蒸發(fā)預(yù)冷器在干式空冷器上的應(yīng)用

摘" " " 要： 干式空冷器利用取之不盡的環(huán)境空氣作為冷卻介質(zhì)，是一種非常經(jīng)濟(jì)的冷卻、冷凝設(shè)備，在石油化工行業(yè)里被大量使用。干式空冷器的冷卻效果主要由傳熱系數(shù)、換熱面積和換熱溫差決定。本文主要從換熱溫差入手，引進(jìn)新型蒸發(fā)預(yù)冷器，其不同于傳統(tǒng)噴霧增濕方法，能夠有效降低來流空氣溫度，同時(shí)保護(hù)翅片管。

關(guān)" 鍵" 詞：干式空冷器；蒸發(fā)；降溫；節(jié)能

中圖分類號(hào)：TQ052" " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " "文章編號(hào)： 1004-0935（2024）04-0635-03

空氣冷卻器（簡(jiǎn)稱空冷器）是以環(huán)境空氣作為冷卻介質(zhì)，橫掠翅片管外，使管內(nèi)高溫工藝介質(zhì)得到冷卻或冷凝的設(shè)備，在石油化工行業(yè)里被廣泛使用。空冷器按冷卻方式分類，可分為干式空冷器、濕式空冷器和干濕聯(lián)合式。一般干空冷可以把管內(nèi)熱介質(zhì)冷卻到高于環(huán)境溫度20 ℃，濕空冷可以把介質(zhì)冷卻到高于環(huán)境溫度3～5 ℃，干濕聯(lián)合型可以把介質(zhì)冷卻到接近或低于環(huán)境溫度[1]。因此干式空冷器在夏季高溫天氣時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)冷卻效果不足問題。

1" 干式空冷器介紹

1.1" 干式空冷器常見結(jié)構(gòu)

干式空冷器按管束布置和安裝形式不同，分為水平式空冷器和斜頂式空冷器。一般由管束、管箱、風(fēng)機(jī)、百葉窗和構(gòu)架等主要部分組成，如圖1所示。

1.2" 干式空冷器特點(diǎn)

干式空冷器主要靠空氣升溫顯熱來冷卻管內(nèi)介質(zhì)[1]，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、維護(hù)成本低、冷卻介質(zhì)（空氣）來源廣泛[2]等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于空氣的比熱容比較小，普遍存在以下不足之處：

1）干式空冷器換熱效率不高，容易受環(huán)境溫度影響，特別受夏季高溫或者暴雨天氣影響。

2）干式空冷器換熱面積大，普遍占地面積大。

3）干式空冷器管束一般采用翅片管，管束內(nèi)外污垢很難清理，時(shí)間長(zhǎng)了影響傳熱效果[3]。

2" 干式空冷器傳熱分析

2.1" 傳熱計(jì)算

干式空冷器是利用空氣與管內(nèi)工藝介質(zhì)之間的間接換熱，是經(jīng)典的熱交換器原理。因此干式空冷器傳熱計(jì)算公式為：

Q=KA△t。" " " " " "（1）

式中：Q —換熱量，W；

K—傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

A—換熱面積，m2；

△t—換熱溫差，℃[4-5]。

2.2" 傳熱分析

根據(jù)干式空冷器傳熱計(jì)算公式，我們可以看出影響其傳熱能力的主要因素是傳熱系數(shù)、換熱面積和換熱溫差。因此干式空冷器的傳熱分析主要從這三個(gè)方面入手。

2.2.1" 傳熱系數(shù)

空冷器的總傳熱系數(shù)是由管內(nèi)冷流體傳熱系數(shù)、管外熱流體傳熱系數(shù)和管道熱阻三部分組成。其中管道熱阻基本可以忽略不計(jì)，空冷器的總傳熱系數(shù)即為管內(nèi)外污垢?jìng)鳠嵯禂?shù)[6]。通常管束內(nèi)部介質(zhì)結(jié)晶結(jié)垢和管外翅片管塵土、柳絮等雜物聚集、翅片管結(jié)垢生銹等都會(huì)導(dǎo)致傳熱系數(shù)減小，從而降低換熱效果。對(duì)此我們經(jīng)常采用清洗管束的方式，可一定程度上提高空冷器換熱系數(shù)和冷卻效果，但是增幅有限。

2.2.2" 換熱面積

干式空冷器在不改變或增加管束的前提下，換熱面積是定值，是無法改變的。因此通過改變空冷器的換熱面積來提高冷卻效果，通常是投資大、施工工作量大和增加占地面積的。

2.2.3" 換熱溫差

換熱溫差△t為管內(nèi)介質(zhì)和空氣的對(duì)數(shù)平均溫差，管內(nèi)介質(zhì)的溫差不變。通過降低空氣溫度，則可以有效降低換熱溫差，從而提高空冷器冷卻效果。例如濕式空冷利用霧化噴頭向來流空氣噴淋霧化水，使得進(jìn)風(fēng)空氣的溫度下降到接近環(huán)境的濕球溫度，擴(kuò)大了管內(nèi)外傳熱溫差，從而強(qiáng)化了管內(nèi)外換熱效果[7]。

3" 蒸發(fā)預(yù)冷器的應(yīng)用

3.1" 蒸發(fā)預(yù)冷器介紹

根據(jù)干式空冷器傳熱分析，提高其冷卻效果的方法無外乎增大傳熱系數(shù)、增大換熱面積和提高換熱溫差。在不改變干式空冷器的結(jié)構(gòu)情況下，空冷器的換熱面積是定值，傳熱系數(shù)通過清洗管束的方式增幅有限，因此通過提高換熱溫差的方式是最有效的方法。介質(zhì)溫差很難改變，通過降低空氣溫度，使得換熱溫差變大，傳熱量變大，最終可以有效提高冷卻效果。

常規(guī)降低空氣溫度的方法是通過高壓水泵及霧化噴頭，將霧化液滴融入到空冷器迎風(fēng)面周圍空氣中，從而增加空氣相對(duì)濕度，使空氣干球溫度降至濕球溫度。最終通過增大傳熱溫差，提高空冷器換熱能力。本文介紹了一種新型蒸發(fā)預(yù)冷器，不同于傳統(tǒng)噴霧增濕方法，同樣可以有效降低來流空氣溫度。

3.1.1" 蒸發(fā)預(yù)冷器結(jié)構(gòu)及原理

蒸發(fā)預(yù)冷器主要結(jié)構(gòu)由蒸發(fā)墻系統(tǒng)、框架支撐系統(tǒng)、供水模塊系統(tǒng)（啟停控制系統(tǒng)）、上水連接系統(tǒng)、回水連接系統(tǒng)（回水槽）、檢修門組成。蒸發(fā)墻系統(tǒng)由蜂窩狀蒸發(fā)芯、淋水管、邊框構(gòu)成。

淋水管設(shè)置于蜂窩狀蒸發(fā)芯的上部與邊框之間的空隙中，淋水管的流水垂直向下被蜂窩狀蒸發(fā)芯吸收并受重力作用及纖維的良好吸水性使得水迅速擴(kuò)散，在蜂窩狀蒸發(fā)芯的纖維表面均勻的形成水膜與空氣摩擦而蒸發(fā)，吸收空氣的熱量，使得空氣大幅降溫。未蒸發(fā)的水流到邊框底部通過回水連接系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)使用。

3.1.2" 蒸發(fā)預(yù)冷器優(yōu)勢(shì)

1）保護(hù)翅片管

水在蒸發(fā)芯上不發(fā)生霧化，只發(fā)生蒸發(fā)，因翅片管表面溫度大于水氣溫度，氣態(tài)水不會(huì)在翅片管上發(fā)生凝結(jié)，也就不會(huì)發(fā)生腐蝕和結(jié)垢。淋水管的淋水孔直徑較大，不易堵塞，水壓要求較低。蒸發(fā)芯可吸附空氣中的柳絮、塵埃和顆粒，溶解空氣中部分酸堿成分，使空氣凈化，保護(hù)翅片管[8]。

2）降噪

蒸發(fā)單元的蜂窩狀結(jié)構(gòu)能吸收噪聲，減小風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲對(duì)環(huán)境的影響[9]。

3）降溫

蒸發(fā)預(yù)冷器的降溫效果與環(huán)境溫度和相對(duì)濕度有關(guān)，具體指標(biāo)如表1所示。環(huán)境溫度越高，空氣相對(duì)濕度越低，降溫效果越好。

同時(shí)蒸發(fā)預(yù)冷器的非金屬部件是蒸發(fā)芯，其具有阻燃性，可抗十二級(jí)風(fēng)。

3.2" 蒸發(fā)預(yù)冷器應(yīng)用

某石化公司150萬t/a連續(xù)重整裝置兩臺(tái)凝汽式汽輪機(jī)的凝汽系統(tǒng)均采用斜頂式干式空冷器進(jìn)行冷卻，遇夏季及春秋高溫時(shí)節(jié)，冷卻效果不足，從而導(dǎo)致汽輪機(jī)排氣溫度和排氣壓力偏高。當(dāng)風(fēng)機(jī)故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)降負(fù)荷運(yùn)行，同時(shí)每年會(huì)大量增加3.5 MPa蒸汽耗量[10]。因此該公司決定在重整氫增壓機(jī)汽輪機(jī)斜頂式干式空冷器周圍增上蒸發(fā)預(yù)冷器進(jìn)行試用。

當(dāng)?shù)貧庀髼l件夏季月最高平均溫度超過34 ℃，相對(duì)空氣濕度在70%左右，由于裝置區(qū)的熱島效應(yīng)，其氣溫會(huì)更高，濕度會(huì)更低，因此對(duì)照表1，可以看出使用蒸發(fā)預(yù)冷器會(huì)降低空氣溫度6～8 ℃左右，增加空冷的傳熱量10%左右。因此該公司在2022年春天完成蒸發(fā)預(yù)冷器安裝，并在夏季高溫時(shí)正常投用。

3.3" 蒸發(fā)預(yù)冷器使用效果

重整氫增壓機(jī)汽輪機(jī)斜頂空冷器投用蒸發(fā)預(yù)冷器后，空冷器下的空氣溫度、汽輪機(jī)的排汽溫度、排汽壓力以及汽輪機(jī)的3.5 MPa蒸汽耗量均明顯下降，具體下降量詳見表2所示。

蒸發(fā)預(yù)冷器投用后空氣溫度下降7 ℃左右，完全達(dá)到預(yù)期效果。大大緩解了高溫天氣下重整氫增壓機(jī)運(yùn)行瓶頸，且節(jié)能效果明顯。高溫天氣下白天汽輪機(jī)3.5 MPa蒸汽耗量下降可超過0.5 t/h。每年高溫天氣按5個(gè)月計(jì)算，共150天，一天按12 h計(jì)算，該公司3.5 MPa蒸汽單價(jià)為300元/噸，每年節(jié)省蒸汽費(fèi)用=150×12×0.5×300=27萬元。噴淋水循環(huán)使用，蒸發(fā)損失水量很少，小于1.2 m3/h，用水費(fèi)用基本可以忽略不計(jì)。水泵電機(jī)功率為0.75 kW，每年用電費(fèi)用=0.75×24×150×0.55=0.15萬元。因此每年經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)26.85萬元。

同時(shí)大型斜頂式干式空冷，進(jìn)風(fēng)范圍大，進(jìn)風(fēng)口離平臺(tái)位置高，該蒸發(fā)預(yù)冷器屬于模塊化安裝，在投用蒸發(fā)預(yù)冷器后存在漏風(fēng)和濺水問題，需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4" 結(jié)束語

新型蒸發(fā)預(yù)冷器可以有效降低干式空冷器來流空氣溫度，提高換熱溫差，從而提高其冷卻效果，同時(shí)可以保護(hù)翅片管，避免管束結(jié)垢腐蝕。蒸發(fā)預(yù)冷器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，安裝期間不影響設(shè)備運(yùn)行，能夠有效解決煉油化工裝置空冷器在高溫天氣下的運(yùn)行瓶頸。

參考文獻(xiàn)：

［1］張斯亮，陳韶范，馬金偉，等．噴霧增濕空冷器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].石油和化工設(shè)備，2021，24（2）：40-42．

［2］云森，董永鴿，楊凡，等.干式空冷器負(fù)荷提升方式探討[J].產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新，2023，5（01）：62-64.

［3］侯曉強(qiáng).預(yù)冷式表面蒸發(fā)空冷器在乙烯裝置的應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修，2020（21）：110-111.

［4］張濤，車生文，惠博，等．板式熱交換器傳熱性能預(yù)測(cè)算法設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備，2022，51（6）：32-36．

［5］韓思羽．空冷器的工藝計(jì)算及選型[J].山東化工，2021，50（19）：216-218．

［6］張駿. 預(yù)冷式蒸發(fā)空冷器傳熱性能的研究[D].華中科技大學(xué)，2018．

［7］劉寧寧，胡琳琳，張思瑩，等.復(fù)合型高效空冷器與干式空冷器比較分析[J].南方農(nóng)機(jī)，2018，49（06）：52-53．

［8］羅輝廣，李建. 重整裝置空冷器管束腐蝕穿孔失效分析[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2022（20）：95-98．

［9］章婭菲，閔世威，王海濤，等．TPU蜂窩結(jié)構(gòu)壓縮及吸能特性研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2023，30（3）：113-122．

［10］于洋洋，劉冬，谷海峰.350萬t·a～（-1）柴油加氫裂化裝置汽輪機(jī)凝汽系統(tǒng)優(yōu)化及應(yīng)用[J].遼寧化工，2022，51（03）：350-353．

Application of Evaporation Precooler on Dry Air Cooler

WANG Xuecong

（CNOOC Ningbo Daxie Petrochemical Company， Ningbo Zhejiang 315000， China）

Abstract：" Dry air cooler utilizes inexhaustible ambient air as the cooling medium and is a very economical cooling and condensing equipment， it is widely used in the petrochemical industry. The cooling effect of dry air cooler is mainly determined by the heat transfer coefficient， heat transfer area and heat transfer temperature difference. In this paper， starting from the temperature difference of heat exchange， a new evaporation precooler being different from the traditional spray humidification method was introduced to effectively reduce the incoming air temperature， while protecting the fin tubes.

Key words： Dry air cooler; Evaporation; Cooling down; Energy conservation