低溫環境中空冷器設計方面的研究

王安寅

摘 要：在石油化工行業中，空冷器是其中煉油工藝中最為關鍵的靜設備，在空冷器設計過程中，由于部分作業現場在冬天具有較低的環境溫度，為了確保空冷器可以在低溫穩定的運行，有必要對低溫環境中空冷器進行合理的設計。鑒于此，文章將對低溫環境中空冷器設計方面進行著重的研究。

關鍵詞：低溫環境；空冷器設計；研究

中圖分類號：TB65 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）27-0083-02

Abstract： In petrochemical industry， air cooler is the most important static equipment in oil refining process. In the design process of air cooler， some operation sites have low ambient temperature in winter. In order to ensure that the air cooler can operate stably at low temperature， it is necessary to design the air cooler reasonably in the low temperature environment. In view of this， the article will focus on the design of air coolers in the low temperature environment.

Keywords： low temperature environment； air cooler design； research

在石油化工領域當中，空冷器是其中必要的工藝設備，并且對最終的石油化工產品質量有著極為重要的作用。此外，隨著空冷器使用范圍的不斷擴大，其在寒冷地區的可靠使用逐漸受到行業內人士的關注。因此，為了確?？绽淦骺梢栽诤涞貐^可靠的使用，需要對低溫環境中空冷器設計加大研究力度，對于今后空冷器行業的發展有著極為重要的意義。

1 空冷器在低溫環境中使用時產生的問題

我國部分地區在冬季與夏季存在較大的氣溫溫差，并且部分地區的冬季氣溫可達-40℃左右。其中，如在我國東北地區使用空冷器，在某些低溫情況中下，部分空冷器各管排間的熱負荷會出現不均勻，并且會導致不凝氣的出現，對空冷器實際運行效果造成影響。另外，如果空冷器存在設計不當的問題，其通常在一般氣溫條件下運行還好，但是在溫度較低的環境下便會將設計不當的問題暴露出來。在空冷器正常工作狀態下，空冷器最下部的換熱管與頂部的換熱管與冷空氣的接觸存在不同的先后順序，并且蒸汽冷凝區域與冷卻區域在換熱基管中的分布也是不同的。如圖1所示，由于冷空氣首先與空冷器底部換熱基管進行接觸，一旦冷凝在空冷器最上部的排管末端終止，則在底排管，冷凝在管子中間的某一點終止，其余管長形成冷卻區，并且冷凝液一旦出現過冷卻現象，則難免會導致凍結現象在低溫環境中形成。如圖2 所示，其表示蒸汽冷凝器因不凝氣大量聚集所引發的問題。其中，由于空冷器中的第二排換熱管冷凝的蒸汽量小于第一排的冷凝蒸汽量，所以壓力降在第二排換熱管中表現的更低。此時，如果空冷器出口管箱的操作壓力與入口管箱處的壓力和流體經過第二排管時的壓力降相減的值相等，則會造成第一排管的出口壓力小于出口管箱的壓力。因此，此時蒸汽便會第一排換熱管的兩側，并導致第一排換熱管兩端出現不凝氣累積，并累積會延伸到管長AB。待出口管箱處的壓力與第一排換熱基管的末端壓力相等后，流經第一排換熱基管的蒸汽方可進入出口管箱。與此同時，流經第一排管的不凝氣的蒸汽流量降低，從而使得AB段的換熱管外壁溫度變低。當AB段管子流經冷凝水后，會導致凝結水出現凍結，從而有必要采取措施將凝氣排出。

2 防止流體在管內凝固和凍結的措施

防止流體在管內凝固和凍結的措施主要有：（1）采取措施均勻分配空冷器換熱基管內的流體。（2）對空冷器中風機的送風量進行調整，并在管束上方設置百葉窗的同時，將風機中的電機更改為變頻電機，如果存在劇烈的溫度變化，則可通過變頻電機對送風量進行調節，有助于防止凍結問題的發生。（3）為了防止管束中的流體介質出現過冷卻現象，可將換熱管基管的外徑增加或者采用低翅化比的翅片。（4）將蒸汽排管設計在管束下方，如過氣溫過低，蒸汽盤管可以將管束最下部的換熱管進行加熱，避免介質出現凍結。（5）在冬季采用順流換熱，而在夏季將換熱改為逆流換熱。進入到冬季之后，冷流體首先與高溫工藝流體發生接觸，但是高溫工藝流體粘度小，不易出現凝固，待流體溫度降低后，由于外部空氣已經處于加熱后的狀態，則便不會出現凝固問題。然而，盡管凝固風險得到排除，但是會降低傳熱溫差，所以需要增加傳熱面積才能保證換熱效果。所以，在冬季為逆流傳熱，而在夏季則改為順流傳熱。（6）空冷器可設計為熱風循環式，以便防止內部流動的介質出現凍結問題，并且有助于嚴格控制介質的出口溫度。

3 熱風循環式空冷器的型式

通過大量實例證明，熱風循環式空冷器可以低溫環境下有效的防止工藝介質出現凝結。對于熱風循環式空冷器來講，其通常具有以下幾種形式。

3.1 鼓風式內部熱風循環空冷器

空冷器型式可采用鼓風式內部熱風循環空冷器，其中，在此種形式空冷器當中，內部的一臺風機可以調角工作，如果溫度處于極端低溫狀態下，調角風機可以在通過改變葉片的角度來使空氣流動方向朝著相反的方向吹送，從而保證熱空氣可以在構架中循環。

另外，為了避免向下吹送的氣流受到風速以及風向的影響，需要將2m左右高度的風 設置在風機入口位置，并且可適當調節風機的標高。在風向變化過程中，存在3℃左右的緩沖區間，以免出現風機風向反復變化的情況。同時，當風機吹風方向改變后，應對下部設備承受熱空氣溫度的能力進行綜合的考慮。對于鼓風式內部熱風循環形式的空冷器來講，此種形式的空冷器難以將熱空氣與冷空氣進行充分的混合與循環，并且存在冷熱空氣分層流動的問題，如果控制方式存在問題，則存在工藝介質凍結的風險。

3.2 頂部含有百葉窗的鼓風式內部熱風循環空冷器

空冷器型式還可采用頂部含有百葉窗的鼓風式內部熱風循環空冷器。其中，在管束上部設計了百葉窗，有助于熱風循環性能的提升。對于此類空冷器來講，其含有夏季與冬季兩種運行方式。在夏季中，空冷器中的風機的送風方向均向上，并通過控制百葉窗與風機轉速來對介質出口溫度進行控制。在冬季時，空冷器中的一臺風機送風方向出現改變。同時，風機葉片角度可根據出口溫度變化情況進行更改，并根據循環縫的溫度來對百葉窗的開度進行控制。

3.3 鼓風式外部熱風循環空冷器

空冷器型式也可為鼓風式外部熱風循環空冷器，與其它熱風循環空冷器相比，熱風循環通道與百葉窗在空冷器兩側進行布置，同時保證風機送風方向始終保持不變。在冬季時，為了保證循環空氣的溫度，僅需要關閉頂端百葉窗并打開旁路百葉窗即可。

在鼓風外部熱風循環空冷器當中，出口介質的溫度控制只需要對百葉窗進行調節便可實現。另外，盡管溫度控制存在一定上下的浮動，但是在極端低溫環境下，其出口溫度仍然可以保證，同時空氣循環僅通過熱風循環通道便可實現，有助于避免介質凍結問題的出現。

對于外部熱風循環空冷器來講，為了對管束出口溫度進行控制，其需要保證管束的吹送空氣溫度為一定值，并僅通過控制管束的空氣流量便可對空冷器出口溫度進行控制。其中，進入管束的空氣溫度是借助于空氣溫度調節器調節新風、頂部和旁路百葉窗來保持。空氣流量的調節借助于流體出口溫度調節器控制可調風機來實現。在外部熱風循環方式中，風機的最大出力不是在夏季，而是在冬季。原因是在這種條件下，空氣氣流再循環的需要量是最大的，并且無論環境溫度如何，到達管束上的空氣溫度必須保持不變。要根據所要求的混合空氣溫度計算所必須的循環空氣量，然后還要乘上1.5倍（這是對不足的混合氣流的一個安全系數，并且將氣流的變化控制在一定范圍內）。

外部熱風循環可以設計成單側熱風循環，其優點是：節約鋼材。不循環的一側可以和其他空冷器聯接在一起，減少占地面積，便于布置。但通常是按照旁路百葉窗的流通面積在滿足要求的最經濟的排列來選擇。

上述幾種熱風再循環方案有的系統比較復雜，涉及的部件較多，某個部件失靈都會影響整個設備的運行，所以對部件可靠性的要求就比較高。

4 結束語

由此可見，隨著我國空冷器應用范圍的逐步擴大，為了提升其在低溫環境中的使用可靠性，作為制造廠有必要對低溫環境中空冷器的設計加以關注，對于提升空冷器制造企業的市場競爭力有著極為重要的現實意義。

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