工程及工程热物理领域内的研究人员、设计人员、工程技术人员参考，还可供高等学校化工机械、能源化工、新能源、石油化工、低温与制冷工程、能源与系统工程等专业的师生参考。

张周卫，国家“万人计划”领军人才，国家科技创新创业人才，国家科技专家库专家，博士后，动力工程及工程热物理（制冷及低温工程）博士，毕业于西安交通大学，现为兰州交通大学研究院副院长，教授，高级工程师。主要从事空间低温制冷技术、压缩机械与真空低温设备等过程控制装备、LNG过程控制装备、多股流缠绕管式换热装备、螺旋压缩膨胀制冷机等研究。 
先后参与项目20多项，主持国家自然基金及国家创新基金等共6项，甘肃省重点人才项目等8项，与企业合作项目4项等；主持申报发明专利50多项，发表论文30多篇，出版学术专著10部共600多万字等。先后带领团队荣获银奖1项，省部级奖励10项，地厅级奖励9项。2013年入选江苏省“东疆英才”扶持计划。2014年入选“国家创新人才推进计划”“科技创新创业人才”，2015年入选国家科技专家库专家，2016年入选国家“万人计划”领军人才，2019年入选甘肃省领军人才层次，2020年入选“长江学者”特聘教授评委。 

第1 章 绪论 
1.1 板翅式换热器的发展概况    002 
1.1.1 国外发展概况    002 
1.1.2 国内发展概况    002 
1.2 板翅式换热器的主要构造及特点    003 
1.3 液化天然气（LNG）用板翅式换热器特点    004 
1.3.1 PFHE 型LNG 液化工艺流程操控    005 
1.3.2 LNG 板翅式换热器工艺设计    005 
1.3.3 LNG 板翅式换热器结构设计    007 
1.3.4 LNG 板翅式换热器板束排列    008 
参考文献    008 

第2 章 30 万立方米每天两级氮膨胀LNG 低温液化三级板翅式换热器设计计算 
2.1 板翅式换热器的设计概述    010 
2.1.1 板翅式换热器的设计目的及意义    010 
2.1.2 板翅式换热器的应用    011 
2.2 板翅式换热器的特点    012 
2.2.1 板翅式换热器的优点    012 
2.2.2 板翅式换热器的缺点    012 
2.2.3 板翅式换热器整体结构    013 
2.3 板翅式换热器的工艺计算    015 
2.3.1 原料气与制冷剂    015 
2.3.2 各级换热器进出口参数计算    015 
2.3.3 制冷剂质量流量计算    018 
2.3.4 计算表格汇总    019 
2.4 板翅式换热器的设计计算    020 
2.4.1 一级板翅式换热器的设计计算    020 
2.4.2 二级板翅式换热器的设计计算    034 
2.4.3 三级板翅式换热器的设计计算    045 
2.5 板翅式换热器的结构计算    053 
2.5.1 封头设计    053 
2.5.2 封头校核    058 
2.5.3 接管设计    060 
2.5.4 补强    063 
2.5.5 隔板设计    075 
2.5.6 换热器计算结果汇总    078 
2.6 板翅式换热器的制造与检验    079 
2.6.1 板翅式换热器的制造与加工    079 
2.6.2 板翅式换热器的检查与试验    080 
2.7 板翅式换热器的运行    080 
2.7.1 板翅式换热器的修补    080 
2.7.2 板翅式换热器的使用    081 
2.7.3 板翅式换热器的存放    081 
2.7.4 板翅式换热器的绝热    081 
本章小结    082 
参考文献    082 

第3 章 60 万立方米每天MR 闭式LNG 液化四级板翅式换热器设计计算 
3.1 板翅式换热器的工艺设计过程    085 
3.1.1 混合制冷剂参数确定    085 
3.1.2 一级制冷设备参数    085 
3.1.3 二级制冷设备参数    086 
3.1.4 三级制冷设备参数    086 
3.1.5 四级制冷设备参数    087 
3.1.6 一级换热器流体参数计算（单层通道）    088 
3.1.7 二级换热器流体参数计算（单层通道）    103 
3.1.8 三级换热器流体参数计算（单层通道）    115 
3.1.9 四级换热器流体参数计算（单层通道）    127 
3.2 板翅式换热器结构设计    135 
3.2.1 封头    135 
3.2.2 换热器各个板侧封头壁厚计算    136 
3.3 液压试验    137 
3.3.1 液压试验目的    137 
3.3.2 内压通道    137 
3.4 接管    138 
3.4.1 接管厚度计算    138 
3.4.2 换热器接管壁厚    138 
3.4.3 接管补强    138 
本章小结    143 
参考文献    143 

第4 章 30 万立方米每天混合制冷剂LNG 液化两级板翅式换热器设计计算 
4.1 板翅式换热器的特性及结构    145 
4.1.1 板翅式换热器的特性    145 
4.1.2 板翅式换热器的结构    145 
4.2 板翅式换热器的工艺计算    146 
4.2.1 混合制冷剂参数确定    146 
4.2.2 一级设备预冷制冷过程    147 
4.2.3 二级设备预冷制冷过程    148 
4.3 板翅式换热器的设计计算    150 
4.3.1 一级板翅式换热器的设计计算    150 
4.3.2 二级板翅式换热器的设计计算    165 
4.4 板翅式换热器的结构计算    175 
4.4.1 封头设计    175 
4.4.2 封头校核    179 
4.5 接管设计    182 
4.5.1 计算方法    182 
4.5.2 一级换热器接管厚度校核    182 
4.5.3 二级换热器接管厚度校核    183 
4.6 隔板设计    184 
4.6.1 计算方法    184 
4.6.2 一级换热器隔板厚度计算    184 
4.6.3 二级换热器隔板厚度计算    185 
4.6.4 隔板计算结果汇总    186 
本章小结    186 
参考文献    187 

第5 章 30 万立方米每天LNG 一级氮预冷膨胀液化两级板翅式换热器设计计算 
5.1 LNG 工艺流程概述    189 
5.2 板翅式换热器的工艺计算    189 
5.2.1 换热器流量的计算    189 
5.2.2 一级换热器流体参数计算    190 
5.2.3 一级换热器压力损失计算    200 
5.2.4 二级换热器流体参数计算    203 
5.2.5 二级换热器压力损失计算    208 
5.3 板翅式换热器结构设计    209 
5.3.1 封头设计    209 
5.3.2 一级换热器各个板侧封头壁厚计算    210 
5.3.3 二级换热器各个板侧封头壁厚计算    211 
5.4 液压试验    212 
5.4.1 液压试验目的    212 
5.4.2 内压通道    212 
5.5 接管确定    213 
5.5.1 接管尺寸确定    213 
5.5.2 一级换热器接管壁厚    214 
5.5.3 二级换热器接管壁厚    214 
5.5.4 接管尺寸总结    214 
5.6 接管补强    215 
5.6.1 补强方式    215 
5.6.2 补强计算    215 
本章小结    220 
参考文献    220 

第6 章 30 万立方米每天天然气膨胀LNG 液化两级板翅式换热器设计计算 
6.1 板翅式换热器的工艺计算    222 
6.1.1 本设计的设计目的    222 
6.1.2 混合制冷剂参数确定    222 
6.1.3 LNG 膨胀液化流程    222 
6.1.4 工艺计算过程    222 
6.2 板翅式换热器翅片    224 
6.2.1 翅片特点    224 
6.2.2 板翅式换热器流体参数和传热面积的计算    225 
6.2.3 一级板侧的排列及组数    232 
6.2.4 二级板侧的排列及组数    232 
6.3 一级换热器压力损失计算    232 
6.3.1 天然气侧压力损失的计算    233 
6.3.2 膨胀天然气侧压力损失的计算    233 
6.3.3 节流天然气侧压力损失计算    234 
6.4 二级换热器压力损失计算    234 
6.4.1 天然气侧压力损失的计算    234 
6.4.2 节流天然气侧压力损失的计算    235 
6.5 板翅式换热器结构设计    235 
6.5.1 封头设计    235 
6.5.2 液压试验    238 
6.6 接管确定    240 
6.6.1 接管尺寸确定    240 
6.6.2 一级换热器接管壁厚    241 
6.6.3 二级换热器接管壁厚    241 
6.7 接管补强    242 
6.7.1 补强方式    242 
6.7.2 补强面积的计算    243 
本章小结    248 
参考文献    248 

第7 章 30 万立方米每天C1-C2-C3 级联式三级板翅式换热器设计计算 
7.1 板翅式换热器的工艺计算    251 
7.1.1 计算过程    251 
7.1.2 板翅式换热器流体参数计算    254 
7.1.3 一级换热器设计计算（单层流道）    254 
7.1.4 一级换热器压力损失计算    264 
7.1.5 二级换热器设计计算（单层流道）    266 
7.1.6 二级换热器压力损失计算    2