一體化燃氣壓縮機用散熱器設計研究

李永康 黃超偉 李彬彬

（河南柴油機重工有限責任公司,河南 洛陽471000）

1 概述

為適應一體化燃氣壓縮機（以下簡稱一體機）工作要求,河柴重工開發了一款新型散熱器。本散熱器除需滿足冷卻液的冷卻外,還需滿足高溫壓縮燃氣的冷卻,以除去燃氣中的大量水分,防止管道和閥體的腐蝕以及凍裂。此外,為避免壓縮燃氣超壓導致散熱器部件及管道炸裂,散熱器需具備超壓放散功能。為保證一體機燃料用燃氣壓力穩定,散熱器應能把壓縮后的燃氣提供給一體機做燃料。由于一體機多在野外油田作業,散熱器還應滿足無人值守要求。

2 技術設計

2.1 散熱器設計參數

根據設計要求,并結合臺架試驗及熱負荷計算得出散熱器設計參數如表1 所示。

表1 散熱器設計參數

2.2 整體設計

散熱器由空冷器部件、水散熱部件、導風罩、膨脹水箱、風扇和傳動機構等組成。散熱器采用立式結構,風扇由發動機通過軸直接驅動,散熱部件、導風罩與風筒為三級梯形結構,尺寸依次變小。散熱器結構如圖1 所示。

2.3 組件設計

2.3.1 空冷器部件設計

空冷器部件用于冷卻壓縮后的高溫天然氣。管片式散熱器密封試驗壓力125kPa,靜壓強度250 kPa[1],遠低于壓縮天然氣工作壓力,無法滿足強度要求,故選用翅片管式。

空冷器部件的百葉窗為箱體結構,側面裝有調整手柄,手柄盤上加工有分度槽,用于調整手柄位置,從而控制百葉窗開度,改變吹過散熱器的空氣流量。

空冷器由管箱和管束組成。管箱為絲堵式,最高承壓達20MPa[2]。

若散熱器管內外流體的溫差較大（50℃以上）時,就可能由于熱應力而引起設備的變形,甚至彎曲或破裂,因此必須考慮這種熱膨脹的影響[3]。鑒于此,管箱兩側的左氣箱和右氣箱一端氣箱固定,一端氣箱浮動,便于翅片管熱脹冷縮。

圖1 散熱器結構圖

左氣箱背面上方設有四個接口。熱流體冷卻后密度增大,流體下沉,所以,為了提高換熱效率,進口在上,出口在下。工藝氣進口、工藝氣出口Ⅰ、工藝氣出口Ⅱ采用對分法蘭連接,出、入口選用帶內外環的金屬纏繞墊片,耐高溫、高壓,緩沖減震。工藝氣放散口為螺紋連接。工藝氣進口連接壓縮后的高溫燃氣,經空冷器部件冷卻后經工藝氣出口Ⅰ排出,工藝氣出口Ⅰ接壓縮燃氣輸出管道。工藝氣出口Ⅱ接一體機燃料供給管道,將冷卻后的壓縮燃氣輸送至除液穩壓罐,減壓后進入一體機動力列。工藝氣放散口連通壓縮燃氣進氣管,工藝氣放散口上安裝安全放散閥,當燃氣超壓時安全放散閥動作泄壓,保證管道、設備安全。左氣箱背面下方設有放水口Ⅱ,安裝手動球閥,用于排放管箱內的冷凝水。

空冷器部件管束采用鼓風式水平管束,管束水平布置,管內熱流體與管外空氣分布比較均勻,換熱均勻,且安裝方便。氣管束采用軋片式鋼鋁復合型翅片管,剛度高、抗腐蝕性能好、傳熱能力強。翅片管呈正三角形排列,該排列管板的強度高,流體走短路的機會少,且管外流體擾動較大,因而對流傳熱系數較高,且相同殼程內可排列更多的管子[3]。

散熱器與一體機剛性連接且共用底座,振動較大,易導致天然氣泄露。該工況對空冷器部件的抗震性和密封性提出了較高的要求,為保證其良好的抗震和密封性能,翅片管與管板采用“強度焊+貼脹”連接形式[2]。

空冷器部件詳細參數見表2。

2.3.2 水散熱部件設計

水散熱部件用于冷卻一體機冷卻液。由于水泵出口壓力僅70kPa,壓力較低,故選用管片式結構,管片式結構強度高,適用于振動較大,工況惡劣的場合[4]。

水散熱部件位于空冷器部件上方,二者焊接連接。由于二者承壓不同,所以管箱采用不同材質,且水散熱部件的水箱與空冷器部件的氣箱結構獨立。

水散熱部件由管箱和散熱芯子組成。管箱兩側設有左水箱和右水箱（從散熱器正面看）。右水箱背面設有兩個接口,分別為冷卻液進口和冷卻液出口,冷卻液進口在上,冷卻液出口在下。冷卻液進口和出口采用對分法蘭連接,出、入口選用帶內外環的金屬纏繞墊片。冷卻液進口接一體機的高溫回水,經水散熱部件冷卻后經冷卻液出口進一體機。右水箱背面的下方設有放水口Ⅰ,安裝手動球閥,在散熱器檢修或一體機停用時用其排放冷卻液。右水箱背面的上方設有排氣孔,空氣經排氣孔排入膨脹水箱。散熱芯子為管片式,散熱管采用無縫銅管,散熱片采用H68 材質,換熱能力強。為增大散熱面積,散熱管采用扁管。散熱管水平布置,正三角形排列。水散熱部件詳細參數見表3。

表3 水散熱部件參數

2.3.3 導風罩設計

導風罩位于散熱部件之后,保證冷卻空氣全部通過散熱器。導風罩為方箱結構,結構簡單、加工方便,采用鋼板焊接而成,其兩側的上部含有兩個吊耳用于散熱器的起吊。

2.3.4 膨脹水箱設計

膨脹水箱為方箱結構,焊接在導風罩頂部,其上設有膨脹口和補水口。膨脹口位于膨脹水箱上部,通過管道與水散熱部件排氣孔相連。補水口位于膨脹水箱下部,通過管道與水泵進口連接,補償系統冷卻液,同時以泵進口作為定壓點,保證泵的入口壓力,避免氣蝕。

表2 空冷器部件參數

膨脹水箱配置自動補給系統,包含冷卻液儲存箱、電動泵、手動球閥、防爆電磁閥、控制器及管路。膨脹水箱通過管道與冷卻液儲存箱相連,側面裝有液位計,可就地顯示液位并能輸出開關量信號控制電動泵的啟停和防爆電磁閥的開關,實現冷卻液自動補給。

2.3.5 風筒設計

風筒位于導風罩之后,呈圓筒狀,可拆卸安裝。

2.3.6 風扇設計

風扇位于風筒內,為鼓風式停機手動調角型,通過傳動機構與飛輪連接。風扇采用PAG 材質,其輪轂小、有效風量大,且質輕功耗小,降低了發動機功率消耗。風扇為軸流式,效率高,供氣量大。

2.3.7 傳動系統設計

為簡化傳動結構,傳動系統采用傳動軸結構,直接安裝在一體機飛輪上驅動風扇。傳動軸采用優質鋼制造,保證了足夠的強度和剛度。傳動軸外圍設有防護網以保證周圍安全。

3 結論

該散熱器采用全新結構,經現場驗證,通過了一體機高溫、極寒、露天、無人值守作業的考驗。散熱器除滿足一體機冷卻液、高溫壓縮燃氣的冷卻外,還具有燃氣超壓放散、冷卻液自動補給以及為一體機提供壓力穩定的燃料等功能,實現了一體機的無人值守。該散熱器為國內行業首創,對國內頁巖氣、煤層氣、低壓天然氣的開采意義重大。