文/黃宇 陳海平 宋坤 佛山市鑫澤昌不銹鋼有限公司

隨著國內(nèi)液化天然氣（LNG）產(chǎn)業(yè)鏈日趨完善，超低溫技術領域也逐漸走向成熟。 由于LNG領域的局限性，我國引進LNG接收站之初，大型設備和技術被國外企業(yè)壟斷，采購談判地位被動，項目投資控制困難。 面對進口設備的“天價”，國內(nèi)LNG相關投資企業(yè)和制造企業(yè)相繼開始通過技術改造、產(chǎn)學研合作等方式開展LNG裝備自主化，攻堅克難、破局。國外技術壟斷。

佛山市新澤昌不銹鋼有限公司（以下簡稱“燃氣動力集團”）作為國內(nèi)主要的LNG項目投資單位，在國內(nèi)率先開展了LNG裝備的自主研發(fā)。 )、中間介質(zhì)汽化器（IFV）、LNG潛水泵、罐車裝車橇、防爆旋臂吊等重大關鍵設備實現(xiàn)自主技術突破，實現(xiàn)市場應用推廣。

開框氣化爐和中間氣化爐是LNG關鍵設備自主項目的重中之重。 作為LNG接收站的基荷氣化爐，在全球范圍內(nèi)被日本企業(yè)（神戶制鋼所、住友）壟斷，設備貿(mào)易易受國際形勢變化影響，存在設備報價不合理、價格過高等情況波動和無保證的交付周期。 隨著自主LNG汽化器的成功推廣，由過去完全依賴日本供應商轉變?yōu)閾碛凶灾骱诵募夹g。 從設計到制造，從中試到產(chǎn)業(yè)化，從成果鑒定到成功推廣，探索了LNG產(chǎn)業(yè)的關鍵自主性。 LNG裝備自動化的實現(xiàn)路徑將為未來LNG裝備自主化項目提供有效指導。

1個液化天然氣汽化器

LNG氣化爐是LNG接收站的核心設備之一。 是LNG接收站中除大型儲罐外單項投資最大的最重要設備。 其中，ORV和IFV是世界上最常用的LNG氣化爐。 ORV具有經(jīng)濟性好、運行成本低等優(yōu)點。 IFV具有換熱效率高、設備緊湊、占地面積小、對海水水質(zhì)適應性強等優(yōu)點。 在中國、日本、韓國和歐洲廣泛使用。 我國已建成的大鵬LNG、莆田LNG、上海LNG、如東LNG等10余座接收站均采用上述兩種氣化爐中的一種作為基荷氣化爐。

開放式氣化爐（ORV）以海水為熱源，通過覆蓋在開放式薄層管束上的海水液膜滴，將管束內(nèi)的LNG汽化。 管束兩端采用集管連接，具有經(jīng)濟、運行費用低的優(yōu)點。

中間介質(zhì)汽化器（IFV）將三個殼管式換熱器組合在一起，以極低沸點的丙烷作為中間介質(zhì)汽化LNG，避免海水直接汽化LNG時結冰。 適用于海水惡劣的工作條件。 具有海水適應性強、操作方便等優(yōu)點。

兩種氣化爐的原理如圖1和圖2所示。

2 技術難點與研究

國內(nèi)LNG接收站項目ORV、IFV設備主要依賴進口，設計制造技術長期被日本企業(yè)壟斷。 存在供貨渠道單一、供貨周期長、采購受限等問題。 2010年起，佛山市新澤昌不銹鋼有限公司（以下簡稱“航天科工”）與佛山市新澤昌不銹鋼有限公司（以下簡稱“中升集團”）展開聯(lián)合攻關。獨立的LNG氣化器，完成氣化器傳熱模型設計和結構研制，在高效換熱管、介質(zhì)分配系統(tǒng)、換熱管焊接技術、海水防腐涂層技術等方面取得重大突破。 LNG氣化爐研制成功，徹底擺脫了依賴進口的局面。 降低國內(nèi)項目采購和維護成本。

2.1 開架式氣化爐核心技術發(fā)展

(1)異型換熱管的結構設計

換熱管是整個LNG氣化器最重要的傳熱元件，也是LNG氣化器的核心部件。 對于開架式氣化爐，換熱管的結構與常規(guī)換熱管不同，設計時需要綜合考慮換熱效率、承壓能力、強度、換熱面積、防結冰、翅片結構、水膜分布均勻、流體在管內(nèi)流動等因素。 因此，換熱管內(nèi)部結構設計分為氣化段和加熱段兩個階段。 在氣化段，換熱管內(nèi)裝有嵌件和擾流板。 在加熱段，換熱管內(nèi)裝有湍流元件不銹鋼波紋換熱管價格，用于增強管內(nèi)流體的湍流流動，提高傳熱系數(shù)。 換熱管外表面采用星形分布結構，有效增加換熱面積，使海水水膜流動均勻，保證換熱性能。

經(jīng)過反復建模和仿真計算，成功研制出性能優(yōu)于常規(guī)進口ORV設備的高效異型換熱管。 截面上的翅片高度不同，外側翅片不僅增加了傳熱面積，而且有利于海水的分布，加強了海水側的傳熱。 傳熱管內(nèi)壁沿圓周方向設有多個內(nèi)翅片，合理的內(nèi)翅片結構參數(shù)可有效降低傳熱管外冰層厚度。

(2)鋁合金焊接工藝

ORV是設計壓力在10MPa以上的超高壓容器。 焊接工藝要求極高，包括換熱管分布密集、工作空間狹小、焊接位置不規(guī)則、不銹鋼、鋁合金的過濾焊接等。 鋁合金換熱管通過擠壓工藝制成后，需要用鋁合金焊接到LNG/NG歧管上。 ORV的進出口需要與工藝區(qū)的不銹鋼管道連接，需要考慮不同材質(zhì)的過渡焊接。

通過不斷的研究、試驗和評估，徹底掌握了鋁合金管之間的焊接工藝和鋁-不銹鋼過渡接頭的爆炸焊接工藝，攻克了開架式氣化爐的核心焊接工藝。

(3)海水防腐涂層技術

ORV在海洋環(huán)境中運行，鋁合金換熱管長期遭受海水侵蝕。 如果換熱管表面防腐層設計不合理，就會產(chǎn)生點蝕、換熱管壁厚不均、泄漏等現(xiàn)象。 換熱管涂層厚度過薄，涂層壽命達不到設計要求； 如果涂層厚度太厚，不僅會削弱涂層的附著力，還會影響傳熱性能。 通過開發(fā)適用于開架式氣化爐的熱噴涂技術，采用耐海水腐蝕的Al-Zn合金涂層，具有良好的抗沖刷和耐腐蝕性能，提高了涂層的使用壽命。 同時，通過研究涂層的腐蝕原理，實現(xiàn)了根據(jù)不同地區(qū)海水水質(zhì)情況自適應配置防腐涂層。

2.2 中間介質(zhì)氣化爐核心技術發(fā)展

(1)傳熱結構設計

根據(jù)IFV原理可知，水平管內(nèi)海水強制對流換熱，水平管束外丙烷池沸騰換熱； 超臨界LNG在水平管內(nèi)的強制對流換熱、丙烷在水平管束外的薄膜冷凝換熱、跨管束的強制對流換熱。 IFV設計的難點在于如何合理布置三個管殼式換熱器。 一方面要滿足LNG氣化能力和出口溫度的設計要求，另一方面要考慮LNG在超臨界狀態(tài)下的壓力和溫度變化。 通過多次計算選擇最終合適的相關公式，確定最佳氣化性能的結構設計。

（2）堆芯焊接工藝及換熱管材料開發(fā)

IFV也是一種超高壓容器。 根據(jù)下游管網(wǎng)壓力不銹鋼波紋換熱管價格，設計壓力一般在12MPa以上。 根據(jù)換熱器中不同的介質(zhì)，合理的材料選擇和可靠的焊接工藝至關重要。 IFV裝備的工作條件是在海水條件較差的沿海地區(qū)。 換熱管材料的選擇需要充分考慮海水中含有重金屬離子和高含沙量。 因此，步兵戰(zhàn)車的選材采用大部分碳鋼、部分不銹鋼、鈦??合金換熱管的組合，保證了設備整體設計的合理性和經(jīng)濟性。

三臺換熱器的換熱管與管板的連接采用特殊的焊接工藝，既保證了管板與換熱管連接處的密封性能，又保證了拉合強度。耐，大大提高了連接的可靠性。

(3)設備監(jiān)控技術優(yōu)化

丙烷是步兵戰(zhàn)車的中間介質(zhì)，起著能量轉換的作用，加注量的控制十分重要。 對于丙烷液位控制，為準確控制丙烷加注量，控制方式設計采用遠程控制與就地顯示相結合的監(jiān)控方式，使液位控制更加準確。

2.3 自治

LNG氣化器參數(shù)獨立ORV產(chǎn)品參數(shù)：模塊化設計，單臺最大LNG氣化能力可達260t/h； 單機最大設計壓力為16MPa； 單機設計溫度-170~+65℃； 設備使用壽命滿足30年要求； 國內(nèi)外具備使用ORV海水條件的地區(qū)。

獨立的IFV產(chǎn)品參數(shù)：由于運輸條件的限制，單臺最大LNG氣化能力可達250t/h； 單機最大設計壓力為25MPa； 單機設計溫度-170~+65℃； 設備使用壽命滿足30年要求； 國內(nèi)外具備使用IFV海水條件的地區(qū)。

3 自治的實現(xiàn)路徑

根據(jù)LNG汽化器案例，總結出設備自主化的技術路線如圖3所示。

4自治成果介紹

氣電集團分別與航天科工、中升集團開展IFV、ORV聯(lián)合研發(fā)，先后完成5t/hORV中樣機、157.5t/hORV工程樣機、175t/hIFV工程樣機，福建LNG、海南LNG、浙江LNG完成了產(chǎn)品中試和產(chǎn)業(yè)化試驗，成果成功推廣到北海LNG。

ORV工程樣機在海南LNG作為主氣化爐使用1200余小時； IFV工程樣機已在浙江LNG作為主氣化爐使用2400余小時。 設備測試期間，對國產(chǎn)產(chǎn)品和進口產(chǎn)品進行性能對比測試，換熱效果達到國際同類產(chǎn)品水平。 自主研制的IFV、ORV通過了中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會組織的科技成果鑒定，成果達到國際先進水平。

經(jīng)過幾年的科研攻關，LNG氣化器技術從前期研究到立項落地，真正迎來了科研的“開花結果”和產(chǎn)業(yè)的“起航”。

5個關鍵節(jié)點及注意事項

5.1 設備制造要求

選擇國內(nèi)制造企業(yè)應滿足以下基本要求：相關產(chǎn)品制造許可證、制造資質(zhì)，符合ASME、API、GB等國際標準和國內(nèi)強制性規(guī)范，具備產(chǎn)品設計、制造能力和出廠試驗條件，以及具有相關產(chǎn)品的制造能力。 成就。 產(chǎn)品中樣機、工程樣機的制造，應具備完善的質(zhì)量控制體系，對設備質(zhì)量進行全過程控制，制造企業(yè)應提供出廠合格證及相關試驗證明。 壓力容器設備應具有當?shù)劐仩t檢驗機構出具的《性能監(jiān)督檢驗證書》，設備隨附文件資料符合樣機使用地壓力容器注冊登記要求。

5.2 測試平臺建設要求

試驗平臺建設要求嚴格按照項目標準施工，確保試驗平臺質(zhì)量和試驗運行安全。 試驗平臺建設、設計、監(jiān)理三方均具有工程承包資質(zhì)。 根據(jù)LNG氣化爐自營過程的經(jīng)驗，試驗平臺建設應提前考慮擬建場地工程一期擴建或二期預留的設計統(tǒng)一，避免誤操作。

5.3 產(chǎn)品測試要求

對研制的產(chǎn)品進行試車和運行試驗，應提前編制《試車（試驗）大綱》、《試驗應急預案》、《中試/終試試驗方案》、《設備運行維護手冊》，做好資料宣傳和操作培訓。 保障項目生產(chǎn)安全，進行專業(yè)準確的產(chǎn)品工業(yè)應用檢測。

5.4 產(chǎn)品成型及標識要求

科研產(chǎn)品核心技術設計完成后，立即啟動核心技術專利申請，保護自主核心知識產(chǎn)權，構建LNG裝備技術專利池。 科研產(chǎn)品通過產(chǎn)業(yè)化應用后，按照科技部《科技成果評價辦法》的要求，立即向科技部提交科研成果評價申請。有權組織評審，確定產(chǎn)品結構、范圍和創(chuàng)新點，配套科研成果產(chǎn)權的機關或組織。

目前本行業(yè)主要認定單位：佛山市新澤昌不銹鋼有限公司、中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會、中國機械工業(yè)聯(lián)合會、省科學技術廳。

6 總結

國產(chǎn)LNG氣化爐的研制成功，打破了國外壟斷，實現(xiàn)了采購成本和維護成本的大幅降低。 據(jù)初步測算，產(chǎn)品國產(chǎn)化后，采購價格較進口產(chǎn)品降低30%以上，涂層維護價格降低60%以上，交貨周期可控制在12個月。 同時，售后維護成本可降低50%左右，設備故障響應周期和設備維護時間也將大大縮短。 提高LNG產(chǎn)業(yè)鏈核心設備的自主權，增強國內(nèi)企業(yè)采購LNG氣化爐設備的主動性，徹底擺脫依賴進口的局面。 同時也將拉動內(nèi)需，提升國內(nèi)裝備制造技術水平。

隨著國內(nèi)液化天然氣業(yè)務的發(fā)展，LNG汽化器的自主制造成果可直接用于各LNG接收站。 LNG氣化爐，考慮到在設備價格、采購周期、故障檢修、響應時間等方面的顯著優(yōu)勢，國產(chǎn)LNG氣化爐在LNG行業(yè)的應用與進口設備相比具有無可比擬的優(yōu)勢，有望全面替代進口產(chǎn)品。 市場前景十分廣闊。