低温环境中空冷器设计方面的研究

王安寅

摘 要：在石油化工行业中，空冷器是其中炼油工艺中最为关键的静设备，在空冷器设计过程中，由于部分作业现场在冬天具有较低的环境温度，为了确保空冷器可以在低温稳定的运行，有必要对低温环境中空冷器进行合理的设计。鉴于此，文章将对低温环境中空冷器设计方面进行着重的研究。

关键词：低温环境；空冷器设计；研究

中图分类号：TB65 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）27-0083-02

Abstract： In petrochemical industry， air cooler is the most important static equipment in oil refining process. In the design process of air cooler， some operation sites have low ambient temperature in winter. In order to ensure that the air cooler can operate stably at low temperature， it is necessary to design the air cooler reasonably in the low temperature environment. In view of this， the article will focus on the design of air coolers in the low temperature environment.

Keywords： low temperature environment； air cooler design； research

在石油化工领域当中，空冷器是其中必要的工艺设备，并且对最终的石油化工产品质量有着极为重要的作用。此外，随着空冷器使用范围的不断扩大，其在寒冷地区的可靠使用逐渐受到行业内人士的关注。因此，为了确保空冷器可以在寒冷地区可靠的使用，需要对低温环境中空冷器设计加大研究力度，对于今后空冷器行业的发展有着极为重要的意义。

1 空冷器在低温环境中使用时产生的问题

我国部分地区在冬季与夏季存在較大的气温温差，并且部分地区的冬季气温可达-40℃左右。其中，如在我国东北地区使用空冷器，在某些低温情况中下，部分空冷器各管排间的热负荷会出现不均匀，并且会导致不凝气的出现，对空冷器实际运行效果造成影响。另外，如果空冷器存在设计不当的问题，其通常在一般气温条件下运行还好，但是在温度较低的环境下便会将设计不当的问题暴露出来。在空冷器正常工作状态下，空冷器最下部的换热管与顶部的换热管与冷空气的接触存在不同的先后顺序，并且蒸汽冷凝区域与冷却区域在换热基管中的分布也是不同的。如图1所示，由于冷空气首先与空冷器底部换热基管进行接触，一旦冷凝在空冷器最上部的排管末端终止，则在底排管，冷凝在管子中间的某一点终止，其余管长形成冷却区，并且冷凝液一旦出现过冷却现象，则难免会导致冻结现象在低温环境中形成。如图2 所示，其表示蒸汽冷凝器因不凝气大量聚集所引发的问题。其中，由于空冷器中的第二排换热管冷凝的蒸汽量小于第一排的冷凝蒸汽量，所以压力降在第二排换热管中表现的更低。此时，如果空冷器出口管箱的操作压力与入口管箱处的压力和流体经过第二排管时的压力降相减的值相等，则会造成第一排管的出口压力小于出口管箱的压力。因此，此时蒸汽便会第一排换热管的两侧，并导致第一排换热管两端出现不凝气累积，并累积会延伸到管长AB。待出口管箱处的压力与第一排换热基管的末端压力相等后，流经第一排换热基管的蒸汽方可进入出口管箱。与此同时，流经第一排管的不凝气的蒸汽流量降低，从而使得AB段的换热管外壁温度变低。当AB段管子流经冷凝水后，会导致凝结水出现冻结，从而有必要采取措施将凝气排出。

2 防止流体在管内凝固和冻结的措施

防止流体在管内凝固和冻结的措施主要有：（1）采取措施均匀分配空冷器换热基管内的流体。（2）对空冷器中风机的送风量进行调整，并在管束上方设置百叶窗的同时，将风机中的电机更改为变频电机，如果存在剧烈的温度变化，则可通过变频电机对送风量进行调节，有助于防止冻结问题的发生。（3）为了防止管束中的流体介质出现过冷却现象，可将换热管基管的外径增加或者采用低翅化比的翅片。（4）将蒸汽排管设计在管束下方，如过气温过低，蒸汽盘管可以将管束最下部的换热管进行加热，避免介质出现冻结。（5）在冬季采用顺流换热，而在夏季将换热改为逆流换热。进入到冬季之后，冷流体首先与高温工艺流体发生接触，但是高温工艺流体粘度小，不易出现凝固，待流体温度降低后，由于外部空气已经处于加热后的状态，则便不会出现凝固问题。然而，尽管凝固风险得到排除，但是会降低传热温差，所以需要增加传热面积才能保证换热效果。所以，在冬季为逆流传热，而在夏季则改为顺流传热。（6）空冷器可设计为热风循环式，以便防止内部流动的介质出现冻结问题，并且有助于严格控制介质的出口温度。

3 热风循环式空冷器的型式

通过大量实例证明，热风循环式空冷器可以低温环境下有效的防止工艺介质出现凝结。对于热风循环式空冷器来讲，其通常具有以下几种形式。

3.1 鼓风式内部热风循环空冷器

空冷器型式可采用鼓风式内部热风循环空冷器，其中，在此种形式空冷器当中，内部的一台风机可以调角工作，如果温度处于极端低温状态下，调角风机可以在通过改变叶片的角度来使空气流动方向朝着相反的方向吹送，从而保证热空气可以在构架中循环。

另外，为了避免向下吹送的气流受到风速以及风向的影响，需要将2m左右高度的风 设置在风机入口位置，并且可适当调节风机的标高。在风向变化过程中，存在3℃左右的缓冲区间，以免出现风机风向反复变化的情况。同时，当风机吹风方向改变后，应对下部设备承受热空气温度的能力进行综合的考虑。对于鼓风式内部热风循环形式的空冷器来讲，此种形式的空冷器难以将热空气与冷空气进行充分的混合与循环，并且存在冷热空气分层流动的问题，如果控制方式存在问题，则存在工艺介质冻结的风险。

3.2 顶部含有百叶窗的鼓风式内部热风循环空冷器

空冷器型式还可采用顶部含有百叶窗的鼓风式内部热风循环空冷器。其中，在管束上部设计了百叶窗，有助于热风循环性能的提升。对于此类空冷器来讲，其含有夏季与冬季两种运行方式。在夏季中，空冷器中的风机的送风方向均向上，并通过控制百叶窗与风机转速来对介质出口温度进行控制。在冬季时，空冷器中的一台风机送风方向出现改变。同时，风机叶片角度可根据出口温度变化情况进行更改，并根据循环缝的温度来对百叶窗的开度进行控制。

3.3 鼓风式外部热风循环空冷器

空冷器型式也可为鼓风式外部热风循环空冷器，与其它热风循环空冷器相比，热风循环通道与百叶窗在空冷器两侧进行布置，同时保证风机送风方向始终保持不变。在冬季时，为了保证循环空气的温度，仅需要关闭顶端百叶窗并打开旁路百叶窗即可。

在鼓风外部热风循环空冷器当中，出口介质的温度控制只需要对百叶窗进行调节便可实现。另外，尽管温度控制存在一定上下的浮动，但是在极端低温环境下，其出口温度仍然可以保证，同时空气循环仅通过热风循环通道便可实现，有助于避免介質冻结问题的出现。

对于外部热风循环空冷器来讲，为了对管束出口温度进行控制，其需要保证管束的吹送空气温度为一定值，并仅通过控制管束的空气流量便可对空冷器出口温度进行控制。其中，进入管束的空气温度是借助于空气温度调节器调节新风、顶部和旁路百叶窗来保持。空气流量的调节借助于流体出口温度调节器控制可调风机来实现。在外部热风循环方式中，风机的最大出力不是在夏季，而是在冬季。原因是在这种条件下，空气气流再循环的需要量是最大的，并且无论环境温度如何，到达管束上的空气温度必须保持不变。要根据所要求的混合空气温度计算所必须的循环空气量，然后还要乘上1.5倍（这是对不足的混合气流的一个安全系数，并且将气流的变化控制在一定范围内）。

外部热风循环可以设计成单侧热风循环，其优点是：节约钢材。不循环的一侧可以和其他空冷器联接在一起，减少占地面积，便于布置。但通常是按照旁路百叶窗的流通面积在满足要求的最经济的排列来选择。

上述几种热风再循环方案有的系统比较复杂，涉及的部件较多，某个部件失灵都会影响整个设备的运行，所以对部件可靠性的要求就比较高。

4 结束语

由此可见，随着我国空冷器应用范围的逐步扩大，为了提升其在低温环境中的使用可靠性，作为制造厂有必要对低温环境中空冷器的设计加以关注，对于提升空冷器制造企业的市场竞争力有着极为重要的现实意义。

参考文献：

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