王中 (黑龙江工程学院)
引言
V换热器是国内外天然气输送生产中广泛使用的石油机械设备。我国自1990年以来,开发研制薄壁不锈钢波纹管,用以制作换热器的管束,其显著特点是效率高,质量轻,防结垢,耐腐蚀,消应力,减振动,该项技术已日臻成熟。但是,单层薄壁无缝不锈钢波纹管因“点腐蚀”而容易发生渗漏,这就不同程度地制约了其推广应用。
据生产记录,大庆天然气公司二大队萨南输气站2Ｄ12压缩机每年夏季生产连锁停机大约20次,其中间换热器管束为普通列管式,管程为
10ｍｍ铜管,易结垢堵塞,致使水流不畅,换热效率下降。换热器铜管束安装在碳钢板上,两者电位不同,在冷却水作用下,发生电化学作用,产生点腐蚀而泄漏。二级气缸入口天然气温度过高,使二级排气阀的使用寿命大大缩短,常出现阀片断裂和弹簧松弛等损坏现象。为彻底解决上述一系列生产难题,课题组研制开发了多层不锈钢波纹管换热器,应用于萨南输气站2Ｄ12压缩机组,效果很好。
技术分析
1 原理
波纹管管内流动分为等直径流速型式和弧型流速型式,由于流速和压力周期性变化,形成内壁的涡旋流极大地破坏了边界层和污垢层的厚度,因此多层不锈钢波纹管比直管的换热系数明显增大。通过实验得到了波纹管内、外侧换热准则方程。管内侧换热系数αｉ=0
07895λｉｄｅＲｅｉ0 8134Ｐｒｉ0 4
管外侧换热系数αｏ=0 3286λｏｄｅＲｅｏ0 609Ｐｒｏ0
4式中λｉ、λｏ———波纹管内、外侧的导热系数,Ｗ/(ｍ2•℃);ｄｅ———管当量直径,ｍｍ;Ｒｅｉ、Ｒｅｏ———管内、外侧流体雷诺数;Ｐｒｉ、Ｐｒｏ———管内、外侧流体普朗特数。
2 结构设计
多层不锈钢波纹管的波峰与波谷之间的高度约为10ｍｍ,冷热流体流动时会产生强烈扰动,使流体的流动达到湍流状态。管壁设计成超薄型(0
5～0
8ｍｍ),能减少热阻,提高换热效率。波峰与波谷可增强轴向伸缩能力,有效地减小温差应力,使波纹管管束适应大幅度温度变化。波纹管表面曲率大,运行过程中的径向膨胀和轴向伸缩使管内壁的结垢层易脱落,具有独特的防垢和自动除垢性能。
3 制造工艺
采用厚度δ=0 4～0 5ｍｍ的特种不锈钢板材,卷成外径Ｄ=20～34ｍｍ的直管(直径相差0 8～1
0ｍｍ),将焊缝均分错开,套装组合,经特殊工艺凸起胀挤波型,使管体成为多层的、互为紧配合的一体波纹管。以总传热系数达最高值为目标函数,采用优化分析方法,经计算机整理,得出新型多层不锈钢波纹管最佳设计波峰、波距等参数,如图1所示。
设计与运行测试
1 总体设计方案
根据ＭＢ基尔比切夫和ＡＡ古赫曼的第三相似定理,采用热模拟法实验研究[2],取得了相关技术数据,据此执行如下的总体设计方案:(1)波纹管换热器的管束为波纹管,管程采用轴向折流板;(2)波纹管换热器在运行中,要析出冷凝液,应考虑冷凝液的排放,即天然气出口位置尽可能低,管程折流板开适当的排液孔。(3)为了不改变压缩机、冷却水管线与中间冷却器原接口位置,波纹管换热器的管程、壳程进出口位置应以现场安装尺寸为准[3]。设计条件:天然气进口温度100～110℃;天然气出口温度35～40℃;天然气流量4200ｍ3/ｈ;冷却水进口温度40～45℃;冷却水流量不大于45ｍ3/ｈ。设计结果:设计压力1
0ＭＰａ;设计温度150℃;工作压力0 4ＭＰａ;换热面积45ｍ2;管程数2;波纹换热管 732ｍｍ×0
8ｍｍ×2110ｍｍ;材质0Ｇｒｌ8Ｎｉ9,数量204根。
2 运行测试
将安装波纹管的换热器(1号机)与普通列管式换热器(2号机)分别进行了运行测试,测试条件见表1,测试结果见表2。
分别计算2种机型的换热量,结果如下:2号机换热面积Ａ1=58ｍ2,1号机换热面积Ａ2=45ｍ2;2号机换热量
ｑｉ=5648ｋＪ/ｈ,1号机换热量 Ｑｉ=9100ｋＪ/ｈ;换热量比率( Ｑｉ- ｑｉ)/
ｑｉ≈61%。这说明波纹管换热器的换热效率比列管换热器的高约61%]。
