一体化燃气压缩机用散热器设计研究

李永康 黄超伟 李彬彬

（河南柴油机重工有限责任公司,河南 洛阳471000）

1 概述

为适应一体化燃气压缩机（以下简称一体机）工作要求,河柴重工开发了一款新型散热器。本散热器除需满足冷却液的冷却外,还需满足高温压缩燃气的冷却,以除去燃气中的大量水分,防止管道和阀体的腐蚀以及冻裂。此外,为避免压缩燃气超压导致散热器部件及管道炸裂,散热器需具备超压放散功能。为保证一体机燃料用燃气压力稳定,散热器应能把压缩后的燃气提供给一体机做燃料。由于一体机多在野外油田作业,散热器还应满足无人值守要求。

2 技术设计

2.1 散热器设计参数

根据设计要求,并结合台架试验及热负荷计算得出散热器设计参数如表1 所示。

表1 散热器设计参数

2.2 整体设计

散热器由空冷器部件、水散热部件、导风罩、膨胀水箱、风扇和传动机构等组成。散热器采用立式结构,风扇由发动机通过轴直接驱动,散热部件、导风罩与风筒为三级梯形结构,尺寸依次变小。散热器结构如图1 所示。

2.3 组件设计

2.3.1 空冷器部件设计

空冷器部件用于冷却压缩后的高温天然气。管片式散热器密封试验压力125kPa,静压强度250 kPa[1],远低于压缩天然气工作压力,无法满足强度要求,故选用翅片管式。

空冷器部件的百叶窗为箱体结构,侧面装有调整手柄,手柄盘上加工有分度槽,用于调整手柄位置,从而控制百叶窗开度,改变吹过散热器的空气流量。

空冷器由管箱和管束组成。管箱为丝堵式,最高承压达20MPa[2]。

若散热器管内外流体的温差较大（50℃以上）时,就可能由于热应力而引起设备的变形,甚至弯曲或破裂,因此必须考虑这种热膨胀的影响[3]。鉴于此,管箱两侧的左气箱和右气箱一端气箱固定,一端气箱浮动,便于翅片管热胀冷缩。

图1 散热器结构图

左气箱背面上方设有四个接口。热流体冷却后密度增大,流体下沉,所以,为了提高换热效率,进口在上,出口在下。工艺气进口、工艺气出口Ⅰ、工艺气出口Ⅱ采用对分法兰连接,出、入口选用带内外环的金属缠绕垫片,耐高温、高压,缓冲减震。工艺气放散口为螺纹连接。工艺气进口连接压缩后的高温燃气,经空冷器部件冷却后经工艺气出口Ⅰ排出,工艺气出口Ⅰ接压缩燃气输出管道。工艺气出口Ⅱ接一体机燃料供给管道,将冷却后的压缩燃气输送至除液稳压罐,减压后进入一体机动力列。工艺气放散口连通压缩燃气进气管,工艺气放散口上安装安全放散阀,当燃气超压时安全放散阀动作泄压,保证管道、设备安全。左气箱背面下方设有放水口Ⅱ,安装手动球阀,用于排放管箱内的冷凝水。

空冷器部件管束采用鼓风式水平管束,管束水平布置,管内热流体与管外空气分布比较均匀,换热均匀,且安装方便。气管束采用轧片式钢铝复合型翅片管,刚度高、抗腐蚀性能好、传热能力强。翅片管呈正三角形排列,该排列管板的强度高,流体走短路的机会少,且管外流体扰动较大,因而对流传热系数较高,且相同壳程内可排列更多的管子[3]。

散热器与一体机刚性连接且共用底座,振动较大,易导致天然气泄露。该工况对空冷器部件的抗震性和密封性提出了较高的要求,为保证其良好的抗震和密封性能,翅片管与管板采用“强度焊+贴胀”连接形式[2]。

空冷器部件详细参数见表2。

2.3.2 水散热部件设计

水散热部件用于冷却一体机冷却液。由于水泵出口压力仅70kPa,压力较低,故选用管片式结构,管片式结构强度高,适用于振动较大,工况恶劣的场合[4]。

水散热部件位于空冷器部件上方,二者焊接连接。由于二者承压不同,所以管箱采用不同材质,且水散热部件的水箱与空冷器部件的气箱结构独立。

水散热部件由管箱和散热芯子组成。管箱两侧设有左水箱和右水箱（从散热器正面看）。右水箱背面设有两个接口,分别为冷却液进口和冷却液出口,冷却液进口在上,冷却液出口在下。冷却液进口和出口采用对分法兰连接,出、入口选用带内外环的金属缠绕垫片。冷却液进口接一体机的高温回水,经水散热部件冷却后经冷却液出口进一体机。右水箱背面的下方设有放水口Ⅰ,安装手动球阀,在散热器检修或一体机停用时用其排放冷却液。右水箱背面的上方设有排气孔,空气经排气孔排入膨胀水箱。散热芯子为管片式,散热管采用无缝铜管,散热片采用H68 材质,换热能力强。为增大散热面积,散热管采用扁管。散热管水平布置,正三角形排列。水散热部件详细参数见表3。

表3 水散热部件参数

2.3.3 导风罩设计

导风罩位于散热部件之后,保证冷却空气全部通过散热器。导风罩为方箱结构,结构简单、加工方便,采用钢板焊接而成,其两侧的上部含有两个吊耳用于散热器的起吊。

2.3.4 膨胀水箱设计

膨胀水箱为方箱结构,焊接在导风罩顶部,其上设有膨胀口和补水口。膨胀口位于膨胀水箱上部,通过管道与水散热部件排气孔相连。补水口位于膨胀水箱下部,通过管道与水泵进口连接,补偿系统冷却液,同时以泵进口作为定压点,保证泵的入口压力,避免气蚀。

表2 空冷器部件参数

膨胀水箱配置自动补给系统,包含冷却液储存箱、电动泵、手动球阀、防爆电磁阀、控制器及管路。膨胀水箱通过管道与冷却液储存箱相连,侧面装有液位计,可就地显示液位并能输出开关量信号控制电动泵的启停和防爆电磁阀的开关,实现冷却液自动补给。

2.3.5 风筒设计

风筒位于导风罩之后,呈圆筒状,可拆卸安装。

2.3.6 风扇设计

风扇位于风筒内,为鼓风式停机手动调角型,通过传动机构与飞轮连接。风扇采用PAG 材质,其轮毂小、有效风量大,且质轻功耗小,降低了发动机功率消耗。风扇为轴流式,效率高,供气量大。

2.3.7 传动系统设计

为简化传动结构,传动系统采用传动轴结构,直接安装在一体机飞轮上驱动风扇。传动轴采用优质钢制造,保证了足够的强度和刚度。传动轴外围设有防护网以保证周围安全。

3 结论

该散热器采用全新结构,经现场验证,通过了一体机高温、极寒、露天、无人值守作业的考验。散热器除满足一体机冷却液、高温压缩燃气的冷却外,还具有燃气超压放散、冷却液自动补给以及为一体机提供压力稳定的燃料等功能,实现了一体机的无人值守。该散热器为国内行业首创,对国内页岩气、煤层气、低压天然气的开采意义重大。