【壓縮機(jī)網(wǎng)】摘要：針對國內(nèi)某大型天然氣儲氣庫站場空冷器換熱效率低的問題，為找出引起空冷器換熱性能變差的原因，對空冷器改造提供理論依據(jù)。以實(shí)際工程為原型，建立空冷器單元整體三維模型，模擬分析了空冷器進(jìn)出口消聲措施、換熱器旁回流區(qū)域、換熱器表面積灰及不同環(huán)境溫度下對空冷器內(nèi)流場及溫度場的影響。研究結(jié)果表明：進(jìn)出口消聲措施和換熱器旁回流區(qū)域?qū)绽淦鲉卧枇p失影響較小，分別引起冷卻空氣流量降低約1%和1.26%；換熱器翅片管束外積灰對空冷器換熱影響較大，積灰厚度從0.1mm增厚0.5mm時(shí)，冷卻空氣流量減小27.55%，大幅降低了空冷器換熱能力；運(yùn)行現(xiàn)場環(huán)境溫度從-30℃（冬季z*低溫度）上升至50℃時(shí)（夏季z*高溫度），冷卻空氣質(zhì)量流量降低17.94%。根據(jù)研究結(jié)論，清洗翅片管積灰和更換大流量風(fēng)扇是改善該空冷器換熱效果的主要措施，現(xiàn)場改造后空冷器換熱有明顯改善，機(jī)組出口溫度可以滿足要求。
1、引言
國內(nèi)某天然氣儲氣庫投產(chǎn)后，壓縮天然氣的二級排氣出口溫度z*高達(dá)72℃，超出原有設(shè)計(jì)出口排氣溫度不高于65℃的要求，直接影響壓縮機(jī)及儲氣庫的穩(wěn)定運(yùn)行。由于空冷器運(yùn)行噪聲不滿足國標(biāo)要求[1]，對其進(jìn)出口進(jìn)行了降噪處理，改變了空冷器系統(tǒng)流動阻力；儲氣庫注氣期均要經(jīng)歷夏季高溫條件，空冷器冷卻空氣狀態(tài)變化較大；儲氣庫壓縮機(jī)工況波動較大，壓縮機(jī)出口設(shè)計(jì)壓力為16.0～32.0 MPa，排氣溫度會隨著排氣壓力升高而升高；另外，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，空冷器翅片管外積灰增厚也會影響換熱效率。為找出影響該空冷器換熱效果的主要因素，需要對空冷器單元整體流動和換熱情況進(jìn)行詳細(xì)分析。
空冷技術(shù)在國外已經(jīng)比較成熟[2-6]，其中在公開發(fā)表的文獻(xiàn)中以學(xué)者Bergles[7]所做的研究z*具有代表性，采用ANSYS CFD軟件對空冷器進(jìn)行換熱的數(shù)值模擬計(jì)算、對壓縮機(jī)廠房內(nèi)流場分布進(jìn)行模擬計(jì)算；Duvenlage[8]對空冷散熱器的三維流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，考慮了水平風(fēng)沿空冷器長軸方向和縱軸方向時(shí)的情況；Staden[9]建立了數(shù)學(xué)模型，研究了周圍環(huán)境橫風(fēng)對直接空冷系統(tǒng)性能的影響。國內(nèi)研究人員對空冷器內(nèi)流動分布和換熱強(qiáng)化開展了大量理論研究、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究。劉占斌[10]對翅片管換熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究，對翅片管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析，獲得了z*優(yōu)的傳熱性能；程遠(yuǎn)達(dá)[11]對直接空冷式翅片管進(jìn)行了換熱的數(shù)值研究，采用了多孔介質(zhì)概念來代替實(shí)際的翅片管束，利用熱交換模塊模擬空冷單元內(nèi)部換熱，分析不同環(huán)境參數(shù)對空冷單元流動和換熱的影響。
采用CFD技術(shù)是目前研究空冷器性能的主要手段，本文對某儲氣庫壓縮機(jī)系統(tǒng)空冷器單元整體建立三維數(shù)值模擬模型，通過對不同情況下空冷器內(nèi)流場和溫度場的計(jì)算分析，找出影響空冷器換熱效果的主要因素，為空冷器性能改進(jìn)提供依據(jù)。
2、數(shù)學(xué)模型及模擬方法
2.1 空冷器模型建立
某儲氣庫現(xiàn)場運(yùn)行的壓縮機(jī)共8臺，每臺配有相同的空冷單元，采用翅片管式換熱器，2臺45kW 軸流風(fēng)扇。圖1為根據(jù)現(xiàn)場空冷器結(jié)構(gòu)，按1比1建立的數(shù)學(xué)模型，后文提到z=0mm平面在圖1（b）中標(biāo)出。該空冷器單元包含壓縮機(jī)一級排氣冷卻器和二級排氣冷卻器，分別冷卻壓縮機(jī)兩級壓縮之后的高溫天然氣，一級冷卻器翅片管束為三排管錯排排列，二級冷卻器翅片管束為四排管錯排排列。
63nibnmgKfmqKHmi5/noJTnqbZcIiBzcmM9XCIvdXBsb2FkZmlsZS8yMDE3LzExMzAvMjAxNzExMzAwNTEzMTI0OTQuanBnXCIgLz4=@!@~@!@@
為研究局部結(jié)構(gòu)對空冷器換熱的影響，本文建立了不同模型，用于與基本模型做對比。由于篇幅限制，其具體的模型結(jié)構(gòu)不再一一呈現(xiàn)，將每一個(gè)模型的結(jié)構(gòu)區(qū)別和編號列出在表1中。
2.2 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證
對于現(xiàn)有的空冷單元分別劃分了207萬、330萬、464萬網(wǎng)格，驗(yàn)證了網(wǎng)格無關(guān)性?？疾炝?個(gè)風(fēng)扇、冷卻空氣入口的質(zhì)量流量和翅片管束前（平面y=3755mm）冷卻空氣的靜壓，結(jié)果偏差在5%以內(nèi)。模擬計(jì)算模型選取了330萬網(wǎng)格，模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。
2.3 邊界條件設(shè)置
空冷器單元內(nèi)流場和換熱模擬計(jì)算時(shí)，對其計(jì)算區(qū)域，需設(shè)置相應(yīng)的邊界條件。
（1）為了模擬計(jì)算時(shí)給定計(jì)算模型穩(wěn)定的進(jìn)出口邊界條件，對模型入口部分延長3m，出口部分延長40m；
（2）空冷器單元內(nèi)為復(fù)雜的三維湍流流動，計(jì)算時(shí)選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型；
（3）在模擬分析空冷器單元換熱情況時(shí)，對其風(fēng)扇采用Fan模型，換熱器采用Radiator模型；
?。?）設(shè)置空冷器入口邊界條件為壓力進(jìn)口，出口邊界條件為壓力出口。
由于對空冷器單元整體模擬，關(guān)心的是整體換熱性能，并不關(guān)心換熱器管束內(nèi)部流動，因此對模擬模型進(jìn)行了簡化。將翅片管束處理為散熱器（Radiator）平面，在該平面上設(shè)置壓力損失，換熱器系數(shù)等參數(shù)，流經(jīng)Radiator模型的流動阻力以及經(jīng)驗(yàn)損失系數(shù)與流體的動壓頭有關(guān)聯(lián)。本文一級翅片管束采用的流動阻力損失曲線[11]為p =0.1624+12.505v+0.9972v2，2級翅片管束采用的流動阻力損失曲線[11]為p=0.17864+13.7555v +1.09692v2。2級翅片管換熱時(shí)總的對流換熱系數(shù)[12] 均取k=276.23+39.028v-8.5439v2+0.7057v3。風(fēng)扇的處理采用集總參數(shù)的思想[13]，在模型中通過Fan模型引入風(fēng)扇的性能曲線，假定為一個(gè)無限薄的平面，空氣通過風(fēng)機(jī)時(shí)壓力會升高，這個(gè)不連續(xù)壓升可以由通過風(fēng)機(jī)的空氣速度來定義。本文采用的風(fēng)機(jī)性能曲線[11]為p=360.875+11.013v-1.84v2 +0.0199v3。
考慮切向速度對流場的影響，激活風(fēng)機(jī)模型中的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置，認(rèn)為徑向速度為0[11]，切向速度與半徑成線性關(guān)系v0=fr，其中f=10.09。
3、結(jié)果與分析
3.1 空冷器局部結(jié)構(gòu)對流動和換熱的影響
分別建立了有無進(jìn)口降噪板、出口收縮段的空冷器模型，模擬計(jì)算了其對空冷器流動分布的影響。計(jì)算結(jié)果如表2所示：無入口降噪板和出口收縮段時(shí)，空冷器內(nèi)冷卻空氣的流量會相應(yīng)增加1%左右；封堵回流區(qū)域也有利于提高冷卻空氣的流量約為1.26%。
空冷器的入口降噪板和出口收縮段對于其阻力損失影響較小。圖3和圖4分別為入口降噪板和出口收縮段對空冷器內(nèi)部溫度分布圖的影響，差異非常小，說明進(jìn)口降噪板和出口收縮段不是引起空冷器性能變差的主要因素。
實(shí)際運(yùn)行的空冷器單元內(nèi)一側(cè)存在熱回流區(qū)域，對比Model1（基本模型）和Model3（無回流區(qū)域）z=0mm平面的溫度分布，如圖5所示。根據(jù)模擬結(jié)果：當(dāng)換熱器存在回流區(qū)域時(shí)，低于回流區(qū)域平面50mm的平面平均溫度為320.1K，比無回流區(qū)域時(shí)高18.27K；風(fēng)扇1在位置上接近換熱器旁的回流區(qū)域，當(dāng)換熱器存在回流區(qū)域時(shí)，回流的高溫空氣會重新通過風(fēng)扇進(jìn)入空冷器系統(tǒng)，風(fēng)扇1的進(jìn)氣溫度為301.22K，高于無回流區(qū)域1.05K；由于高溫空氣進(jìn)入風(fēng)扇1，也導(dǎo)致風(fēng)扇自身性能下降，流量降低1.26%；通過有回流區(qū)域模型兩風(fēng)扇的空氣速度較無回流區(qū)域模型低3.5%左右。結(jié)果說明，熱回流區(qū)對空冷器換熱性能有一定影響。
3.2 翅片管束積灰對流動和換熱的影響
現(xiàn)場實(shí)際的空冷器翅片管外存在嚴(yán)重積灰，為此對空冷器模型模擬了翅片管束從0.1mm增加到0.5mm厚度的積灰，模擬積灰對于空冷器流動性能和傳熱性能的影響。積灰熱阻的取值及傳熱系數(shù)的影響[14]。對模型依次編號1、2、3、4、5，按此順序翅片管束積灰逐漸增厚，翅片管束的阻力損失也逐漸增大。
按照風(fēng)機(jī)性能曲線和一級換熱翅片管阻力損失曲線繪制所示的性能曲線如圖6所示，當(dāng)換熱器積灰厚度從0.1mm增加到0.5mm，其阻力損失增加了近4倍。計(jì)算結(jié)果表明，換熱器積灰使軸流風(fēng)扇性能顯著降低，流量減小27.55%。
圖7為翅片管束積灰前、后冷卻空氣溫度分布。
翅片管換熱器積灰后管外導(dǎo)熱熱阻增大，但翅片間距很小，積灰使相應(yīng)的流道截面也變小明顯，空氣流速增加，所以需考量多因素對于管外對流換熱系數(shù)和積灰后總換熱系數(shù)的影響。傳熱系數(shù)K隨翅片管積灰厚度增加表現(xiàn)出略微增大的趨勢，但是積灰后阻力損失增大導(dǎo)致風(fēng)扇性能顯著降低，冷卻空氣流量的驟減抵消了傳熱系數(shù)升高的影響，z*終翅片管束單位時(shí)間內(nèi)換熱量顯著下降。
3.3 環(huán)境溫度對流動及換熱的影響
由于氣體的物理屬性對于風(fēng)機(jī)的性能和系統(tǒng)的阻力損失都有影響，參考空冷器實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)場環(huán)境溫度變化范圍，本文對1號空冷器模型模擬了環(huán)境溫度-30℃到50℃變化時(shí)，通過改變不同環(huán)境溫度下的空氣屬性模擬空冷器單元流動和換熱性能。
當(dāng)空冷器進(jìn)氣溫度升高時(shí)，冷卻空氣的密度會減小，根據(jù)風(fēng)扇的密度效應(yīng)規(guī)律[15]：當(dāng)流經(jīng)系統(tǒng)的氣體密度減小時(shí)，風(fēng)扇內(nèi)功率和風(fēng)扇壓力都會減小。模擬的空冷器進(jìn)氣流量和通過風(fēng)機(jī)的冷卻空氣質(zhì)量流量，當(dāng)進(jìn)氣溫度從-30℃上升到50℃時(shí)，流量減少了17.94%，冷空氣出口溫度升高10℃。圖8為進(jìn)氣溫度為-30℃和50℃時(shí)，空冷器單元在z=0平面的溫度分布圖。
根據(jù)模擬結(jié)果，由于夏季和冬季空氣的物理屬性相差較大，夏季運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入空冷器的冷卻空氣質(zhì)量流量會大幅降低，導(dǎo)致空冷器冷卻能力削減。因此，為滿足全年從冬季到夏季空冷器換熱效果，應(yīng)相應(yīng)增大風(fēng)扇流量。
3.4 現(xiàn)場改造后空冷器換熱效果
根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，2016年3月23日，儲氣庫6#空冷器2個(gè)原8葉片風(fēng)扇更換為10葉片風(fēng)扇，2016年6月9日對6#空冷器翅片管束進(jìn)行積灰清理，5#機(jī)組未做任何改動。機(jī)組出口天然氣溫度對比如表3所示，更換風(fēng)扇并清理積灰后，機(jī)組出口溫度降幅在5℃左右，出口溫度滿足要求。
4、結(jié)論
建立了空冷器單元整體數(shù)值模擬模型，對比了局部結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度等各因素對風(fēng)扇及換熱器性能的影響。主要結(jié)論如下：
?。?）通過對空冷器單元整體建模進(jìn)行流場及溫度場的數(shù)值模擬，是一種分析空冷器換熱性能的有效手段。
（2）該空冷器進(jìn)口降噪板對于空冷器的流動性能影響較小，在進(jìn)口處增加降噪板后和出口收縮段后，空冷器運(yùn)行時(shí)冷卻空氣流量僅減少了1%左右封堵?lián)Q熱器旁回流區(qū)域可提高冷卻空氣流量1.26%。
?。?）翅片管外積灰從0.1mm增加到0.5mm厚時(shí)，系統(tǒng)阻力損失增加4倍，導(dǎo)致冷卻空氣流量減小了27.55%，致使換熱效率降低，故及時(shí)清理積灰可有效提高換熱效率；當(dāng)環(huán)境溫度從-30℃增加至50℃時(shí)，冷卻空氣質(zhì)量流量減小了17.94%，從而導(dǎo)致空冷器冷卻能力降低。
?。?）現(xiàn)場更換大流量風(fēng)扇并清理積灰后，機(jī)組出口天然氣溫度降低5℃左右，在夏季高溫時(shí)可以滿足排溫要求。
參考文獻(xiàn)
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【壓縮機(jī)網(wǎng)】摘要：針對國內(nèi)某大型天然氣儲氣庫站場空冷器換熱效率低的問題，為找出引起空冷器換熱性能變差的原因，對空冷器改造提供理論依據(jù)。以實(shí)際工程為原型，建立空冷器單元整體三維模型，模擬分析了空冷器進(jìn)出口消聲措施、換熱器旁回流區(qū)域、換熱器表面積灰及不同環(huán)境溫度下對空冷器內(nèi)流場及溫度場的影響。研究結(jié)果表明：進(jìn)出口消聲措施和換熱器旁回流區(qū)域?qū)绽淦鲉卧枇p失影響較小，分別引起冷卻空氣流量降低約1%和1.26%；換熱器翅片管束外積灰對空冷器換熱影響較大，積灰厚度從0.1mm增厚0.5mm時(shí)，冷卻空氣流量減小27.55%，大幅降低了空冷器換熱能力；運(yùn)行現(xiàn)場環(huán)境溫度從-30℃（冬季z*低溫度）上升至50℃時(shí)（夏季z*高溫度），冷卻空氣質(zhì)量流量降低17.94%。根據(jù)研究結(jié)論，清洗翅片管積灰和更換大流量風(fēng)扇是改善該空冷器換熱效果的主要措施，現(xiàn)場改造后空冷器換熱有明顯改善，機(jī)組出口溫度可以滿足要求。
1、引言
國內(nèi)某天然氣儲氣庫投產(chǎn)后，壓縮天然氣的二級排氣出口溫度z*高達(dá)72℃，超出原有設(shè)計(jì)出口排氣溫度不高于65℃的要求，直接影響壓縮機(jī)及儲氣庫的穩(wěn)定運(yùn)行。由于空冷器運(yùn)行噪聲不滿足國標(biāo)要求[1]，對其進(jìn)出口進(jìn)行了降噪處理，改變了空冷器系統(tǒng)流動阻力；儲氣庫注氣期均要經(jīng)歷夏季高溫條件，空冷器冷卻空氣狀態(tài)變化較大；儲氣庫壓縮機(jī)工況波動較大，壓縮機(jī)出口設(shè)計(jì)壓力為16.0～32.0 MPa，排氣溫度會隨著排氣壓力升高而升高；另外，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，空冷器翅片管外積灰增厚也會影響換熱效率。為找出影響該空冷器換熱效果的主要因素，需要對空冷器單元整體流動和換熱情況進(jìn)行詳細(xì)分析。
空冷技術(shù)在國外已經(jīng)比較成熟[2-6]，其中在公開發(fā)表的文獻(xiàn)中以學(xué)者Bergles[7]所做的研究z*具有代表性，采用ANSYS CFD軟件對空冷器進(jìn)行換熱的數(shù)值模擬計(jì)算、對壓縮機(jī)廠房內(nèi)流場分布進(jìn)行模擬計(jì)算；Duvenlage[8]對空冷散熱器的三維流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，考慮了水平風(fēng)沿空冷器長軸方向和縱軸方向時(shí)的情況；Staden[9]建立了數(shù)學(xué)模型，研究了周圍環(huán)境橫風(fēng)對直接空冷系統(tǒng)性能的影響。國內(nèi)研究人員對空冷器內(nèi)流動分布和換熱強(qiáng)化開展了大量理論研究、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究。劉占斌[10]對翅片管換熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究，對翅片管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析，獲得了z*優(yōu)的傳熱性能；程遠(yuǎn)達(dá)[11]對直接空冷式翅片管進(jìn)行了換熱的數(shù)值研究，采用了多孔介質(zhì)概念來代替實(shí)際的翅片管束，利用熱交換模塊模擬空冷單元內(nèi)部換熱，分析不同環(huán)境參數(shù)對空冷單元流動和換熱的影響。
采用CFD技術(shù)是目前研究空冷器性能的主要手段，本文對某儲氣庫壓縮機(jī)系統(tǒng)空冷器單元整體建立三維數(shù)值模擬模型，通過對不同情況下空冷器內(nèi)流場和溫度場的計(jì)算分析，找出影響空冷器換熱效果的主要因素，為空冷器性能改進(jìn)提供依據(jù)。
2、數(shù)學(xué)模型及模擬方法
2.1 空冷器模型建立
某儲氣庫現(xiàn)場運(yùn)行的壓縮機(jī)共8臺，每臺配有相同的空冷單元，采用翅片管式換熱器，2臺45kW 軸流風(fēng)扇。圖1為根據(jù)現(xiàn)場空冷器結(jié)構(gòu)，按1比1建立的數(shù)學(xué)模型，后文提到z=0mm平面在圖1（b）中標(biāo)出。該空冷器單元包含壓縮機(jī)一級排氣冷卻器和二級排氣冷卻器，分別冷卻壓縮機(jī)兩級壓縮之后的高溫天然氣，一級冷卻器翅片管束為三排管錯排排列，二級冷卻器翅片管束為四排管錯排排列。
63nibnmgKfmqKHmi5/noJTnqbZcIiBzcmM9XCIvdXBsb2FkZmlsZS8yMDE3LzExMzAvMjAxNzExMzAwNTEzMTI0OTQuanBnXCIgLz4=@!@~@!@@
為研究局部結(jié)構(gòu)對空冷器換熱的影響，本文建立了不同模型，用于與基本模型做對比。由于篇幅限制，其具體的模型結(jié)構(gòu)不再一一呈現(xiàn)，將每一個(gè)模型的結(jié)構(gòu)區(qū)別和編號列出在表1中。
2.2 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證
對于現(xiàn)有的空冷單元分別劃分了207萬、330萬、464萬網(wǎng)格，驗(yàn)證了網(wǎng)格無關(guān)性?？疾炝?個(gè)風(fēng)扇、冷卻空氣入口的質(zhì)量流量和翅片管束前（平面y=3755mm）冷卻空氣的靜壓，結(jié)果偏差在5%以內(nèi)。模擬計(jì)算模型選取了330萬網(wǎng)格，模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。
2.3 邊界條件設(shè)置
空冷器單元內(nèi)流場和換熱模擬計(jì)算時(shí)，對其計(jì)算區(qū)域，需設(shè)置相應(yīng)的邊界條件。
（1）為了模擬計(jì)算時(shí)給定計(jì)算模型穩(wěn)定的進(jìn)出口邊界條件，對模型入口部分延長3m，出口部分延長40m；
（2）空冷器單元內(nèi)為復(fù)雜的三維湍流流動，計(jì)算時(shí)選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型；
（3）在模擬分析空冷器單元換熱情況時(shí)，對其風(fēng)扇采用Fan模型，換熱器采用Radiator模型；
?。?）設(shè)置空冷器入口邊界條件為壓力進(jìn)口，出口邊界條件為壓力出口。
由于對空冷器單元整體模擬，關(guān)心的是整體換熱性能，并不關(guān)心換熱器管束內(nèi)部流動，因此對模擬模型進(jìn)行了簡化。將翅片管束處理為散熱器（Radiator）平面，在該平面上設(shè)置壓力損失，換熱器系數(shù)等參數(shù)，流經(jīng)Radiator模型的流動阻力以及經(jīng)驗(yàn)損失系數(shù)與流體的動壓頭有關(guān)聯(lián)。本文一級翅片管束采用的流動阻力損失曲線[11]為p =0.1624+12.505v+0.9972v2，2級翅片管束采用的流動阻力損失曲線[11]為p=0.17864+13.7555v +1.09692v2。2級翅片管換熱時(shí)總的對流換熱系數(shù)[12] 均取k=276.23+39.028v-8.5439v2+0.7057v3。風(fēng)扇的處理采用集總參數(shù)的思想[13]，在模型中通過Fan模型引入風(fēng)扇的性能曲線，假定為一個(gè)無限薄的平面，空氣通過風(fēng)機(jī)時(shí)壓力會升高，這個(gè)不連續(xù)壓升可以由通過風(fēng)機(jī)的空氣速度來定義。本文采用的風(fēng)機(jī)性能曲線[11]為p=360.875+11.013v-1.84v2 +0.0199v3。
考慮切向速度對流場的影響，激活風(fēng)機(jī)模型中的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置，認(rèn)為徑向速度為0[11]，切向速度與半徑成線性關(guān)系v0=fr，其中f=10.09。
3、結(jié)果與分析
3.1 空冷器局部結(jié)構(gòu)對流動和換熱的影響
分別建立了有無進(jìn)口降噪板、出口收縮段的空冷器模型，模擬計(jì)算了其對空冷器流動分布的影響。計(jì)算結(jié)果如表2所示：無入口降噪板和出口收縮段時(shí)，空冷器內(nèi)冷卻空氣的流量會相應(yīng)增加1%左右；封堵回流區(qū)域也有利于提高冷卻空氣的流量約為1.26%。
空冷器的入口降噪板和出口收縮段對于其阻力損失影響較小。圖3和圖4分別為入口降噪板和出口收縮段對空冷器內(nèi)部溫度分布圖的影響，差異非常小，說明進(jìn)口降噪板和出口收縮段不是引起空冷器性能變差的主要因素。
實(shí)際運(yùn)行的空冷器單元內(nèi)一側(cè)存在熱回流區(qū)域，對比Model1（基本模型）和Model3（無回流區(qū)域）z=0mm平面的溫度分布，如圖5所示。根據(jù)模擬結(jié)果：當(dāng)換熱器存在回流區(qū)域時(shí)，低于回流區(qū)域平面50mm的平面平均溫度為320.1K，比無回流區(qū)域時(shí)高18.27K；風(fēng)扇1在位置上接近換熱器旁的回流區(qū)域，當(dāng)換熱器存在回流區(qū)域時(shí)，回流的高溫空氣會重新通過風(fēng)扇進(jìn)入空冷器系統(tǒng)，風(fēng)扇1的進(jìn)氣溫度為301.22K，高于無回流區(qū)域1.05K；由于高溫空氣進(jìn)入風(fēng)扇1，也導(dǎo)致風(fēng)扇自身性能下降，流量降低1.26%；通過有回流區(qū)域模型兩風(fēng)扇的空氣速度較無回流區(qū)域模型低3.5%左右。結(jié)果說明，熱回流區(qū)對空冷器換熱性能有一定影響。
3.2 翅片管束積灰對流動和換熱的影響
現(xiàn)場實(shí)際的空冷器翅片管外存在嚴(yán)重積灰，為此對空冷器模型模擬了翅片管束從0.1mm增加到0.5mm厚度的積灰，模擬積灰對于空冷器流動性能和傳熱性能的影響。積灰熱阻的取值及傳熱系數(shù)的影響[14]。對模型依次編號1、2、3、4、5，按此順序翅片管束積灰逐漸增厚，翅片管束的阻力損失也逐漸增大。
按照風(fēng)機(jī)性能曲線和一級換熱翅片管阻力損失曲線繪制所示的性能曲線如圖6所示，當(dāng)換熱器積灰厚度從0.1mm增加到0.5mm，其阻力損失增加了近4倍。計(jì)算結(jié)果表明，換熱器積灰使軸流風(fēng)扇性能顯著降低，流量減小27.55%。
圖7為翅片管束積灰前、后冷卻空氣溫度分布。
翅片管換熱器積灰后管外導(dǎo)熱熱阻增大，但翅片間距很小，積灰使相應(yīng)的流道截面也變小明顯，空氣流速增加，所以需考量多因素對于管外對流換熱系數(shù)和積灰后總換熱系數(shù)的影響。傳熱系數(shù)K隨翅片管積灰厚度增加表現(xiàn)出略微增大的趨勢，但是積灰后阻力損失增大導(dǎo)致風(fēng)扇性能顯著降低，冷卻空氣流量的驟減抵消了傳熱系數(shù)升高的影響，z*終翅片管束單位時(shí)間內(nèi)換熱量顯著下降。
3.3 環(huán)境溫度對流動及換熱的影響
由于氣體的物理屬性對于風(fēng)機(jī)的性能和系統(tǒng)的阻力損失都有影響，參考空冷器實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)場環(huán)境溫度變化范圍，本文對1號空冷器模型模擬了環(huán)境溫度-30℃到50℃變化時(shí)，通過改變不同環(huán)境溫度下的空氣屬性模擬空冷器單元流動和換熱性能。
當(dāng)空冷器進(jìn)氣溫度升高時(shí)，冷卻空氣的密度會減小，根據(jù)風(fēng)扇的密度效應(yīng)規(guī)律[15]：當(dāng)流經(jīng)系統(tǒng)的氣體密度減小時(shí)，風(fēng)扇內(nèi)功率和風(fēng)扇壓力都會減小。模擬的空冷器進(jìn)氣流量和通過風(fēng)機(jī)的冷卻空氣質(zhì)量流量，當(dāng)進(jìn)氣溫度從-30℃上升到50℃時(shí)，流量減少了17.94%，冷空氣出口溫度升高10℃。圖8為進(jìn)氣溫度為-30℃和50℃時(shí)，空冷器單元在z=0平面的溫度分布圖。
根據(jù)模擬結(jié)果，由于夏季和冬季空氣的物理屬性相差較大，夏季運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入空冷器的冷卻空氣質(zhì)量流量會大幅降低，導(dǎo)致空冷器冷卻能力削減。因此，為滿足全年從冬季到夏季空冷器換熱效果，應(yīng)相應(yīng)增大風(fēng)扇流量。
3.4 現(xiàn)場改造后空冷器換熱效果
根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，2016年3月23日，儲氣庫6#空冷器2個(gè)原8葉片風(fēng)扇更換為10葉片風(fēng)扇，2016年6月9日對6#空冷器翅片管束進(jìn)行積灰清理，5#機(jī)組未做任何改動。機(jī)組出口天然氣溫度對比如表3所示，更換風(fēng)扇并清理積灰后，機(jī)組出口溫度降幅在5℃左右，出口溫度滿足要求。
4、結(jié)論
建立了空冷器單元整體數(shù)值模擬模型，對比了局部結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度等各因素對風(fēng)扇及換熱器性能的影響。主要結(jié)論如下：
?。?）通過對空冷器單元整體建模進(jìn)行流場及溫度場的數(shù)值模擬，是一種分析空冷器換熱性能的有效手段。
（2）該空冷器進(jìn)口降噪板對于空冷器的流動性能影響較小，在進(jìn)口處增加降噪板后和出口收縮段后，空冷器運(yùn)行時(shí)冷卻空氣流量僅減少了1%左右封堵?lián)Q熱器旁回流區(qū)域可提高冷卻空氣流量1.26%。
?。?）翅片管外積灰從0.1mm增加到0.5mm厚時(shí)，系統(tǒng)阻力損失增加4倍，導(dǎo)致冷卻空氣流量減小了27.55%，致使換熱效率降低，故及時(shí)清理積灰可有效提高換熱效率；當(dāng)環(huán)境溫度從-30℃增加至50℃時(shí)，冷卻空氣質(zhì)量流量減小了17.94%，從而導(dǎo)致空冷器冷卻能力降低。
?。?）現(xiàn)場更換大流量風(fēng)扇并清理積灰后，機(jī)組出口天然氣溫度降低5℃左右，在夏季高溫時(shí)可以滿足排溫要求。
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