RU2803106C2

RU2803106C2 - Method of operation of coil-wound heat exchanger and heat exchanger system containing coil-wound heat exchanger

Info

Publication number: RU2803106C2
Application number: RU2020115218A
Authority: RU
Inventors: Манфред ШТАЙНБАУЭР; Флориан ДАЙХЗЕЛЬ; Луис МАТАМОРОС
Original assignee: Линде Акциенгезелльшафт
Priority date: 2019-05-03
Filing date: 2020-04-30
Publication date: 2023-09-06

Abstract

FIELD: heat exchanging equipment.

SUBSTANCE: invention relates to the field of heat engineering and can be used in coil-wound heat exchangers (CWHE) and heat exchanger systems containing CWHE. The invention lies in the fact that in a heat exchanger system containing a coil-wound heat exchanger, the tube bundle is divided into a number of separate axial sections of the inner tube space located in the direction of flow of the CWHE.

EFFECT: effective equalization of temperature and pressure of the flows flowing through different areas of the sections of the inline space, prevention of uneven cooling of the inline flow, which improves the operation of the system.

11 cl, 1 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к способу эксплуатации спирального теплообменника (CWHE) и системы теплообменников, содержащей CWHE.The present invention relates to a method of operating a spiral heat exchanger (CWHE) and a heat exchanger system containing the CWHE.

Спиральные теплообменники (CWHE) требуются для самых разных сфер применения, включая обработку текучих сред, например для установок по производству СПГ, на которых сжижают природный газ (ПГ). В них должна быть предусмотрена поддержка широкого диапазона температур и давлений, а также однофазных и двухфазных потоков.Coil heat exchangers (CWHE) are required for a variety of applications, including fluid processing, such as LNG plants that liquefy natural gas (NG). They must be capable of supporting a wide range of temperatures and pressures, as well as single-phase and two-phase flows.

Как хорошо известно специалистам в данной области, CWHE содержат пучок труб, завитых спиралью вокруг сердечника, продольная протяженность которого определяет осевую протяженность CWHE между теплым концом и холодным концом. Пучок труб, как правило, содержит несколько отдельных труб, по которым могут соответственно течь отдельные текучие среды. Каждая из этих труб обычно содержит множество отдельных трубок с относительно малым диаметром. Что касается текучих сред, протекающих через этот пучок труб, они называются потоком внутритрубного пространства CWHE.As is well known to those skilled in the art, CWHEs comprise a bundle of tubes wound in a spiral around a core, the longitudinal extent of which defines the axial extent of the CWHE between the warm end and the cold end. A tube bundle typically contains several individual tubes through which individual fluids can respectively flow. Each of these pipes typically contains a plurality of individual tubes of relatively small diameter. As for the fluids flowing through this tube bundle, they are referred to as CWHE in-tube flow.

В CWHE пучок труб окружен оболочкой, которая выступает в качестве контейнера давления и также принимает на себя вес пучка труб. Что касается текучих сред, протекающих снаружи трубы, но внутри оболочки, они называются потоком межтрубного пространства CWHE.In CWHE, the tube bundle is surrounded by a shell, which acts as a pressure container and also bears the weight of the tube bundle. As for fluids flowing outside the pipe but inside the shell, it is called annulus flow CWHE.

Уровень техникиState of the art

Типичный способ сжижения описан в патенте США № 6,272,882, и в нем газообразный, богатый метаном поток, как правило, ПГ, подается под повышенным давлением в первую секцию внутритрубного пространства главного теплообменника на теплом конце. Газообразный, обогащенный метаном поток охлаждают, сжижают и переохлаждают испаряющимся хладагентом с получением сжиженного потока. Сжиженный поток удаляют из главного теплообменника на холодном конце и передают на хранение в виде сжиженного продукта. Испарившийся хладагент удаляют из межтрубного пространства главного теплообменника на его теплом конце. Испарившийся хладагент может быть сжат по меньшей мере одним компрессором для хладагента с получением хладагента высокого давления (HP MR). Хладагент высокого давления, как правило, частично конденсирован, и частично конденсированный хладагент разделяют на жидкую тяжелую фракцию хладагента и газообразную легкую фракцию хладагента. Тяжелая фракция хладагента может быть переохлаждена во второй секции внутритрубного пространства главного теплообменника с получением потока переохлажденного тяжелого хладагента. Поток тяжелого хладагента вводят под пониженным давлением в межтрубное пространство главного теплообменника, например в промежуточной точке между теплым концом и холодным концом, причем допускается испарение потока тяжелого хладагента в межтрубном пространстве главного теплообменника. По меньшей мере часть легкой фракции хладагента можно охлаждать, подвергать сжижению и переохлаждать в третьей секции внутритрубного пространства главного теплообменника с получением потока переохлажденного легкого хладагента. Этот поток легкого хладагента, как правило, вводят при пониженном давлении в межтрубное пространство главного теплообменника на холодном конце, при этом допускается испарение потока легкого хладагента в межтрубном пространстве, как правило, в виде тонкой пленки, покрывающей трубу и нисходящей от холодного конца к теплому концу CWHE.A typical liquefaction process is described in US Pat. No. 6,272,882, in which a gaseous, methane-rich stream, typically NG, is fed under elevated pressure into the first section of the main heat exchanger shell at the warm end. The gaseous methane-rich stream is cooled, liquefied and supercooled with an evaporating refrigerant to produce a liquefied stream. The liquefied stream is removed from the main heat exchanger at the cold end and stored as a liquefied product. The evaporated refrigerant is removed from the annulus of the main heat exchanger at its warm end. The evaporated refrigerant can be compressed by at least one refrigerant compressor to produce high pressure refrigerant (HP MR). The high pressure refrigerant is generally partially condensed, and the partially condensed refrigerant is separated into a liquid heavy refrigerant fraction and a gaseous light refrigerant fraction. The heavy fraction of the refrigerant can be supercooled in the second section of the in-tube space of the main heat exchanger to produce a stream of supercooled heavy refrigerant. The heavy refrigerant stream is introduced under reduced pressure into the annulus of the main heat exchanger, for example at an intermediate point between the warm end and the cold end, and the heavy refrigerant stream in the annulus of the main heat exchanger is allowed to evaporate. At least a portion of the light refrigerant may be cooled, liquefied, and subcooled in a third section of the main heat exchanger inline to produce a supercooled light refrigerant stream. This light refrigerant stream is typically introduced at reduced pressure into the annulus of the main heat exchanger at the cold end, allowing the light refrigerant stream in the annulus to evaporate, usually as a thin film covering the tube and descending from the cold end to the warm end CWHE.

В публикации WO2011/120096 A1 описана система CWHE, в которой внутритрубное пространство главного CWHE, используемая для переохлаждения богатого метаном потока, разделена на несколько отдельных труб. В первой группе этих труб природный газ или жидкий природный газ, который нужно подвергать сжижению или переохлаждению, течет из горячего конца к холодному концу CWHE. Кроме этого, во второй трубе смешанный хладагент также течет от теплой стороны к холодной стороне CWHE. На холодной стороне этот хладагент дополнительно охлаждают путем расширения и подают в межтрубное пространство CWHE, в котором он опускается от холодной стороны к теплой стороне в виде тонкой пленки, окружающей трубы. Эта тонкая пленка испаряется, вследствие чего потоки ПГ, СПГ или хладагента, проходящие по трубам, охлаждаются.Publication WO2011/120096 A1 describes a CWHE system in which the in-tube space of the main CWHE, used to subcool the methane-rich stream, is divided into several separate pipes. In the first group of these pipes, natural gas or natural gas liquid to be liquefied or supercooled flows from the hot end to the cold end of the CWHE. In addition, in the second pipe, the mixed refrigerant also flows from the warm side to the cold side of the CWHE. On the cold side, this refrigerant is further cooled by expansion and introduced into the annulus of the CWHE, where it falls from the cold side to the warm side as a thin film surrounding the tubes. This thin film evaporates, causing the NG, LNG or refrigerant streams passing through the pipes to cool.

При таком испарении может происходить неравномерное распределение тонкой пленки хладагента по отношению к различным областям пучка труб, а значит, например, на некоторые трубы воздействует большее количество хладагента, а на другие трубы - меньшее. Из-за этого может произойти неравномерное охлаждение потоков ПГ, СПГ или хладагента, протекающих через трубы, а также, возможно, напряжение внутри пучка, поскольку, например, разные части трубы будут термически расширяться или сжиматься в разной степени.This evaporation can result in an uneven distribution of the thin film of refrigerant in relation to different areas of the tube bundle, which means, for example, that some tubes are exposed to more refrigerant and other tubes are exposed to less. This may result in uneven cooling of the NG, LNG or refrigerant streams flowing through the pipes, and possibly stress within the bundle as, for example, different parts of the pipe thermally expand or contract to different degrees.

Эту проблему решают в патенте WO2011/120096 A1 путем деления пучка труб на разные трубы и управления каждым потоком через эти трубы по отдельности. Однако из-за такого регулирования могут возникнуть трудности с расположенными ниже или выше по потоку компонентами системы CWHE, например дополнительными теплообменниками, в особенности CWHE. Например, в зависимости от конкретного типа способа, например, так называемого способа DMR или MFC, может возникнуть необходимость в подаче хладагента из вышестоящего CWHE в отдельные трубы главного CWHE с помощью отдельных трубопроводов, так называемых трубопроводов «один к одному», особенно при двухфазном состоянии или недостаточном охлаждении хладагента. В этом случае регулирование главного CWHE также отрицательно влияет на вышерасположенный CWHE.This problem is solved in the patent WO2011/120096 A1 by dividing a bundle of pipes into different pipes and controlling each flow through these pipes separately. However, this control may cause difficulties with downstream or upstream components of the CWHE system, such as additional heat exchangers, especially the CWHE. For example, depending on the specific type of process, for example the so-called DMR or MFC process, it may be necessary to supply refrigerant from the upstream CWHE to separate pipes of the main CWHE using separate piping, so-called one-to-one piping, especially in a two-phase condition or insufficient refrigerant cooling. In this case, regulation of the main CWHE also negatively affects the upstream CWHE.

Цель изобретения заключается в обеспечении улучшенной эксплуатации системы CWHE, содержащей по меньшей мере один CWHE, с предотвращением проблем, описанных выше.The purpose of the invention is to provide improved operation of a CWHE system comprising at least one CWHE while preventing the problems described above.

Указанной цели достигают с помощью способа, включающего элементы по п. 1, и системы CWHE, имеющей элементы по п. 7.This goal is achieved using a method including elements according to claim 1, and a CWHE system having elements according to claim 7.

В соответствии с изобретением можно предотвратить неравномерное охлаждение внутритрубного потока, в частности в главном CWHE системы CWHE, и при этом избежать отрицательного воздействия на расположенные ниже компоненты системы от такого равномерного охлаждения. Этого можно достигнуть путем разделения пучка труб на ряд секций внутритрубного пространства, которые соединены с помощью соединительных трубопроводов для обеспечения выравнивания давления. Используемый в настоящем документе термин «секции внутритрубного пространства», в частности, относится к отдельным осевым секциям, расположенным в направлении потока CWHE. Благодаря применению изобретения происходит эффективное выравнивание температуры и давления потоков, протекающих через различные области секций внутритрубного пространства.According to the invention, it is possible to prevent uneven cooling of the in-line flow, in particular in the main CWHE of a CWHE system, while avoiding the negative impact on downstream system components from such uniform cooling. This can be achieved by dividing the tube bundle into a number of in-tube sections, which are connected using interconnecting piping to provide pressure equalization. As used herein, the term "inline sections" specifically refers to individual axial sections located in the direction of flow of the CWHE. Thanks to the use of the invention, the temperature and pressure of the flows flowing through different areas of the sections of the in-line space are effectively equalized.

В частности, может быть обеспечено равномерное выполнение процесса охлаждения по меньшей мере в двух отдельных трубах, предусмотренных в секциях внутритрубного пространства, через которые проходит поток хладагента или поток массы, подлежащей охлаждению или переохлаждению. Такие трубы могут, например, располагаться соосно друг с другом вокруг центрального сердечника, находящегося внутри пучка труб.In particular, it can be ensured that the cooling process is carried out uniformly in at least two separate pipes provided in the sections of the inner pipe space through which the coolant flow or mass flow to be cooled or subcooled passes. Such pipes may, for example, be arranged coaxially with each other around a central core located within the bundle of pipes.

Преимущественные варианты осуществления представляют собой объект изобретения по зависимым пунктам формулы изобретения.Advantageous embodiments represent the subject matter of the invention according to the dependent claims.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления потоком массы по меньшей мере одного из по меньшей мере двух дополнительных потоков хладагента между промежуточной секцией и холодным концом главного CWHE управляют с помощью по меньшей мере одного управляющего клапана, причем по меньшей мере управление одним управляющим клапаном выполняют с помощью контроллера или вручную. Посредством таких управляющих клапанов, управляемых контроллером или вручную, можно реализовать эффективное и надежное управление потоками через отдельные секции внутритрубного пространства. Эти клапаны могут быть расположены на холодном конце или на теплом конце CWHE или снаружи от CWHE, преимущественно в непосредственной близости от холодного конца.According to a preferred embodiment, the mass flow of at least one of the at least two additional refrigerant flows between the intermediate section and the cold end of the main CWHE is controlled by at least one control valve, wherein the at least one control valve is controlled by a controller or manually. By means of such control valves, controlled by a controller or manually, it is possible to realize efficient and reliable control of flows through individual sections of the in-line space. These valves may be located at the cold end or warm end of the CWHE or external to the CWHE, preferably in close proximity to the cold end.

Преимуществом является то, что по меньшей мере два первых отдельных потока хладагента, поступающих в главный CWHE, представляют собой потоки, выходящие из холодной стороны дополнительного теплообменника, предпочтительно дополнительного CWHE, предусмотренного выше по потоку от главного CWHE. Благодаря применению изобретения в главном CWHE управление потоком через отдельные секции внутритрубного пространства в главном CWHE не будут воздействовать на такой дополнительный CWHE, расположенный выше от главного CWHE.It is advantageous that at least the first two separate refrigerant streams entering the main CWHE are streams exiting the cold side of an additional heat exchanger, preferably an additional CWHE provided upstream of the main CWHE. By applying the invention to the main CWHE, flow control through individual sections of the lining in the main CWHE will not affect such additional CWHE located upstream of the main CWHE.

В соответствии с предпочтительным применением изобретения поток массы, подлежащий охлаждению, представляет собой поток ПГ или СПГ или смешанный поток хладагента.According to a preferred application of the invention, the mass stream to be cooled is a NG or LNG stream or a mixed refrigerant stream.

Преимуществом является то, что температуру каждого из по меньшей мере двух дополнительных отдельных потоков хладагента на холодном конце главного CWHE отслеживают с помощью средства измерения температуры. Средство измерения температуры может передавать на контроллер данные о температуре. Мониторинг температуры отдельных потоков хладагента — это эффективный и надежный способ определения охлаждающего эффекта в различных отдельных трубах в секциях внутритрубного пространства, благодаря которому можно эффективно использовать контроллер и управлять потоком хладагента через различные трубы секций внутритрубного пространства путем управления указанными клапанами. Кроме того, возможно ручное управление, осуществляемое оператором.An advantage is that the temperature of each of the at least two additional separate refrigerant streams at the cold end of the main CWHE is monitored by a temperature measuring means. The temperature measuring means may provide temperature data to the controller. Monitoring the temperature of individual refrigerant streams is an effective and reliable way to determine the cooling effect in various individual pipes in the shell sections, through which the controller can be effectively used and control the flow of refrigerant through the various pipes in the shell sections by controlling the specified valves. In addition, manual control by the operator is possible.

Ниже будет описан предпочтительный вариант осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемую фигуру.A preferred embodiment of the invention will be described below with reference to the accompanying drawing.

Краткое описание графических материаловBrief description of graphic materials

На Фиг. 1 представлен схематический вид сбоку предпочтительного варианта осуществления системы CWHE, в которой можно реализовать изобретение.In FIG. 1 is a schematic side view of a preferred embodiment of a CWHE system in which the invention can be implemented.

Вариант осуществления изобретенияEmbodiment of the invention

На Фиг. 1 предпочтительный вариант осуществления системы CWHE в соответствии с изобретением обозначен номером 100. К нему относятся первый CWHE 200 и главный CWHE 300. В каждом из CWHE 200, 300 предусмотрен теплый конец и холодный конец, и в каждом из них образованы внутритрубные пространства 230, 330, содержащие пучки 232, 332 труб, через которые поток массы, подлежащий охлаждению, а также потоки хладагента текут от теплого конца к холодному концу, и межтрубные пространства, образованные соответствующими оболочками 236, 336, окружающими соответствующие пучки 232, 332 труб, через которые хладагент течет от холодного конца к теплому концу. Эта структура и функциональные возможности CWHE хорошо известны, и ненужные подробности не будут дополнительно рассматриваться.In FIG. 1, a preferred embodiment of the CWHE system according to the invention is designated by number 100. This includes a first CWHE 200 and a main CWHE 300. Each of the CWHEs 200, 300 is provided with a warm end and a cold end, and in each of them, internal spaces 230, 330 are formed , containing tube bundles 232, 332 through which the mass flow to be cooled, as well as refrigerant streams flow from the warm end to the cold end, and intertube spaces formed by corresponding shells 236, 336 surrounding the corresponding pipe bundles 232, 332 through which the coolant flows from the cold end to the warm end. This structure and functionality of CWHE is well known and unnecessary details will not be discussed further.

Систему 100 CWHE используют для сжижения и последующего переохлаждения потока 400, 402, 404, 406 природного газа (ПГ), изначально подаваемого на теплый конец 202 первого CWHE 200. При прохождении через внутритрубное пространство первого CWHE 200 от теплого конца к холодному концу 204 этот поток 400 ПГ сжижается посредством теплообменного взаимодействия с хладагентом, протекающим через межтрубное пространство первого CWHE от холодного конца 204 к теплому концу 202. На Фиг. 1 путь потока хладагента через межтрубное пространство для первого CWHE 200 не показан.The CWHE system 100 is used to liquefy and subsequently subcool a natural gas (NG) stream 400, 402, 404, 406 initially supplied to the warm end 202 of the first CWHE 200. As the stream passes through the inside of the first CWHE 200 from the warm end to the cold end 204 400 GHG is liquefied by heat exchange interaction with the refrigerant flowing through the annulus of the first CWHE from the cold end 204 to the warm end 202. In FIG. 1, the refrigerant flow path through the annulus for the first CWHE 200 is not shown.

Поток сжиженного ПГ (СПГ), выходящий из первого CWHE 200 на холодном конце 204, обозначен как 402. Этот поток СПГ затем подается на теплый конец 302 главного CWHE 300 (эта секция потока СПГ обозначена как 404).The liquefied natural gas (LNG) stream exiting the first CWHE 200 at the cold end 204 is designated 402. This LNG stream is then supplied to the warm end 302 of the main CWHE 300 (this section of the LNG stream is designated 404).

В главном CWHE 300 после дополнительного теплообменного взаимодействия с различными потоками охладителя при прохождении через трубу 310 во внутритрубном пространстве главного CWHE 300, поток СПГ выходит из главного CWHE в виде переохлажденного потока 406 СПГ на холодном конце 304. Теплообменное взаимодействие между потоком СПГ через главный CWHE 300 и потоками хладагента в главном CWHE 300 будет подробно описано ниже.In the main CWHE 300, after additional heat exchange interaction with the various coolant streams as it passes through the tube 310 in the interior of the main CWHE 300, the LNG stream exits the main CWHE as a subcooled LNG stream 406 at the cold end 304. Heat exchange interaction between the LNG stream through the main CWHE 300 and refrigerant flows in the main CWHE 300 will be described in detail below.

Смешанный хладагент, например обогащенная метаном текучая среда, подается в трубы первого CWHE 200 (потоки 502) на теплом конце 202. В показанном варианте осуществления предусмотрено три отдельных трубопровода 600 для подачи соответствующих отдельных потоков хладагента на три отдельные трубы первого CWHE 200. Следует отметить, что, согласно терминологии настоящей заявки, CWHE 200 содержит одну проходящую в осевом направлении (т. е. проходящую в направлении потока) секцию внутритрубного пространства, которая включает в себя несколько труб. Как показано на Фиг. 1 и как будет дополнительно разъяснено ниже, второй или основной CWHE 300 содержит три отдельные секции внутритрубного пространства 320, 322, 324.Mixed refrigerant, such as a methane-rich fluid, is supplied to the pipes of the first CWHE 200 (streams 502) at the warm end 202. In the illustrated embodiment, three separate conduits 600 are provided for supplying respective separate refrigerant streams to the three separate pipes of the first CWHE 200. It should be noted that that, in the terminology of this application, CWHE 200 contains one axially extending (ie, extending in the direction of flow) section of the intratube space, which includes several pipes. As shown in FIG. 1 and as will be further explained below, the second or main CWHE 300 contains three separate sections of in-tube space 320, 322, 324.

Хладагент выходит из холодного конца первого CWHE 200 в виде (трех отдельных) потоков 504 в трех отдельных трубопроводах 602. Потоки 504 холоднее, чем потоки 502, в особенности из-за теплообмена с потоком хладагента, проходящим в межтрубном пространстве от холодного конца к теплому концу первого CWHE 200, который не показан на Фиг. 1. Такое некоторое количество предусмотренных отдельных трубопроводов для соответствующего количества потоков хладагента, выходящих из CWHE, в данной области техники называют трубопроводами «один к одному».The refrigerant exits the cold end of the first CWHE 200 as (three separate) streams 504 in three separate conduits 602. Streams 504 are cooler than streams 502, particularly due to heat exchange with the refrigerant flow in the annulus from the cold end to the warm end the first CWHE 200, which is not shown in FIG. 1. Such a number of provided separate piping for a corresponding number of refrigerant streams leaving the CWHE is called one-to-one piping in the art.

Эти отдельные трубопроводы 602 соединены с соответствующими первыми отдельными трубами секции 320 внутритрубного пространства главного CWHE 300, причем к теплому концу 302 главного CWHE 300 подают три отдельных потока 506 хладагента. Например, три отдельные трубы секции 320 внутритрубного пространства могут быть расположены соосно друг с другом. Секция 320 внутритрубного пространства проходит в осевом направлении вдоль первой осевой секции A1 главного CWHE от холодного конца 302 до второй или промежуточной секции 322 внутритрубного пространства, расположенной между горячим концом 302 и холодным концом 304. Эта вторая секция 322 внутритрубного пространства проходит вдоль второй осевой секции A2 CWHE.These separate conduits 602 are connected to the corresponding first separate pipes of the inlet section 320 of the main CWHE 300, with three separate refrigerant streams 506 being supplied to the warm end 302 of the main CWHE 300. For example, the three separate pipes of the cavity section 320 may be positioned coaxially with each other. The lining section 320 extends axially along the first axial section A1 of the main CWHE from the cold end 302 to a second or intermediate lining section 322 located between the hot end 302 and the cold end 304. This second lining section 322 extends along the second axial section A2 CWHE.

Во второй или промежуточной секции 322 внутритрубного пространства главного CWHE три отдельные трубы секции 320 внутритрубного пространства объединены с формированием одной трубки, за счет чего смешиваются три отдельных потока 506 хладагента с получением одного потока хладагента, обозначенного 508 на Фиг. 1. Осевое положение второй или промежуточной секции 322 внутритрубного пространства между холодным концом 302 и теплым концом 304 главного CWHE 300 выбраны с обеспечением достаточного охлаждения хладагента между теплым концом 302 и промежуточной секцией 322 внутритрубного пространства, а значит, его достаточной конденсации для обеспечения выравнивания давления.In the second or intermediate inlet section 322 of the main CWHE, three separate pipes in the inlet section 320 are combined to form a single tube, thereby mixing three separate refrigerant streams 506 to form a single refrigerant stream, designated 508 in FIG. 1. The axial position of the second or intermediate tubular section 322 between the cold end 302 and the warm end 304 of the main CWHE 300 is selected to ensure that the refrigerant between the warm end 302 and the intermediate tubular section 322 is sufficiently cooled and therefore condensed sufficiently to ensure pressure equalization.

Слияние труб первой секции 320 внутритрубного пространства с формированием единой трубки в промежуточной секции 322 внутритрубного пространства может быть достигнуто, например, за счет обеспечения кольцевого трубопровода в промежуточной секции внутритрубного пространства.Merging the tubes of the first tubular section 320 to form a single tube in the intermediate tubular section 322 can be achieved, for example, by providing an annular conduit in the intermediate tubular section.

Затем единый поток 508 хладагента снова разделяют на три отдельных потока 510 хладагента, которые впоследствии перекачивают по трем отдельным трубам третьей секции 324 внутритрубного пространства к холодному концу 304 главного CWHE 300. Третья секция 324 внутритрубного пространства проходит в осевом направлении вдоль третьей осевой секции A3 теплообменника CWHE. Эти трубы третьей секции 324 внутритрубного пространства могут быть, например, снова расположены соосно друг с другом, например, с соосным распределением размера и порядка.The single refrigerant stream 508 is then again divided into three separate refrigerant streams 510, which are subsequently pumped through three separate pipes of the third shell section 324 to the cold end 304 of the main CWHE 300. The third shell section 324 extends axially along the third axial section A3 of the CWHE heat exchanger. . These tubes of the third cavity section 324 may, for example, again be arranged coaxially with each other, for example with a coaxial distribution of size and order.

На холодном конце 304 каждый из трех отдельных труб секции 324 внутритрубного пространства соответственно соединен с одним из трех отдельных трубопроводов 610, каждый из которых снабжен управляющим клапаном 620, посредством которого можно по отдельности управлять потоком через соответствующие трубопроводы 610 и, таким образом, через трубы секции 324 внутритрубного пространства. Каждый из трубопроводов 610 также оснащен датчиком 640 температуры (ТД) для определения температуры внутри каждого трубопровода 610. Управляющие клапаны 620 и датчик 640 температуры могут быть, например, соединены с контроллером 650 (показан схематично).At the cold end 304, each of the three separate pipes of the in-tube section 324 is respectively connected to one of three separate conduits 610, each of which is equipped with a control valve 620 by means of which the flow through the corresponding conduits 610 and thus through the pipes of the section can be individually controlled 324 in-tube space. Each of the conduits 610 is also equipped with a temperature sensor 640 (TD) to determine the temperature within each conduit 610. Control valves 620 and temperature sensor 640 may, for example, be coupled to a controller 650 (shown schematically).

Например, на основании температур хладагента, измеренных в соответствующих трубопроводах 610, можно определять эффективность охлаждения в соответствующих трубах в секции 324 внутритрубного пространства. Например, при обнаружении слишком высокой температуры в определенном трубопроводе 610 и, таким образом, в соответствующем трубке секции внутритрубного пространства 324 соответствующий управляющий клапан 620 можно отрегулировать с возможностью проведения меньшего потока через трубопровод 610 и, таким образом, через упомянутую трубу секции 324 внутритрубного пространства. Поскольку меньший поток будет взаимодействовать с таким же количеством нисходящей хладагентной пленки в межтрубном пространстве, как будет дополнительно объяснено ниже, охлаждение может быть более эффективным. Управление управляющими клапанами преимущественно осуществляют с обеспечением одинаковых или по существу одинаковых температур во всех трубах секции 324 внутритрубного пространства.For example, based on the refrigerant temperatures measured in the respective pipes 610, the cooling efficiency in the corresponding pipes in the inside section 324 can be determined. For example, if a temperature is detected to be too high in a particular conduit 610 and thus in the corresponding tube of the inside section 324, the corresponding control valve 620 can be adjusted to allow less flow through the conduit 610 and thus through said tube of the inside section 324. Since less flow will interact with the same amount of descending refrigerant film in the annulus, as will be further explained below, cooling can be more efficient. The control valves are advantageously controlled to ensure equal or substantially equal temperatures in all tubes of the inline section 324.

Благодаря обеспечению одной объединенной трубы в секции 322 внутритрубного пространства главного CWHE 300 можно предотвратить влияние управления потоком через трубопроводы 610 и секцию 324 внутритрубного пространства с помощью регулировочных клапанов 620 непосредственно на находящееся выше по потоку оборудование, например на первую секцию 320 внутритрубного пространства, трубопроводы 602 или на первый CWHE 200.By providing a single integrated pipe in the tubular section 322 of the main CWHE 300, flow control through conduits 610 and tubular section 324 by control valves 620 can be prevented from directly affecting upstream equipment, such as the first tubular section 320, conduits 602, or for the first CWHE 200.

Затем три трубопровода 610 на холодном конце главного CWHE 300 снова объединяют с получением дополнительного единого потока хладагента 512 на холодном конце главного CWHE 300. Этот поток 512 перекачивают через дополнительный единый трубопровод 612, на котором предусмотрено расширение или клапан 630 Джоуля — Томпсона. В результате расширения потока 512 хладагента, протекающего по трубопроводу 612, хладагент может быть дополнительно охлажден. Таким образом, дополнительно охлажденный поток хладагента, обозначенный 514, далее подается в межтрубное пространство главного CWHE 300, в котором он опускается от холодного конца 304 к теплому концу 302 в виде нисходящей испаряющейся тонкой пленки, вступающей в теплообменное взаимодействие с соответствующими секциями внутритрубного пространства, как коротко описано выше. Благодаря такому взаимодействию обеспечивается эффективное охлаждение СПГ, а также хладагента, проходящего через секции 320, 324 внутритрубного пространства от теплого конца 302 к холодному концу 304 главного CWHE. Таким образом возможно эффективное переохлаждение, в первую очередь, СПГ, проходящего через секции внутритрубного пространства. После отведения из главного CWHE (в виде потока 406) переохлажденный СПГ целесообразно направлять на хранение.The three conduits 610 at the cold end of the main CWHE 300 are then combined again to produce an additional single refrigerant stream 512 at the cold end of the main CWHE 300. This stream 512 is pumped through an additional single conduit 612, which is provided with an expansion or Joule-Thompson valve 630. As a result of the expansion of the refrigerant stream 512 flowing through the conduit 612, the refrigerant can be further cooled. Thus, the further cooled refrigerant stream, designated 514, is then fed into the annulus of the main CWHE 300, in which it descends from the cold end 304 to the warm end 302 in the form of a descending evaporating thin film, which enters into heat exchange interaction with the corresponding sections of the annulus, as briefly described above. This interaction provides efficient cooling of the LNG as well as the refrigerant passing through the inline sections 320, 324 from the warm end 302 to the cold end 304 of the main CWHE. In this way, effective subcooling is possible, first of all, of LNG passing through sections of the in-line space. After being removed from the main CWHE (as stream 406), it is advisable to send the supercooled LNG for storage.

Как объяснено выше, посредством регулирования управляющих клапанов 620 можно управлять потоком хладагента через секцию 324 внутритрубного пространства.As explained above, by adjusting the control valves 620, the flow of refrigerant through the tubular section 324 can be controlled.

После достижения теплого конца 302 главного CWHE 300, хладагент, нисходящий по межтрубному пространству, отводится из главного CWHE (308) и, при необходимости, рециркулируется для дальнейшего использования.After reaching the warm end 302 of the main CWHE 300, the refrigerant flowing down the annulus is removed from the main CWHE (308) and, if necessary, recycled for further use.

Резюмируя некоторые преимущества аксиального разделения главного CWHE на различные отдельные секции внутритрубного пространства, как описано выше, и объединения труб секции 320 внутритрубного пространства во второй или промежуточной секции внутритрубного пространства для выравнивания давления, необходимо повторно отметить, что в результате управление потоком с помощью клапанов 620 повлияет только на третью секцию внутритрубного пространства, т. е. на область между промежуточной или второй секцией внутритрубного пространства и холодным концом 304 CWHE. Эта область представляет собой критическую область, из-за того, что в ней необходимо обеспечить конечную температуру и давление СПГ.In summarizing some of the advantages of axially dividing the main CWHE into various separate shell sections as described above, and combining the pipes of the shell section 320 into a second or intermediate shell section to equalize the pressure, it must be reiterated that the resulting flow control by valves 620 will affect only to the third casing section, i.e. the area between the intermediate or second casing section and the cold end of the 304 CWHE. This region is a critical region due to the fact that it must provide the final temperature and pressure of the LNG.

Осевое расположение промежуточной секции 322 внутритрубного пространства может быть выбрано в соответствии с различными критериями, в зависимости от конкретных требований. Например, преимущественным будет выбор осевого положения, благодаря которому будет обеспечено достаточное охлаждение хладагента, протекающего по внутритрубному пространству, с возможностью предотвращения разделения фаз при повторном разделении потока хладагента между промежуточной секцией внутритрубного пространства и холодным концом. Кроме того, осевое положение можно выбирать с возможностью обеспечения одинаковой или сходной потери давления в соответствующих трубах секций внутритрубного пространства. Кроме того, осевое положение может быть выбрано с обеспечением одинаковых или похожих размеров труб или пучков труб выше и ниже по потоку от промежуточной секции внутритрубного пространства и/или отдельных труб выше и/или ниже по потоку от промежуточной секции внутритрубного пространства.The axial location of the intermediate cavity section 322 can be selected according to various criteria depending on the specific requirements. For example, it will be advantageous to select an axial position that will provide sufficient cooling of the refrigerant flowing through the inline space, with the ability to prevent phase separation when the refrigerant flow is re-divided between the intermediate section of the inline space and the cold end. In addition, the axial position can be selected to provide the same or similar pressure loss in the respective pipes of the in-tube sections. In addition, the axial position may be selected to provide the same or similar dimensions of pipes or bundles of pipes upstream and downstream of the intermediate casing section and/or individual pipes upstream and/or downstream of the intermediate casing section.

Claims

1. A method of operating a main spiral heat exchanger (300) (CWHE) having a warm end (302) and a cold end (304), the CWHE (300) having a tube space (330) provided with a tube bundle (332) and including a plurality of sections (320, 322, 324) of the in-line space, including the first (320), second (322) and third (324) sections of the in-line space for pumping the mass flow to be cooled and at least two separate streams (506–510) of coolant from the warm end (302) to the cold end (304), and a annulus (334) for pumping a refrigerant flow (514) from the cold end (302) to the warm end (304), the method including the following steps:

- supplying at least two first separate refrigerant streams (506) to the warm end (302) of the CWHE into at least two separate pipes of the first in-line section (320) and pumping at least two separate refrigerant streams into the second in-line section (322) space CWHE, located between the warm end (302) and the cold end (304),

- mixing at least two separate refrigerant streams (506) in the second casing section (322) to provide a first single refrigerant stream (508),

- re-splitting the first single refrigerant stream (508) to supply two separate pipes in the third section (324) of the plenum with at least two additional separate refrigerant streams (510) and pumping at least two additional separate refrigerant streams (510) to the cold end (304),

- mixing at least two additional separate refrigerant streams (510) at the cold end (304) to provide a second single refrigerant stream (512),

- expanding the second single refrigerant stream (512) to provide an expanded refrigerant stream (514) and

- supplying an expanded refrigerant flow (514) to the annulus (334) at the cold end (304).

2. The method of claim 1, wherein the mass flow of at least one of the at least two additional separate refrigerant streams (510) is controlled by at least one control valve (620), wherein the at least one control valve is controlled by a controller (650).

3. The method of claim 1 or 2, wherein the at least two first separate refrigerant streams (506) are streams exiting the cold side (204) of an additional heat exchanger (200), preferably an additional CWHE provided upstream of the main one CWHE (300).

4. A method according to any one of the preceding claims, wherein the mass stream to be cooled is a mass stream of natural gas (NG) or liquefied natural gas (LNG).

5. Method according to any one of paragraphs. 2-4, wherein the temperature of each of at least two additional separate refrigerant streams (510) is monitored by temperature measuring means (640), wherein the temperature measuring means provides temperature data to the controller (650).

6. The method as claimed in any one of the preceding claims, wherein the expanded refrigerant stream (514) is pumped from the cold end (304) to the warm end (302) through the annulus (314) of the main CWHE (300).

7. A heat exchange system comprising a main spiral heat exchanger (300) (CWHE) having a warm end (302), a cold end (304) and a tube space (330) provided with a tube bundle (332) and including a plurality of sections (320, 322, 324) of the in-line space, including the first (320), second (322) and third (324) sections of the in-line space for pumping the mass flow to be cooled and at least two refrigerant flows from the warm end (302) to the cold end (304) , and a annulus (334) for pumping a refrigerant flow from a cold end (304) to a warm end (302), the annulus (330) comprising

- at least two separate pipes of the first section (320) of the inline space, configured to pump two first separate flows of refrigerant (506) from the warm end to the second section (322) of the inline space located between the warm end and the cold end,

means (322) for mixing at least two separate refrigerant streams (506) in the second casing section (322) to provide a first single refrigerant stream (508),

- means (322) for re-dividing the first single refrigerant stream (508) to provide at least two additional separate refrigerant streams (510),

- at least two additional separate pipes of the third section (324) of the in-tube space, configured to pump two additional separate flows (510) of refrigerant to the cold end (304),

- means for mixing at least two additional separate refrigerant streams (510) at the cold end (304) to provide a second single refrigerant stream (512),

- means (630) for expanding the second single refrigerant stream to provide an expanded refrigerant stream (514) and

- means for supplying an expanded flow (514) of refrigerant into the annulus (334) at the cold end (304).

8. The system of claim 7, comprising at least one control valve (620) for controlling the mass flow of at least one of at least two additional separate refrigerant streams (324), wherein the at least one control valve is controlled by a controller (650 ).

9. The system of claim 7 or 8, comprising an additional heat exchanger (200), preferably an additional CWHE, wherein the at least two first separate refrigerant streams (506) are streams exiting the cold side (204) of the additional heat exchanger (200).

10. The system according to any one of paragraphs. 7–9, designed to cool the NG or LNG mass flow.

11. The system according to any one of paragraphs. 7-10, comprising temperature measuring means (640) configured to monitor the temperature of each of at least two additional separate refrigerant streams (510) and transmit the temperature data to the controller (650).