基于EDR的滑油空冷器優化設計

郭 濤，吳旭維，孟祥立，支紀成，蘭 藍

（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使用的一種換熱設備，一般由管束、風機、管箱、百葉窗和構架等部件組成。空冷器是以環境空氣為冷卻介質，通過橫掠翅片管，使管內高溫介質得到冷卻的設備，空冷器又名翅片風機，常用來代替水冷管殼式換熱器來冷卻介質。常理來說，水是最理想的冷卻介質，故傳統行業的工業冷卻系統都是用水作冷卻介質。但是自1920年代以來，空冷器由于其特殊適應性，逐漸在一些領域中取代水冷換熱器，主要原因如下：①隨著近代工業的急劇發展，工業用水量急劇增加，許多工廠出現大面積缺水的情況，亟需替代原冷卻工質；②人們的環境保護意識逐漸增強，而用水會造成江河湖海的大面積污染；③目前能源日益短缺，要求最大限度節約能源；④隨著工業化發展，大型化設備越來越多，對水的需求量也越來越大；⑤空冷技術的快速發展在某些固定場合適合替代水冷[1]。

1 空冷器的發展過程

歷史上第一臺空冷器誕生于美國西部的一個煉油廠，采用立式布置管束和自然通風，但由于效果不佳，之后沒有得到快速發展。1930年代，美國開始發展單面立式和臥式布置的翅片式管束，并用風機驅動管束，這可以說是空冷器發展歷史上的一次重要變革。1940年代，開始出現一些比較節約空間的結構形式，如V形、O形等。在1950年代之前，市場上使用的都是干空氣進行冷卻，這不論是從結構形式，還是從操作經驗上來說都不完善。從1950年代以后，為了擴大空冷器的適用范圍和提高冷卻性能，各研究院所開始發展各種新型空冷器，如增加內外熱循環形式的空冷器，板式空冷器等，以適應低氣溫、高黏糊容易冷凝的流體冷卻場合。之后市場上又出現了再熱循環、自動式百葉窗、加熱蒸汽盤管等結構形式的空冷器。為了精確控制工藝介質的出口溫度并節約能源動力消耗，發展了變頻自動調節風速的風機。為了適應操作壓力和操作溫度，出現了各種新型結構形式的管束[2]。為了提高空冷器的熱效率和提高其耐腐蝕性能，開發了多種不同類型的新型翅片管。為了提高風機的效率和降低設備噪聲，開發了多種傳動形式的葉輪。總之，隨著空冷器應用范圍的擴大，其技術儲備在逐漸完善。

空冷器的發展過程大致是：干式空冷—濕式空冷—蒸發空冷—板式空冷[3]。空氣作為冷卻介質，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，相同冷負荷條件下，空氣需求量為水的4倍，而空氣的傳熱系數又比水小。因此，在通常情況下，空冷器的體積勢必比水冷器大得多。在海洋石油平臺這種對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：在天然氣壓縮機滑油系統設計中，壓縮機為絕對潔凈設備，一旦出現換熱管破裂、滲漏導致串程，海水等冷卻介質通過工藝管線流入壓縮機，將導致壓縮機整機損壞，損失巨大，而空冷器在此工藝流程中適用。在海洋石油平臺上，空冷器是天然氣壓縮機潤滑油冷卻系統中的重要附屬設備，對滑油系統的冷卻起重要作用，某公司絕大部分壓縮機滑油冷卻系統采用風冷冷卻[4]。空冷器和換熱器在結構形式上有一定的相似性且有成熟的標準，其制造難度不大，難點在于在有限空間內對空冷器尺寸進行優化設計。本文根據海洋石油平臺特殊工況，對極限空間空冷器進行優化設計，尋求最優最準確的設計計算方案。

2 基礎模型的選取

2.1 實例模型

為了研究方便，選擇某實例工程項目空冷器為研究對象，利用HYSYS軟件對滑油系統工藝流程工況進行模擬，進行能量平衡和物料平衡模擬演算，對演算結果進行分析和研究，必要時進行適當調整，以使流程模擬結果滿足工藝流程要求。通過流程模擬計算得到空冷器進出口工藝參數，再進行管線尺寸確定。以此為設計基礎進行優化設計并總結相關經驗規律，基礎數據見表1。

表1 某空冷器設計基礎參數

2.2 設計基礎方案

為方便分析計算，需對該模型進行工藝選型和計算。

（1）管程數：利用EDR（ASPEN Exchanger Design&Rating）換熱器設計軟件進行試算，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 基礎模型

根據確定的工藝設計方案，基礎模型如圖1所示。

圖1 基礎模型

3 空冷器優化設計

依據圖1基礎模型，利用相關軟件進行計算，對該模型空冷器進行優化設計研究，得到最優化設計方案。

3.1 翅片比優化設計

海洋石油平臺壓縮機橇內空間極其受限，而空冷器又適宜放置在大底座表面，其結構尺寸直接影響整橇布置，因此，盡量合理優化空冷器尺寸和重量具有重要作用。為方便對比分析，分別用EDR和強度計算軟件進行計算，根據圖1所示的基礎模型，以整臺空冷器用料量為計算目標，分別選取翅化比為6、9和20進行計算，得到不同翅化比下設備總重隨熱負荷變化而變化的結果，如圖2所示。在相同熱負荷下，隨著換熱管翅化比的增加，設備重量先減小后增大，在某一點達到極值。當翅化比為9時，設備尺寸最小，設備重量最小，為最優解；當翅化比為6時，設備總量最重，為最差解。因此，在進行空冷器設計計算時，需要根據市場實際供貨情況，選擇最合理的翅化比，這樣可以求得最優傳熱系數，對重量和空間節省具有現實意義。

圖2 不同翅化比下設備總重隨功率的變化趨勢

3.2 管程數優化設計

為了減小設備重量和尺寸，通常的做法是在滿足許用壓降的前提下，盡量增加設備管程數。為了探究管程數對設計計算的影響，為方便模擬，假設翅片化比為9，利用EDR和強度計算軟件分別進行工藝計算和強度計算，借助FORTRAN語言進行分析計算，得到不同管程數下重量隨著功率的變化而變化的趨勢，對比分析結果如圖3所示。隨著管程數的增加，設備重量降低，例如功率為80 kW時，當管程數分別為2、3和4時，設備重量分別為1.05 t、0.86 t和0.74 t，設備尺寸變化趨勢和重量相同。可見，設備管程數對空冷器整體影響較大，在進行壓縮機滑油系統空冷器設計時，在嚴格滿足壓力降的前提下，盡量增加設備管程數，以減小設備尺寸和重量。

圖3 不同功率下設備總重隨管程數的變化趨勢

4 結論

以某壓縮機滑油空冷器為例并建立模型，利用相關軟件進行優化設計，結論如下：①隨著翅化比的增加，設備重量呈現曲線分布，極點附近空冷器重量最小，設計人員應該選擇最佳翅化比；②在滿足許用壓降的前提下，增加空冷器管程數可以較明顯降低空冷器設備重量和尺寸。

本文對海洋平臺壓縮機滑油空冷器進行了計算分析，按照本文思路進行設計，可以明顯提高空冷器換熱效率，降低設備尺寸，設計方法具有理論和實際指導意義。