储气库天然气压缩机用空冷器换热特性模拟研

[提要]：针对国内某大型自然气储气库站场空冷器换热效率低的题目，为找出引发空冷器换热功用变差的道理，对空冷器变革供应理论根据。以理论工程为底细，建设空冷器单位大伙三维模子，摹拟解析了空冷器出入口消声办法、换热器旁回流地区、换热器表面积灰及不同处境温度下对空冷器内流场及温度场的影响。协商结束解说：出入口消声办法和换热器旁回流地区对空冷器单位阻力损失影响较小，别离引发冷却空气流量升高约1%和1.26%；换热器翅片管教外积灰对空冷器换热影响较大，积灰厚度从0.1mm增厚0.5mm时，冷却空气流量减小27.55%，大幅升高了空冷器换热才略；运转现场处境温度从-30℃（冬天最低温度）飞腾至50℃时（夏令最高温度），冷却空气品质流量升高17.94%。依照协商论断，冲洗翅片管积灰和退换大流量风扇是改革该空冷器换热成效的重要办法，现场变革后空冷器换热有显然改革，机组出口温度能够满意请求。

[关键词]：储气库；自然气紧缩机；排气温度；空冷器；换热效率

1引言

国内某自然气储气库投产后，紧缩自然气的二级排气出口温度最高达72℃，超过原有祈望出口排气温度不高于65℃的请求，直接影响紧缩机及储气库的平静运转。由于空冷器运转噪声生气足国标请求[1]，对其出入口举办了降噪管教，变动了空冷器系统震动阻力；储气库注气期均要阅历夏令高温前提，空冷器冷却空气状况变动较大；储气库紧缩机工况摇动较大，紧缩机出口祈望压力为16.0~32.0MPa，排气温度会跟着排气压力抬高而抬高；其余，跟着运转光阴的拉长，空冷器翅片管外积灰增厚也会影响换热效率。为找出影响该空冷器换热成效的重要成分，须要对空冷器单位大伙震动和换热处境举办详细解析。

空冷手艺在海外曾经较量老练[2-6]，个中在公然颁发的文件中以学者Bergles[7]所做的协商最具备代表性，采取ANSYSCFD软件对空冷器举办换热的数值摹拟祈望、对紧缩机厂房内流场散布举办摹拟祈望；Duvenlage[8]对空冷散热器的三维流场举办了数值摹拟，思量了水准风沿空冷器长轴方位和纵轴方位时的处境；Staden[9]建设了数学模子，协商了周遭处境横风对直接空冷系统功用的影响。国内协商人员对空冷器内震动散布和换热加强开展了大批理论协商、数值摹拟及实习协商.刘占斌[10]对翅片管换热历程举办了数值摹拟及实习协商，对翅片管的构造举办了优化解析，获患了最优的传热功用；程远达[11]对直接空冷式翅片管举办了换热的数值协商，采取了多孔介质观点来接替理论的翅片管教，行使热换取模块摹拟空冷单位内部换热，解析不同处境参数对空冷单位震动和换热的影响。

采取CFD手艺是方今协商空冷器功用的重要技能，本文对某储气库紧缩机系统空冷器单位大伙建设三维数值摹拟模子，经过对不同处境下空冷器内流场和温度场的祈望解析，找出影响空冷器换热成效的重要成分，为空冷器功用鼎新供应根据。

2数学模子及摹拟办法

2.1空冷器模子建设

某储气库现场运转的紧缩机共8台，每台配有类似的空冷单位，采取翅片管式换热器，2台45kW轴流风扇。图1为依照现场空冷器构造，按1颐1建设的数学模子，后文提到z=0mm平面在图1（b）中标出。该空冷器单位包括紧缩机甲第排气冷却器和二级排气冷却器，别离冷却紧缩机两级紧缩以后的高温自然气，甲第冷却器翅片管教为三排管错排摆列，二级冷却器翅片管教为四排管错排摆列。

为协商部分构造对空冷器换热的影响，本文建设了不同模子，用于与根底模子做比较，由于篇幅束缚其详细的模子构造不再逐一展现，将每一个模子的构造差别和编号列出在表1中。

2.2网格区分及网格无关性考证

关于现有的空冷单位别离区分了万、万、万网格，考证了网格无关性。考核了2个风扇、冷却空气出口的品质流量和翅片管教前（平面y=mm）冷却空气的静压，结束差池在5%之内。摹拟祈望模子采取了万网格，模子网格区分如图2所示。

2.3畛域前提配置

空冷器单位内流场和换热摹拟祈望时，对其祈望地区，需配置响应的畛域前提。

（1）为了摹拟祈望时给定祈望模子平静的出入口畛域前提，对模子出口部份拉长3m，出口部份拉长40m；

（2）空冷器单位内为繁杂的三维湍流震动，祈望时采取准则k-着湍流模子；

（3）在摹拟解析空冷器单位换热处境时，对其风扇采取Fan模子，换热器采取Radiator模子；

（4）配置空冷器出口畛域前提为压力出口，出口畛域前提为压力出口。

由于对空冷器单位大伙摹拟，体贴的是大伙换热功用，并不体贴换热器管教内部震动，是以对摹拟模子举办了简化，将翅片管教管教为散热器（Radiator）平面，在该平面上配置压力损失，换热器系数等参数，流经Radiator模子的震动阻力以及阅历损失系数与流体的动压头相有关。本文甲第翅片管教采取的震动阻力损失弧线[11]为p=0.+12.v+0.v2，2级翅片管教采取的震动阻力损失弧线[11]为p=0.+13.v+1.v2。2级翅片管换热时总的对流换热系数[12]均取k=.23+39.v-8.v2+0.v3。风扇的管教采取集总参数的头脑[13]，在模子中经过Fan模子引入风扇的功用弧线，假设为一个无

限薄的平面，空气经过风机时压力会抬高，这个不络续压升能够由经过风机的空气速率来界说，本文华取的风机功用弧线[11]为p=.+11.v-1.84v2+0.v3。

思量切向速率对流场的影响，激活风机模子中的回旋速率配置，觉得径向速率为0[11]，切向速率与半径成线性相关v0=fr，个中f=10.09。

3结束与解析

3.1空冷器部分构造对震动和换热的影响

别离建设了有无出口降噪板、出口萎缩段的空冷器模子，摹拟祈望了其对空冷器震动散布的影响。祈望结束如表2所示：无出口降噪板和出口萎缩段时，空冷器内冷却空气的流量会响应增添1%左右；封堵回流地区也有益于提升冷却空气的流量约为1.26%。

空冷器的出口降噪板和出口萎缩段关于其阻力损失影响较小，图3和图4别离为出口降噪板和出口萎缩段对空冷器内部温度散布图的影响，差别特别小，解说出口降噪板和出口萎缩段不是引发空冷器功用变差的重要成分。

理论运转的空冷器单位内一侧存在热回流地区，比较Model1（根底模子）和Model3（无回流地区）z=0mm平面的温度散布，如图5所示。依照摹拟结束：当换热器存在回流地区时，低于回流地区平面50mm的平面平衡温度为.1K，比无回流地区时高18.27K；风扇1在地位上凑近换热器旁的回流地区，当换热器存在回流地区时，回流的高温空气会从新经过风扇加入空冷器系统，风扇1

的进气温度为.22K，高于无回流地区1.05K；由于高温空气加入风扇1，也导致风扇自己功用降落，流量升高1.26%；经过有回流地区模子两风扇的空气速率较无回流地区模子低3.5%左右。结束解说，热回流区对空冷器换热功用有必要影响。

3.2翅片管教积灰对震动和换热的影响

现场理论的空冷器翅片管外存在严峻积灰，为此对空冷器模子摹拟了翅片管教从0.1mm增添到0.5mm厚度的积灰，摹拟积灰关于空冷器震动功用和传热功用的影响。积灰热阻的取值及传热系数的影响[14]。对模子次序编号1、2、3、4、5，按此顺次翅片管教积灰逐步增厚，翅片管教的阻力损失也逐步增大。

依照风机功用弧线和甲第换热翅片管阻力损失弧线绘制所示的功用弧线如图6所示，当换热器积灰厚度从0.1mm增添到0.5mm，其阻力损失增添了近4倍。祈望结束解说，换热器积灰使轴流风扇功用显著升高，流量减小27.55%。

图7为翅片管教积灰前、后冷却空气温度散布。

翅片管换热器积灰后管外导热热阻增大，但翅片间距很小，积灰使响应的流道截面也变小显然，空气流速增添，以是需考量多成分关于管外对流换热系数和积灰后总换热系数的影响。传热系数K随翅片管积灰厚度增添展现出稍微增大的趋向，不过积灰后阻力损失增大导致风扇功用显著升高，冷却空气流量的骤减对消了传热系数抬高的影响，最后翅片管教单位光阴内换热量显著降落。

3.3处境温度对震动及换热的影响

由于气体的物理属性关于风机的功用和系统的阻力损失都有影响，参考空冷器理论运转现场处境温度变动界限，本文对1号空冷器模子摹拟了处境温度-30℃到50℃变动时，经过变动不同处境温度下的空气属性摹拟空冷器单位震动和换热功用。

当空冷器进气温度抬高时，冷却空气的密度会减小，依照风扇的密度效应规律[15]：当流经系统的气体密度减小时，风扇内功率微风扇压力都邑减小。摹拟的空冷器进气流量和经过风机的冷却空气品质流量，当进气温度从-30℃飞腾到50℃时，流量缩小了17.94%，冷空气出口温度抬高10℃。图8为进气温度为-30℃和50℃时，空冷器单位在z=0平面的温度散布图。

依照摹拟结束，由于夏令和冬天空气的物理属性出入较大，夏令运转时，加入空冷器的冷却空气品质流量会大幅升高，导致空冷器冷却才略缩小。是以，为满意整年从冬天到夏令空冷器换热成效，应响应增大风扇流量。

3.4现场变革后空冷器换热成效

依照摹拟祈望结束，年3月23日，储气库6#空冷器2个原8叶片风扇退换为10叶片风扇，年6月9日对6#空冷器翅片管教举办积灰清算，5#机组未做任何变动。机组出口自然气温度对譬喻表3所示，退换风扇并清算积灰后，机组出口温度降幅在5℃左右，出口温度满意请求。

4论断

建设了空冷器单位大伙数值摹拟模子，比较结部分构造以及处境温度等各成分对风扇及换热器功用的影响。重要论断以下：

（1）经过对空冷器单位大伙建模举办流场及温度场的数值摹拟，是一种解析空冷器换热功用的灵验技能。

（2）该空冷器出口降噪板关于空冷器的震动功用影响较小，在出口处增添降噪板后和出口萎缩段后，空冷器运转时冷却空气流量仅缩小了1%左右封堵换热器旁回流地区可提升冷却空气流量1.26%。

（3）翅片管外积灰从0.1mm增添到0.5mm厚时，系统阻力损失增添4倍，导致冷却空气流量减小了27.55%，导致换热效率升高，故准时清算积灰可灵验提升换热效率；当处境温度从-30℃增添至50℃时，冷却空气品质流量减小了17.94%，进而导致空冷器冷却才略升高。

（4）现场退换大流量风扇并清算积灰后，机组出口自然气温度升高5益左右，在夏令高温时能够满意排温请求。

参考文件：

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