李首霖，姜曉川，郭淑英

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽(yáng)110869）

往復(fù)壓縮機(jī)冷卻器的工藝計(jì)算

李首霖，姜曉川，郭淑英

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽(yáng)110869）

以往復(fù)壓縮機(jī)用的冷卻器工藝計(jì)算為例，簡(jiǎn)述了應(yīng)用HTRI軟件對(duì)冷卻器進(jìn)行工藝計(jì)算的方法以及實(shí)用意義。

往復(fù)壓縮機(jī)；冷卻器；HTRI；工藝計(jì)算

1 引言

往復(fù)壓縮機(jī)主要應(yīng)用于石油煉化和煤化工行業(yè)，近年來(lái)，隨著我國(guó)石油煉化等行業(yè)的大發(fā)展，為往復(fù)壓縮機(jī)行業(yè)的整體進(jìn)步與發(fā)展提供了很大的空間，與此同時(shí)對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性提出了更高的要求。而壓力容器作為往復(fù)壓縮機(jī)不可缺少的輔助設(shè)備，在確保機(jī)組平穩(wěn)正常運(yùn)行中發(fā)揮著極其重要的作用。往復(fù)壓縮機(jī)用壓力容器主要包括：緩沖器、氣液分離器以及冷卻器。其中，冷卻器作為多級(jí)壓縮機(jī)不可或缺的重要組成部分，其工藝計(jì)算是冷卻器設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，其計(jì)算的優(yōu)劣程度直接決定了冷卻器的冷卻效果與換熱能力，影響著冷卻器設(shè)計(jì)、制造的難易程度和成本高低。但隨著工藝介質(zhì)日趨復(fù)雜，有些介質(zhì)在冷卻過(guò)程中出現(xiàn)相變等現(xiàn)象，原換熱計(jì)算軟件已無(wú)法滿足計(jì)算要求，而HTRI傳熱計(jì)算軟件，能夠滿足在冷卻過(guò)程中出現(xiàn)相變的工藝條件的計(jì)算。因此，決定采用HTRI傳熱計(jì)算軟件對(duì)冷卻器進(jìn)行換熱計(jì)算，確保工藝計(jì)算的完整和準(zhǔn)確。

2 計(jì)算實(shí)例

現(xiàn)以山西潞安（集團(tuán)）有限責(zé)任公司已投入使用的大型往復(fù)壓縮機(jī)用的冷卻器進(jìn)行的計(jì)算為例來(lái)說(shuō)明HTRI軟件的具體應(yīng)用。

2.1 冷卻器的設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)參數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)態(tài)氣量為18041 Nm3/h，氣體組分：釋放氣，氣體壓力為2720 kPa，為滿足工藝要求，氣體需從106℃冷卻至40℃，氣體上進(jìn)下出，冷卻水進(jìn)口30℃，出口42℃，用戶根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試水質(zhì)，協(xié)議指定水側(cè)的污垢熱阻為3.44X10-4W/M2.K，且要求滿足循環(huán)水側(cè)最大壓降不得超過(guò)70 kPa。

經(jīng)過(guò)粗算，初步確定結(jié)構(gòu)型式為U形管，冷卻器的外形如圖1，管內(nèi)走釋放氣，殼體內(nèi)走冷卻水。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：管束可以在殼體內(nèi)自由伸縮，補(bǔ)償由溫差帶來(lái)的熱膨脹，避免了熱應(yīng)力的存在，具有較好的綜合性能。

2.2 冷卻器的工藝計(jì)算

基本參數(shù)（如表1）和相關(guān)尺寸輸入到軟件的輸入界面，其中包括：冷卻器的結(jié)構(gòu)尺寸、進(jìn)口氣體壓力、冷卻水壓力、進(jìn)出口氣體溫度、冷卻水溫度、污垢系數(shù)、氣體質(zhì)量流量等。

在填入?yún)?shù)時(shí)，需注意以下事項(xiàng)：

（1）輸入氣體介質(zhì)組分時(shí)，要在熱流體組分卡項(xiàng)輸入，并且選擇“VMG Thermo”數(shù)據(jù)庫(kù)，“VMG Thermo”數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)廣泛使用，且通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的，關(guān)于流體介質(zhì)物理性質(zhì)的計(jì)算軟件，數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋幾千種不同的介質(zhì)組分。

（2）HTRI需要我們預(yù)先判斷熱流體、冷流體分別在進(jìn)、出口的狀態(tài)，純氣體的“氣體百分比”為“1”，純液體的“氣體百分比”為“0”，氣液混合的“氣體百分比”則為0～1之間的小數(shù)。由于釋放氣在冷卻過(guò)程中出現(xiàn)液化現(xiàn)象，在輸入出口熱流體氣體百分比時(shí)，可先輸入0～1之間的小數(shù)，通過(guò)校核計(jì)算，計(jì)算出準(zhǔn)確的出口氣體百分比，再重新輸入到輸入界面，進(jìn)行復(fù)算。

（3）GB151《管殼式換熱器》是我國(guó)設(shè)計(jì)、制造冷卻器使用的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，所以，在我們?cè)O(shè)計(jì)冷卻器時(shí)，必須按照GB151的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。但是，HTRI軟件是根據(jù)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)有一定區(qū)別。因此，應(yīng)在軟件中找到GB151關(guān)于冷卻器每一項(xiàng)結(jié)構(gòu)尺寸的對(duì)話框，按照GB151標(biāo)準(zhǔn)輸入數(shù)值，這樣可以設(shè)計(jì)出符合我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的冷卻器。

2.3 參數(shù)的調(diào)整

參數(shù)輸入后，運(yùn)行軟件，通過(guò)運(yùn)算，關(guān)注計(jì)算報(bào)告中換熱余量、換熱面積、傳熱系數(shù)、氣液體流速等結(jié)果，如果出現(xiàn)報(bào)警或者不符合規(guī)定的數(shù)值可以作出相應(yīng)調(diào)整，在調(diào)整時(shí)可以主要從以下幾方面考慮：

（1）冷卻器的換熱面積是否能夠滿足換熱需求，保證換熱面積余量；

（2）安全余量是否符合用戶要求和常規(guī)設(shè)計(jì)中一般規(guī)定；

（3）釋放氣流速和冷卻水側(cè)流速是否符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；

（4）水側(cè)壓降是否符合協(xié)議規(guī)定；（5）流體分布比例是否合理。

2.4 計(jì)算報(bào)告分析

（1）通過(guò)運(yùn)算，發(fā)現(xiàn)報(bào)告中氣體出口組分氣體所占百分比為“0.909”且出現(xiàn)“*”，“*”在軟件中是為了引起設(shè)計(jì)人員注意而標(biāo)示的，通常是由嚴(yán)重的錯(cuò)誤引起，表明此處數(shù)據(jù)需特別注意。經(jīng)過(guò)分析，“*”產(chǎn)生是由于釋放氣在冷卻過(guò)程中發(fā)生了相變，出現(xiàn)了液化現(xiàn)象。此種情況下，我們按照?qǐng)?bào)告提示在輸入界面的“出口氣液百分比”輸入“0.909”，再次運(yùn)行，當(dāng)“*”消失，表明輸入和輸出是相符的了。

（2）如表2所示為流體分布，可以理解為流體（殼程）都分別通過(guò)了那些地方，從這些地方通過(guò)的流體占全部流體的百分比。

表2 流量百分比

流路A：折流板的管孔和換熱管管壁之間的間隙形成的流路。

流路B：橫向掠過(guò)換熱管的流動(dòng)，此數(shù)值越大越好。

流路C：換熱管和殼體內(nèi)壁之間間隙形成的流路。

流路E：折流板邊緣和殼體內(nèi)壁之間形成的泄漏流路。

流路F：管程分隔隔板導(dǎo)致少排管子而形成的

流道中的泄漏流。

由以上含義我們可以看出，其中流路B所占有的百分比越大則越有利于換熱，是我們所希望得到的，但在通常情況下流路B很難達(dá)到一個(gè)理想的百分比，此臺(tái)冷卻器流路B為0.558，已經(jīng)達(dá)到了較為理想的數(shù)值。

（3）對(duì)于一臺(tái)冷卻器，純逆流狀態(tài)是最理想的情況，但是對(duì)于多管程、殼程換熱器很難做到，所以所設(shè)計(jì)出來(lái)的冷卻器能否實(shí)現(xiàn)“換熱”作用，需要一個(gè)判定的方法。當(dāng)一臺(tái)設(shè)備所有參數(shù)輸入完畢并進(jìn)行計(jì)算后，我們可以查看該冷卻器的熱交換曲線，如圖2所示。

圖2

圖2 中橫坐標(biāo)為管束長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)為溫度，如果冷熱流體的2條曲線沒(méi)有交點(diǎn)，則說(shuō)明此臺(tái)設(shè)備設(shè)計(jì)是合理的，換熱過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)，如果有交點(diǎn)（俗稱“假點(diǎn)”），說(shuō)明換熱過(guò)程在實(shí)際工作中不可能實(shí)現(xiàn)，即使有足夠的換熱裕量也是難以實(shí)現(xiàn)的。圖2中顯示冷熱流體2條曲線無(wú)交點(diǎn)，說(shuō)明該冷卻器可以在實(shí)際工作中實(shí)現(xiàn)換熱效果。

3 結(jié)論

應(yīng)用上述軟件對(duì)壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器進(jìn)行工藝計(jì)算，能夠保證：

（1）冷卻器的換熱面積和換熱余量準(zhǔn)確；

（2）分析出工藝流體在冷卻器內(nèi)發(fā)生的物性變化過(guò)程；

（3）準(zhǔn)確計(jì)算出相變介質(zhì)析出液體的含量，以及出口介質(zhì)組分；

（4）根據(jù)運(yùn)行報(bào)告提示，可以對(duì)冷卻器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

運(yùn)用HTRI計(jì)算方法對(duì)冷卻器進(jìn)行工藝計(jì)算已經(jīng)得到山西潞安（集團(tuán)）有限責(zé)任公司項(xiàng)目組和設(shè)計(jì)院專家的一致認(rèn)可。目前，為山西潞安（集團(tuán)）有限責(zé)任公司油品合成裝置項(xiàng)目往復(fù)壓縮機(jī)所配套的冷卻器在用戶現(xiàn)場(chǎng)投入使用，經(jīng)用戶反饋，冷卻器運(yùn)行穩(wěn)定、冷卻效果良好。實(shí)踐證明，利用HTRI軟件進(jìn)行冷卻器工藝計(jì)算具有一定的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。

[1]郁永章，等.容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：868-894.

[2]錢(qián)頌文，等.換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：1-14.

[3]活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)編寫(xiě)組.活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1974：439-516.

Process Calculation for Reciprocating Compressor Cooler

LI Shou-lin,JIANG Xiao-chuan,GUO Shu-ying
(Shenyang Blower Works Group Corporation,Shenyang 110869,China)

Set the process calculation for reciprocating compressor cooler as an example,this paper briefly specified the process calculation method for cooler applying HTRI software and the practical meanings.

reciprocating compressor；cooler；HIRI；process calculation

TH457

B

1006-2971（2015）03-0042-03

李首霖（1987-），男，本科，助理工程師，畢業(yè)于遼寧工業(yè)大學(xué)，就職于沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司往復(fù)機(jī)事業(yè)部，從事壓力容器設(shè)計(jì)工作。

2015-03-05