基于EDR的滑油空冷器優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭 濤，吳旭維，孟祥立，支紀(jì)成，蘭 藍(lán)

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

0 引言

空冷器是石油石化行業(yè)使用的一種換熱設(shè)備，一般由管束、風(fēng)機(jī)、管箱、百葉窗和構(gòu)架等部件組成?？绽淦魇且原h(huán)境空氣為冷卻介質(zhì)，通過橫掠翅片管，使管內(nèi)高溫介質(zhì)得到冷卻的設(shè)備，空冷器又名翅片風(fēng)機(jī)，常用來代替水冷管殼式換熱器來冷卻介質(zhì)。常理來說，水是最理想的冷卻介質(zhì)，故傳統(tǒng)行業(yè)的工業(yè)冷卻系統(tǒng)都是用水作冷卻介質(zhì)。但是自1920年代以來，空冷器由于其特殊適應(yīng)性，逐漸在一些領(lǐng)域中取代水冷換熱器，主要原因如下：①隨著近代工業(yè)的急劇發(fā)展，工業(yè)用水量急劇增加，許多工廠出現(xiàn)大面積缺水的情況，亟需替代原冷卻工質(zhì)；②人們的環(huán)境保護(hù)意識(shí)逐漸增強(qiáng)，而用水會(huì)造成江河湖海的大面積污染；③目前能源日益短缺，要求最大限度節(jié)約能源；④隨著工業(yè)化發(fā)展，大型化設(shè)備越來越多，對(duì)水的需求量也越來越大；⑤空冷技術(shù)的快速發(fā)展在某些固定場合適合替代水冷[1]。

1 空冷器的發(fā)展過程

歷史上第一臺(tái)空冷器誕生于美國西部的一個(gè)煉油廠，采用立式布置管束和自然通風(fēng)，但由于效果不佳，之后沒有得到快速發(fā)展。1930年代，美國開始發(fā)展單面立式和臥式布置的翅片式管束，并用風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)管束，這可以說是空冷器發(fā)展歷史上的一次重要變革。1940年代，開始出現(xiàn)一些比較節(jié)約空間的結(jié)構(gòu)形式，如V形、O形等。在1950年代之前，市場上使用的都是干空氣進(jìn)行冷卻，這不論是從結(jié)構(gòu)形式，還是從操作經(jīng)驗(yàn)上來說都不完善。從1950年代以后，為了擴(kuò)大空冷器的適用范圍和提高冷卻性能，各研究院所開始發(fā)展各種新型空冷器，如增加內(nèi)外熱循環(huán)形式的空冷器，板式空冷器等，以適應(yīng)低氣溫、高黏糊容易冷凝的流體冷卻場合。之后市場上又出現(xiàn)了再熱循環(huán)、自動(dòng)式百葉窗、加熱蒸汽盤管等結(jié)構(gòu)形式的空冷器。為了精確控制工藝介質(zhì)的出口溫度并節(jié)約能源動(dòng)力消耗，發(fā)展了變頻自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速的風(fēng)機(jī)。為了適應(yīng)操作壓力和操作溫度，出現(xiàn)了各種新型結(jié)構(gòu)形式的管束[2]。為了提高空冷器的熱效率和提高其耐腐蝕性能，開發(fā)了多種不同類型的新型翅片管。為了提高風(fēng)機(jī)的效率和降低設(shè)備噪聲，開發(fā)了多種傳動(dòng)形式的葉輪?？傊S著空冷器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，其技術(shù)儲(chǔ)備在逐漸完善。

空冷器的發(fā)展過程大致是：干式空冷—濕式空冷—蒸發(fā)空冷—板式空冷[3]。空氣作為冷卻介質(zhì)，其來源沒有問題，問題是其熱焓太低，其比熱容（1005 J/（kg·K））僅為水的1/4，相同冷負(fù)荷條件下，空氣需求量為水的4倍，而空氣的傳熱系數(shù)又比水小。因此，在通常情況下，空冷器的體積勢必比水冷器大得多。在海洋石油平臺(tái)這種對(duì)空間要求極高的工況下，選擇占地空間大的空冷器有如下原因：在天然氣壓縮機(jī)滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，壓縮機(jī)為絕對(duì)潔凈設(shè)備，一旦出現(xiàn)換熱管破裂、滲漏導(dǎo)致串程，海水等冷卻介質(zhì)通過工藝管線流入壓縮機(jī)，將導(dǎo)致壓縮機(jī)整機(jī)損壞，損失巨大，而空冷器在此工藝流程中適用。在海洋石油平臺(tái)上，空冷器是天然氣壓縮機(jī)潤滑油冷卻系統(tǒng)中的重要附屬設(shè)備，對(duì)滑油系統(tǒng)的冷卻起重要作用，某公司絕大部分壓縮機(jī)滑油冷卻系統(tǒng)采用風(fēng)冷冷卻[4]。空冷器和換熱器在結(jié)構(gòu)形式上有一定的相似性且有成熟的標(biāo)準(zhǔn)，其制造難度不大，難點(diǎn)在于在有限空間內(nèi)對(duì)空冷器尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文根據(jù)海洋石油平臺(tái)特殊工況，對(duì)極限空間空冷器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，尋求最優(yōu)最準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)計(jì)算方案。

2 基礎(chǔ)模型的選取

2.1 實(shí)例模型

為了研究方便，選擇某實(shí)例工程項(xiàng)目空冷器為研究對(duì)象，利用HYSYS軟件對(duì)滑油系統(tǒng)工藝流程工況進(jìn)行模擬，進(jìn)行能量平衡和物料平衡模擬演算，對(duì)演算結(jié)果進(jìn)行分析和研究，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以使流程模擬結(jié)果滿足工藝流程要求。通過流程模擬計(jì)算得到空冷器進(jìn)出口工藝參數(shù)，再進(jìn)行管線尺寸確定。以此為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

表1 某空冷器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)

2.2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)方案

為方便分析計(jì)算，需對(duì)該模型進(jìn)行工藝選型和計(jì)算。

（1）管程數(shù)：利用EDR（ASPEN Exchanger Design&Rating）換熱器設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行試算，選用3管程較為合理。

（2）管子排列：選用正方形排列方式。

（3）換熱管尺寸：外徑16 mm，壁厚2 mm。

2.3 基礎(chǔ)模型

根據(jù)確定的工藝設(shè)計(jì)方案，基礎(chǔ)模型如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)模型

3 空冷器優(yōu)化設(shè)計(jì)

依據(jù)圖1基礎(chǔ)模型，利用相關(guān)軟件進(jìn)行計(jì)算，對(duì)該模型空冷器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，得到最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

3.1 翅片比優(yōu)化設(shè)計(jì)

海洋石油平臺(tái)壓縮機(jī)橇內(nèi)空間極其受限，而空冷器又適宜放置在大底座表面，其結(jié)構(gòu)尺寸直接影響整橇布置，因此，盡量合理優(yōu)化空冷器尺寸和重量具有重要作用。為方便對(duì)比分析，分別用EDR和強(qiáng)度計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)圖1所示的基礎(chǔ)模型，以整臺(tái)空冷器用料量為計(jì)算目標(biāo)，分別選取翅化比為6、9和20進(jìn)行計(jì)算，得到不同翅化比下設(shè)備總重隨熱負(fù)荷變化而變化的結(jié)果，如圖2所示。在相同熱負(fù)荷下，隨著換熱管翅化比的增加，設(shè)備重量先減小后增大，在某一點(diǎn)達(dá)到極值。當(dāng)翅化比為9時(shí)，設(shè)備尺寸最小，設(shè)備重量最小，為最優(yōu)解；當(dāng)翅化比為6時(shí)，設(shè)備總量最重，為最差解。因此，在進(jìn)行空冷器設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，需要根據(jù)市場實(shí)際供貨情況，選擇最合理的翅化比，這樣可以求得最優(yōu)傳熱系數(shù)，對(duì)重量和空間節(jié)省具有現(xiàn)實(shí)意義。

圖2 不同翅化比下設(shè)備總重隨功率的變化趨勢

3.2 管程數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了減小設(shè)備重量和尺寸，通常的做法是在滿足許用壓降的前提下，盡量增加設(shè)備管程數(shù)。為了探究管程數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算的影響，為方便模擬，假設(shè)翅片化比為9，利用EDR和強(qiáng)度計(jì)算軟件分別進(jìn)行工藝計(jì)算和強(qiáng)度計(jì)算，借助FORTRAN語言進(jìn)行分析計(jì)算，得到不同管程數(shù)下重量隨著功率的變化而變化的趨勢，對(duì)比分析結(jié)果如圖3所示。隨著管程數(shù)的增加，設(shè)備重量降低，例如功率為80 kW時(shí)，當(dāng)管程數(shù)分別為2、3和4時(shí)，設(shè)備重量分別為1.05 t、0.86 t和0.74 t，設(shè)備尺寸變化趨勢和重量相同。可見，設(shè)備管程數(shù)對(duì)空冷器整體影響較大，在進(jìn)行壓縮機(jī)滑油系統(tǒng)空冷器設(shè)計(jì)時(shí)，在嚴(yán)格滿足壓力降的前提下，盡量增加設(shè)備管程數(shù)，以減小設(shè)備尺寸和重量。

圖3 不同功率下設(shè)備總重隨管程數(shù)的變化趨勢

4 結(jié)論

以某壓縮機(jī)滑油空冷器為例并建立模型，利用相關(guān)軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)論如下：①隨著翅化比的增加，設(shè)備重量呈現(xiàn)曲線分布，極點(diǎn)附近空冷器重量最小，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該選擇最佳翅化比；②在滿足許用壓降的前提下，增加空冷器管程數(shù)可以較明顯降低空冷器設(shè)備重量和尺寸。

本文對(duì)海洋平臺(tái)壓縮機(jī)滑油空冷器進(jìn)行了計(jì)算分析，按照本文思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以明顯提高空冷器換熱效率，降低設(shè)備尺寸，設(shè)計(jì)方法具有理論和實(shí)際指導(dǎo)意義。