燃氣輪機滑油換熱器的分析計算

摘要：換熱器是燃機滑油系統的關鍵部件，本文通過分析燃氣輪機滑油系統的工作原理及技術要求，總結了滑油換熱器的選型原則，并運用理論計算公式推導出冷卻水用水量和總換熱面積的計算公式。最后根據某型燃機的滑油系統參數進行換熱器選型、計算，所選換熱器完全滿足燃機需要。通過本文的研究結果可以對不同的熱負荷需求提出相應的解決方案。

關鍵詞：滑油系統;板式換熱器;分析計算;選型;校核

中圖分類號：TK124 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0045-02

1 ?概述

燃氣輪機機組滑油系統包括燃機滑油和發電機滑油，燃機滑油系統為燃氣輪機提供一定壓力、溫度、流量的潤滑油，發電機滑油系統為發電機提供合適的潤滑油，以滿足燃氣輪機和發電機在正常工作時對潤滑、冷卻、調節的需要。同時發電機滑油還對安裝在減速器內的離合器動作提供足夠的動力油壓及潤滑用油。燃氣輪機和發電機在運行過程中會產生大量的熱量，故潤滑油在循環過程中需要通過換熱器進行冷卻。

2 ?滑油換熱器的要求

滑油換熱器選型的要求[1]：①達到設計所需要的換熱要求;②換熱效率高，熱損小，壓降符合要求;③安裝清洗方便，應用廣泛;④結構緊湊，占地面積小;⑤使用壽命長。

換熱器的種類多種多樣，主要有水冷式（蛇形管式、多管式、波紋板式）、風冷式（板翹式、翅片管式）和冷媒式。

波紋板式換熱器能夠滿足上述特點，它在相同壓力損失情況下，其傳熱系數比列管式換熱器高3-5倍，占地面積為管式換熱器的三分之一。板式換熱器的型式主要有框架式（可拆卸式）和釬焊式兩大類，板片形式主要有人字形波紋板、水平平直波紋板和瘤形板片三種。

3 ?換熱器設計計算

3.1 設計計算理論

設計計算是板式換熱器工程設計的核心，其中包括熱力計算和壓降計算等相關分析計算。板式換熱器不同于傳統的管殼式換熱器，所以不需要任何元件和結構方面的設計，只需要恰當地組合板片并進行產熱計算和壓降計算，得出所需的總換熱面積與板片數。

板式換熱器的熱力計算[3]，設計型或是校核型的計算方法均包括平均溫差法和效能-傳熱單元數法，本文采用平均溫差法（簡稱LMTD法）進行設計、校核計算，設計型和校核型的計算過程如表1。

板式換熱器的計算是一個比較復雜的過程，板式換熱器選型計算中必須考慮的五個參數是：①總傳熱量Q（kW）;②一次側、二次側的進出口溫度;③一次側、二次側的允許壓力降;④最高工作溫度;⑤最大工作壓力。

①換熱熱流量計算公式：

q=m·Cp·Δt ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

②熱負荷計算公式：

Q=K·A·LMTD ? ? ? ? ?（2）

其中：q——換熱熱流量，kJ/h;Q——熱負荷，W;m——質量流速，kg/h;Cp——比熱，kJ/kg·℃;Δt——介質的進出口溫度差，℃;K——總傳熱系數，W/m2·℃;A——傳熱面積，m2;LMTD——對數平均溫差，K;換熱熱流量和熱負荷換算公式為：q=3.6Q。

③總傳熱系數用下式表示：

其中：K——總傳熱系數，W/m2·℃;a1——一次側的換熱系數，W/m2·℃;a2——二次側的換熱系數，W/m2·℃;δ——傳熱板片的厚度，m;λ——板片的導熱系數，W/m·℃;R1、R2——分別為兩側的污垢系數，m2·℃/W。

④散熱損失可以用壁面溫差法求得：

其中：Q'——散熱損失，W;tw——壁面溫度，K;——導熱熱阻，K/W;A——導熱面積;λ——導熱系數。

⑤平均溫差LMTD計算公式為：

其中：T1——熱側進口溫度，K;T2——熱側出口溫度，K;t1——冷側進口溫度，K;t2——冷側出口溫度，K。

⑥冷熱流體的壓力損失計算公式：

其中：V——流體的流速（m/s）

ρ——流體的密度（kg/m3）;L——通路長度（m）;De——流體通路的當量直徑（m）;ε1、ε2——出入冷卻器的損失系數，一般取ε1+ε2=1～1.5;f——摩擦系數，根據換熱面（包括肋片）的幾何形狀與流動的雷諾數確定，f=64/Re

⑦換熱面積計算：

其中：A——換熱器總換熱面積，m2;A’——單片換熱板換熱面積，m2;n——板片總數。

3.2 計算分析

3.2.1 冷側用水量

由換熱熱流量守恒可知，熱側換熱熱流量與冷換熱側熱流量相同，熱側流體進出口溫度分別為T1、T2，冷側冷卻水進出口溫度分別為t1、t2

由q=m·Cp·Δt=m1·Cp1·（T1-T2）=m2·Cp2·（t2-t1）可得：

一般技術要求中已經規定了m1、T1、T2的值，已知換熱介質，即可查出Cp1、Cp2，故冷側用水量與冷側進出口溫度差成反比。

3.2.2 總換熱面積

選定冷卻器型號規格后，即可得知冷卻器單片換熱面積，總換熱面積與換熱器板片數相關，同時與熱負荷相關。

代入公式（5）可得：

熱側技術參數和冷側介質給定后，Q和K為定值，換熱器換熱面積與冷側介質進出口溫度和成正比。

4 ?設計計算校核

某型燃氣輪機滑油換熱器的技術要求為[4]：

冷卻介質：ISO VG46;燃機滑工作流量：770L/min;進油溫度：80℃;出油溫度：60℃;設計壓力：0.689MPa;滑油側最大允許壓降：0.1MPa。

其滑油系統換熱器設計中，根據滑油換熱器的要求和波紋板片換熱器的選型原則，換熱器初步設計為人形波紋板，單程換熱，換熱器板片為316L，板厚0.5mm，接口尺寸：DN100，逆流換熱。根據技術要求參數反復迭代，得出換熱器冷卻水進出口溫度分別為35℃和43℃。

公式中計算油側和水側時用下標1和2來區分不同回路的校核計算。

根據公式（8），計算冷側用水量：

根據公式（9）計算所需換熱面積：

由q=3.6Q得：

Q=q/3.6=1572921.5/3.6=437kW

由Q=K·A·LMTD可得：A0==23.62m2

根據一般換熱面積系數為1.2可得，A=23.62×1.12=26.5m2

Q0=604.6×26.55×30.6=491.2kW

假設冷側進口溫度t1為25-35℃，冷側出口溫度為t2=t1+a，a取5-10℃，可簡要計算得出冷側用水量和總換熱面積，可得冷側用水量與進出口溫度差成反比;總換熱面積與進出口溫度和成正比。

5 ?總結

本文的主要成果和結論如下：

①根據滑油冷卻的技術要求，總結分析了換熱器選型的原則;②列出換熱器進行設計計算和校核計算的一般步驟;對換熱器各項理論計算進行分析計算，推導出冷卻水量和總換熱面積與冷卻水進出口溫度的函數;③本文選型計算出的板式換熱器完全能夠達到工程項目的需求，并校核了總換熱面積、熱負荷、散熱損失及壓降，均能滿足要求;④通過分析得出冷側溫差越大，冷側用水量越小;冷側溫度和越大，換熱器換熱面積越大;⑤同樣工況條件下，如果換熱面積不變，突然增大熱負荷，可以通過同時降低冷側進出口溫度，同時增加冷側用水量即可。

參考文獻：

[1]李冠球.板式換熱器傳熱傳質試驗與理論研究[D].浙江大學，2012.

[2]徐志明，王月明，張仲彬.板式換熱器性能的數值模擬[J].動力工程學報，2011.

[3]張海泉.板式換熱器熱工與阻力性能測試及計算方法研究[D].哈爾冰工業大學，2006.

[4]SGT400滑油冷卻器技術規范.

作者簡介：王敏（1988-），女，山西陽泉人，中級工程師，碩士研究生，主要研究方向為燃氣輪機及發電機滑油系統設計、消防滅火系統設計等。