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(shù)領(lǐng)域也逐漸走向成熟。 由于LNG領(lǐng)域的局限性，我國引進(jìn)LNG接收站之初，大型設(shè)備和技術(shù)被國外企業(yè)壟斷，采購談判地位被動(dòng)，項(xiàng)目投資控制困難。 面對(duì)進(jìn)口設(shè)備的“天價(jià)”，國內(nèi)LNG相關(guān)投資企業(yè)和制造企業(yè)相繼開始通過技術(shù)改造、產(chǎn)學(xué)研合作等方式開展LNG裝備自主化，攻堅(jiān)克難、破局。國外技術(shù)壟斷。

佛山市新澤昌不銹鋼有限公司（以下簡稱“燃?xì)鈩?dòng)力集團(tuán)”）作為國內(nèi)主要的LNG項(xiàng)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(guān)鍵設(shè)備實(shí)現(xiàn)自主技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)應(yīng)用推廣。

開框氣化爐和中間氣化爐是LNG關(guān)鍵設(shè)備自主項(xiàng)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(shè)備貿(mào)易易受國際形勢(shì)變化影響，存在設(shè)備報(bào)價(jià)不合理、價(jià)格過高等情況波動(dòng)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(yīng)商轉(zhuǎn)變?yōu)閾碛凶灾骱诵募夹g(shù)。 從設(shè)計(jì)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(guān)鍵自主性。 LNG裝備自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)路徑將為未來LNG裝備自主化項(xiàng)目提供有效指導(dǎo)。

1個(gè)液化天然氣汽化器

LNG氣化爐是LNG接收站的核心設(shè)備之一。 是LNG接收站中除大型儲(chǔ)罐外單項(xiàng)投資最大的最重要設(shè)備。 其中，ORV和IFV是世界上最常用的LNG氣化爐。 ORV具有經(jīng)濟(jì)性好、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。 IFV具有換熱效率高、設(shè)備緊湊、占地面積小、對(duì)海水水質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 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L(fēng)NG、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(jì)、運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。

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

兩種氣化爐的原理如圖1和圖2所示。

2 技術(shù)難點(diǎn)與研究

國內(nèi)LNG接收站項(xiàng)目ORV、IFV設(shè)備主要依賴進(jìn)口，設(shè)計(jì)制造技術(shù)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(tuán)”）展開聯(lián)合攻關(guān)。獨(dú)立的LNG氣化器，完成氣化器傳熱模型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)研制，在高效換熱管、介質(zhì)分配系統(tǒng)、換熱管焊接技術(shù)、海水防腐涂層技術(shù)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(jìn)口的局面。 降低國內(nèi)項(xiàng)目采購和維護(hù)成本。

2.1 開架式氣化爐核心技術(shù)發(fā)展

(1)異型換熱管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

換熱管是整個(gè)LNG氣化器最重要的傳熱元件，也是LNG氣化器的核心部件。 對(duì)于開架式氣化爐，換熱管的結(jié)構(gòu)與常規(guī)換熱管不同，設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮換熱效率、承壓能力、強(qiáng)度、換熱面積、防結(jié)冰、翅片結(jié)構(gòu)、水膜分布均勻、流體在管內(nèi)流動(dòng)等因素。 因此，換熱管內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為氣化段和加熱段兩個(gè)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(jià)格，用于增強(qiáng)管內(nèi)流體的湍流流動(dòng)，提高傳熱系數(shù)。 換熱管外表面采用星形分布結(jié)構(gòu)，有效增加換熱面積，使海水水膜流動(dòng)均勻，保證換熱性能。

經(jīng)過反復(fù)建模和仿真計(jì)算，成功研制出性能優(yōu)于常規(guī)進(jìn)口ORV設(shè)備的高效異型換熱管。 截面上的翅片高度不同，外側(cè)翅片不僅增加了傳熱面積，而且有利于海水的分布，加強(qiáng)了海水側(cè)的傳熱。 傳熱管內(nèi)壁沿圓周方向設(shè)有多個(gè)內(nèi)翅片，合理的內(nèi)翅片結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(jìn)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(yàn)和評(píng)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(shù)

ORV在海洋環(huán)境中運(yùn)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(shè)計(jì)不合理，就會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)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(dá)不到設(shè)計(jì)要求； 如果涂層厚度太厚，不僅會(huì)削弱涂層的附著力，還會(huì)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(shù)，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(shí)，通過研究涂層的腐蝕原理，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)不同地區(qū)海水水質(zhì)情況自適應(yīng)配置防腐涂層。

2.2 中間介質(zhì)氣化爐核心技術(shù)發(fā)展

(1)傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)IFV原理可知，水平管內(nèi)海水強(qiáng)制對(duì)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(qiáng)制對(duì)流換熱、丙烷在水平管束外的薄膜冷凝換熱、跨管束的強(qiáng)制對(duì)流換熱。 IFV設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何合理布置三個(gè)管殼式換熱器。 一方面要滿足LNG氣化能力和出口溫度的設(shè)計(jì)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(jì)算選擇最終合適的相關(guān)公式，確定最佳氣化性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（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(jià)格，設(shè)計(jì)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(guān)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(shè)備整體設(shè)計(jì)的合理性和經(jīng)濟(jì)性。

三臺(tái)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(qiáng)度。耐，大大提高了連接的可靠性。

(3)設(shè)備監(jiān)控技術(shù)優(yōu)化

丙烷是步兵戰(zhàn)車的中間介質(zhì)，起著能量轉(zhuǎn)換的作用，加注量的控制十分重要。 對(duì)于丙烷液位控制，為準(zhǔn)確控制丙烷加注量，控制方式設(shè)計(jì)采用遠(yuǎn)程控制與就地顯示相結(jié)合的監(jiān)控方式，使液位控制更加準(zhǔn)確。

2.3 自治

LNG氣化器參數(shù)獨(dú)立ORV產(chǎn)品參數(shù)：模塊化設(shè)計(jì)，單臺(tái)最大LNG氣化能力可達(dá)260t/h； 單機(jī)最大設(shè)計(jì)壓力為16MPa； 單機(jī)設(shè)計(jì)溫度-170~+65℃； 設(shè)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(dú)立的IFV產(chǎn)品參數(shù)：由于運(yùn)輸條件的限制，單臺(tái)最大LNG氣化能力可達(dá)250t/h； 單機(jī)最大設(shè)計(jì)壓力為25MPa； 單機(jī)設(shè)計(jì)溫度-170~+65℃； 設(shè)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(shí)現(xiàn)路徑

根據(jù)LNG汽化器案例，總結(jié)出設(shè)備自主化的技術(shù)路線如圖3所示。

4自治成果介紹

氣電集團(tuán)分別與航天科工、中升集團(tuán)開展IFV、ORV聯(lián)合研發(fā)，先后完成5t/hORV中樣機(jī)、157.5t/hORV工程樣機(jī)、175t/hIFV工程樣機(jī)，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(yàn)，成果成功推廣到北海LNG。

ORV工程樣機(jī)在海南LNG作為主氣化爐使用1200余小時(shí)； IFV工程樣機(jī)已在浙江LNG作為主氣化爐使用2400余小時(shí)。 設(shè)備測(cè)試期間，對(duì)國產(chǎn)產(chǎn)品和進(jìn)口產(chǎn)品進(jìn)行性能對(duì)比測(cè)試，換熱效果達(dá)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(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的科技成果鑒定，成果達(dá)到國際先進(jìn)水平。

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

5個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及注意事項(xiàng)

5.1 設(shè)備制造要求

選擇國內(nèi)制造企業(yè)應(yīng)滿足以下基本要求：相關(guān)產(chǎn)品制造許可證、制造資質(zhì)，符合ASME、API、GB等國際標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)強(qiáng)制性規(guī)范，具備產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造能力和出廠試驗(yàn)條件，以及具有相關(guān)產(chǎn)品的制造能力。 成就。 產(chǎn)品中樣機(jī)、工程樣機(jī)的制造，應(yīng)具備完善的質(zhì)量控制體系，對(duì)設(shè)備質(zhì)量進(jìn)行全過程控制，制造企業(yè)應(yīng)提供出廠合格證及相關(guān)試驗(yàn)證明。 壓力容器設(shè)備應(yīng)具有當(dāng)?shù)劐仩t檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)出具的《性能監(jiān)督檢驗(yàn)證書》，設(shè)備隨附文件資料符合樣機(jī)使用地壓力容器注冊(cè)登記要求。

5.2 測(cè)試平臺(tái)建設(shè)要求

試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)要求嚴(yán)格按照項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)施工，確保試驗(yàn)平臺(tái)質(zhì)量和試驗(yàn)運(yùn)行安全。 試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)、設(shè)計(jì)、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(yàn)，試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)應(yīng)提前考慮擬建場(chǎng)地工程一期擴(kuò)建或二期預(yù)留的設(shè)計(jì)統(tǒng)一，避免誤操作。

5.3 產(chǎn)品測(cè)試要求

對(duì)研制的產(chǎn)品進(jìn)行試車和運(yùn)行試驗(yàn)，應(yīng)提前編制《試車（試驗(yàn)）大綱》、《試驗(yàn)應(yīng)急預(yù)案》、《中試/終試試驗(yàn)方案》、《設(shè)備運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)》，做好資料宣傳和操作培訓(xùn)。 保障項(xiàng)目生產(chǎn)安全，進(jìn)行專業(yè)準(zhǔn)確的產(chǎn)品工業(yè)應(yīng)用檢測(cè)。

5.4 產(chǎn)品成型及標(biāo)識(shí)要求

科研產(chǎn)品核心技術(shù)設(shè)計(jì)完成后，立即啟動(dòng)核心技術(shù)專利申請(qǐng)，保護(hù)自主核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)，構(gòu)建LNG裝備技術(shù)專利池。 科研產(chǎn)品通過產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用后，按照科技部《科技成果評(píng)價(jià)辦法》的要求，立即向科技部提交科研成果評(píng)價(jià)申請(qǐng)。有權(quán)組織評(píng)審，確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、范圍和創(chuàng)新點(diǎn)，配套科研成果產(chǎn)權(quán)的機(jī)關(guān)或組織。

目前本行業(yè)主要認(rèn)定單位：佛山市新澤昌不銹鋼有限公司、中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)、中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)、省科學(xué)技術(shù)廳。

6 總結(jié)

國產(chǎn)LNG氣化爐的研制成功，打破了國外壟斷，實(shí)現(xiàn)了采購成本和維護(hù)成本的大幅降低。 據(jù)初步測(cè)算，產(chǎn)品國產(chǎn)化后，采購價(jià)格較進(jìn)口產(chǎn)品降低30%以上，涂層維護(hù)價(jià)格降低60%以上，交貨周期可控制在12個(gè)月。 同時(shí)，售后維護(hù)成本可降低50%左右，設(shè)備故障響應(yīng)周期和設(shè)備維護(hù)時(shí)間也將大大縮短。 提高LNG產(chǎn)業(yè)鏈核心設(shè)備的自主權(quán)，增強(qiáng)國內(nèi)企業(yè)采購LNG氣化爐設(shè)備的主動(dòng)性，徹底擺脫依賴進(jìn)口的局面。 同時(shí)也將拉動(dòng)內(nèi)需，提升國內(nèi)裝備制造技術(shù)水平。

隨著國內(nèi)液化天然氣業(yè)務(wù)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(shè)備價(jià)格、采購周期、故障檢修、響應(yīng)時(shí)間等方面的顯著優(yōu)勢(shì)，國產(chǎn)LNG氣化爐在LNG行業(yè)的應(yīng)用與進(jìn)口設(shè)備相比具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，有望全面替代進(jìn)口產(chǎn)品。 市場(chǎng)前景十分廣闊。