储气库天然气压缩机用空冷器换热特性模拟研究

[摘要]：针对国内某大型天然气储气库站场空冷器换热效率低的问题，为找出引起空冷器换热性能变差的原因，对空冷器改造提供理论依据。以实际工程为原型，建立空冷器单元整体三维模型，模拟分析了空冷器进出口消声措施、换热器旁回流区域、换热器表面积灰及不同环境温度下对空冷器内流场及温度场的影响。研究结果表明：进出口消声措施和换热器旁回流区域对空冷器单元阻力损失影响较小，分别引起冷却空气流量降低约1%和1.26%；换热器翅片管束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%，大幅降低了空冷器换热能力；运行现场环境温度从-30℃（冬季最低温度）上升至50℃时（夏季最高温度），冷却空气质量流量降低17.94%。根据研究结论，清洗翅片管积灰和更换大流量风扇是改善该空冷器换热效果的主要措施，现场改造后空冷器换热有明显改善，机组出口温度可以满足要求。

[关键词]：储气库；天然气压缩机；排气温度；空冷器；换热效率

1 引言

国内某天然气储气库投产后，压缩天然气的二级排气出口温度最高达72℃，超出原有设计出口排气温度不高于65℃的要求，直接影响压缩机及储气库的稳定运行。由于空冷器运行噪声不满足国标要求[1]，对其进出口进行了降噪处理，改变了空冷器系统流动阻力；储气库注气期均要经历夏季高温条件，空冷器冷却空气状态变化较大；储气库压缩机工况波动较大，压缩机出口设计压力为16.0~32.0 MPa，排气温度会随着排气压力升高而升高；另外，随着运行时间的延长，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效果的主要因素，需要对空冷器单元整体流动和换热情况进行详细分析。

空冷技术在国外已经比较成熟[2-6]，其中在公开发表的文献中以学者Bergles[7]所做的研究最具有代表性，采用ANSYS CFD软件对空冷器进行换热的数值模拟计算、对压缩机厂房内流场分布进行模拟计算；Duvenlage[8]对空冷散热器的三维流场进行了数值模拟，考虑了水平风沿空冷器长轴方向和纵轴方向时的情况；Staden[9]建立了数学模型，研究了周围环境横风对直接空冷系统性能的影响。国内研究人员对空冷器内流动分布和换热强化开展了大量理论研究、数值模拟及实验研究.刘占斌[10]对翅片管换热过程进行了数值模拟及实验研究，对翅片管的结构进行了优化分析，获得了最优的传热性能；程远达[11]对直接空冷式翅片管进行了换热的数值研究，采用了多孔介质概念来代替实际的翅片管束，利用热交换模块模拟空冷单元内部换热，分析不同环境参数对空冷单元流动和换热的影响。

采用CFD技术是目前研究空冷器性能的主要手段，本文对某储气库压缩机系统空冷器单元整体建立三维数值模拟模型，通过对不同情况下空冷器内流场和温度场的计算分析，找出影响空冷器换热效果的主要因素，为空冷器性能改进提供依据。

2 数学模型及模拟方法

2.1 空冷器模型建立

某储气库现场运行的压缩机共8台，每台配有相同的空冷单元，采用翅片管式换热器，2台45 kW轴流风扇。图1为根据现场空冷器结构，按1颐1建立的数学模型，后文提到z=0 mm平面在图1（b）中标出。该空冷器单元包含压缩机一级排气冷却器和二级排气冷却器，分别冷却压缩机两级压缩之后的高温天然气，一级冷却器翅片管束为三排管错排排列，二级冷却器翅片管束为四排管错排排列。

为研究局部结构对空冷器换热的影响，本文建立了不同模型，用于与基本模型做对比，由于篇幅限制其具体的模型结构不再一一呈现，将每一个模型的结构区别和编号列出在表1中。

2.2 网格划分及网格无关性验证

对于现有的空冷单元分别划分了207万、330万、464万网格，验证了网格无关性。考察了2个风扇、冷却空气入口的质量流量和翅片管束前（平面y=3755 mm）冷却空气的静压，结果偏差在5%以内。模拟计算模型选取了330万网格，模型网格划分如图2所示。

2.3 边界条件设置

空冷器单元内流场和换热模拟计算时，对其计算区域，需设置相应的边界条件。

（1） 为了模拟计算时给定计算模型稳定的进出口边界条件，对模型入口部分延长3 m，出口部分延长40 m；

（2）空冷器单元内为复杂的三维湍流流动，计算时选取标准k-着湍流模型；

（3） 在模拟分析空冷器单元换热情况时，对其风扇采用Fan模型，换热器采用Radiator模型；

（4）设置空冷器入口边界条件为压力进口，出口边界条件为压力出口。

由于对空冷器单元整体模拟，关心的是整体换热性能，并不关心换热器管束内部流动，因此对模拟模型进行了简化，将翅片管束处理为散热器（Radiator） 平面，在该平面上设置压力损失，换热器系数等参数，流经Radiator模型的流动阻力以及经验损失系数与流体的动压头有关联。本文一级翅片管束采用的流动阻力损失曲线[11]为p =0.1624+12.505v+0.9972v2，2级翅片管束采用的流动阻力损失曲线[11] 为p =0.17864 +13.7555v +1.09692v2。2级翅片管换热时总的对流换热系数[12]均取k=276.23+39.028v-8.5439v2+0.7057v³。风扇的处理采用集总参数的思想[13]，在模型中通过Fan模型引入风扇的性能曲线，假定为一个无

限薄的平面，空气通过风机时压力会升高，这个不连续压升可以由通过风机的空气速度来定义，本文采用的风机性能曲线[11]为p=360.875+11.013v-1.84v2+0.0199v³。

考虑切向速度对流场的影响，激活风机模型中的旋转速度设置，认为径向速度为0[11]，切向速度与半径成线性关系v0=fr，其中f=10.09。

3 结果与分析

3.1 空冷器局部结构对流动和换热的影响

分别建立了有无进口降噪板、出口收缩段的空冷器模型，模拟计算了其对空冷器流动分布的影响。计算结果如表2所示：无入口降噪板和出口收缩段时，空冷器内冷却空气的流量会相应增加1%左右；封堵回流区域也有利于提高冷却空气的流量约为1.26%。

空冷器的入口降噪板和出口收缩段对于其阻力损失影响较小，图3和图4分别为入口降噪板和出口收缩段对空冷器内部温度分布图的影响，差异非常小，说明进口降噪板和出口收缩段不是引起空冷器性能变差的主要因素。

实际运行的空冷器单元内一侧存在热回流区域，对比Model1 （基本模型） 和Model3 （无回流区域） z=0 mm平面的温度分布，如图5所示。根据模拟结果：当换热器存在回流区域时，低于回流区域平面50 mm的平面平均温度为320.1 K，比无回流区域时高18.27 K；风扇1在位置上接近换热器旁的回流区域，当换热器存在回流区域时，回流的高温空气会重新通过风扇进入空冷器系统，风扇1

的进气温度为301.22 K，高于无回流区域1.05 K；由于高温空气进入风扇1，也导致风扇自身性能下降，流量降低1.26%；通过有回流区域模型两风扇的空气速度较无回流区域模型低3.5%左右。结果说明，热回流区对空冷器换热性能有一定影响。

3.2 翅片管束积灰对流动和换热的影响

现场实际的空冷器翅片管外存在严重积灰，为此对空冷器模型模拟了翅片管束从0.1 mm增加到0.5 mm厚度的积灰，模拟积灰对于空冷器流动性能和传热性能的影响。积灰热阻的取值及传热系数的影响[14]。对模型依次编号1、2、3、4、5，按此顺序翅片管束积灰逐渐增厚，翅片管束的阻力损失也逐渐增大。

按照风机性能曲线和一级换热翅片管阻力损失曲线绘制所示的性能曲线如图6所示，当换热器积灰厚度从0.1 mm增加到0.5 mm，其阻力损失增加了近4倍。计算结果表明，换热器积灰使轴流风扇性能显著降低，流量减小27.55%。

图7为翅片管束积灰前、后冷却空气温度分布。

翅片管换热器积灰后管外导热热阻增大，但翅片间距很小，积灰使相应的流道截面也变小明显，空气流速增加，所以需考量多因素对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加表现出略微增大的趋势，但是积灰后阻力损失增大导致风扇性能显著降低，冷却空气流量的骤减抵消了传热系数升高的影响，最终翅片管束单位时间内换热量显著下降。

3.3 环境温度对流动及换热的影响

由于气体的物理属性对于风机的性能和系统的阻力损失都有影响，参考空冷器实际运行现场环境温度变化范围，本文对1号空冷器模型模拟了环境温度-30℃到50℃变化时，通过改变不同环境温度下的空气属性模拟空冷器单元流动和换热性能。

当空冷器进气温度升高时，冷却空气的密度会减小，根据风扇的密度效应规律[15]：当流经系统的气体密度减小时，风扇内功率和风扇压力都会减小。模拟的空冷器进气流量和通过风机的冷却空气质量流量，当进气温度从-30℃上升到50℃时，流量减少了17.94%，冷空气出口温度升高10℃。图8为进气温度为-30℃和50℃时，空冷器单元在z=0平面的温度分布图。

根据模拟结果，由于夏季和冬季空气的物理属性相差较大，夏季运行时，进入空冷器的冷却空气质量流量会大幅降低，导致空冷器冷却能力削减。因此，为满足全年从冬季到夏季空冷器换热效果，应相应增大风扇流量。

3.4 现场改造后空冷器换热效果

根据模拟计算结果，2016年3月23日，储气库6#空冷器2个原8叶片风扇更换为10叶片风扇，2016年6月9日对6#空冷器翅片管束进行积灰清理，5#机组未做任何改动。机组出口天然气温度对比如表3所示，更换风扇并清理积灰后，机组出口温度降幅在5℃左右，出口温度满足要求。

4 结论

建立了空冷器单元整体数值模拟模型，对比了局部结构以及环境温度等各因素对风扇及换热器性能的影响。主要结论如下：

（1）通过对空冷器单元整体建模进行流场及温度场的数值模拟，是一种分析空冷器换热性能的有效手段。

（2） 该空冷器进口降噪板对于空冷器的流动性能影响较小，在进口处增加降噪板后和出口收缩段后，空冷器运行时冷却空气流量仅减少了1%左右封堵换热器旁回流区域可提高冷却空气流量1.26%。

（3） 翅片管外积灰从0.1 mm增加到0.5 mm厚时，系统阻力损失增加4倍，导致冷却空气流量减小了27.55%，致使换热效率降低，故及时清理积灰可有效提高换热效率；当环境温度从-30℃增加至50℃时，冷却空气质量流量减小了17.94%，从而导致空冷器冷却能力降低。

（4） 现场更换大流量风扇并清理积灰后，机组出口天然气温度降低5益左右，在夏季高温时可以满足排温要求。

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