压缩机冷却器工艺计算软件研制

聂德平

刘夕凤 程广庆 王学生 倪志宇

* n# j. V; e2 F. [               ( 上海电气压缩机泵业有限公司  华东理工大学化工机械研究所 )
    摘要：编写了压缩机冷却器工艺计算软件,包含40多种常用压缩机气体介质的物性参数数据,可实现传统换热器和多种新型高效换热器工艺计算。介绍了软件的设计思路和特点并采用软件手段与人工手算方法对横纹波纹管冷却器工艺计算进行了对比,结果吻合良好。

6 c- F4 D  l/ t+ W/ F     压缩机要实现等温压缩,效率优化,保证出口压力和出口温度等指标,各段间要配置冷却器。由于压缩机对各段间允许的压力损失和进出口温度的严格要求,决定了冷却器设计与选型的重要性以及特殊性。
; ^: u: x0 j4 L$ \5 }1 E& j    目前,国内许多生产厂家已经发现压缩机的冷却器不但对机组的节能降耗有着十分重要的意义而且对压缩机的安全生产运行有着更为重要的意义。近几年来,国内学者围绕压缩机的冷却器高效节能这一中心,也展开了一些研究及应用工作。
    压缩机冷却器的工艺设计大都采用是手工计算完成。传统的人工计算需要进行大量的数据查询,设计计算的周期较长,且容易出现设计计算误差甚至错误,造成工作量大,效率低,周期长,设计质量不理想。为了提高设计过程的工作效率,现在将这些重复性强、繁琐且枯燥的公式计算工作交给计算机完成,对压缩机冷却器工艺设计进行电算化编程研究。开发冷却器设计软件,可使设计过程更加简化,缩短设计周期,提高设计质量,达到事半功倍的目的。
    为此,本文研发了一套压缩机冷却器工艺计算软件。该软件具有独立的物性数据库,采用科学的 物性参数处理方法,并且支持新型结构的换热器设 计计算。使用编写的工艺计算软件,对一套年产15万吨尿素装置4M32K压缩机系统中的冷却器进行了传热与流体流动工艺计算,计算结果与解析法计算吻合较好,验证了工艺计算软件的可靠性。
    1　压缩机冷却器工艺设计软件的设计思路和特点
    压缩机冷却器传热计算的目的是为了根据所处理的气量和温度要求确定所需的换热面积,其任务包括确定冷却器的热负荷、冷却介质的耗量、换热器两侧的传热膜系数和传热面积、冷凝水的质量等。 计算时,首先应根据参考结构或经验数据,大致选择一种结构,初步估计传热系数K进行具体计算,最后校核换热面积并保证有一定的安全裕度。
              
    压缩机冷却器工艺设计软件使用Visual Basic 6·0编写,采用步骤引导式的界面,用户可以很容易的完成数据填写和计算。除具备实现传统弓形折流板换热器工艺计算外,还包括波纹管换热器、翅片管换热器、折流杆换热器等新型高效换热器的工艺计 算方法[1-3],实现了将新型高效换热器的工艺计算方法及技术的公式变成程序语言,嵌入程序设计中, 从而使得高效换热器的工艺计算方法及技术在换热器的设计中得到体现。
& ~. Z: b( \3 A( b, x    软件有独立的一套物性参数数据库,涵盖了合成氨、乙烯、天然气工业中43种常用压缩机气体介质[4]在0~32MPa不同压力、0~200℃不同温度下的比热容、粘度、导热系数、密度等物性值。用户只需选择压缩气中包括的物质名称并指定其所占的比值,软件即可计算得出混合气在定性温度和工作压力下的各项物性参数,节省了设计人员查询图表的大量时间。
    在制作数据库时,本文将每种介质的物性按照不同的压力(0~32 MPa)做成很多数据表,每一个数据表中包含了0~200℃的对应物性。使用ADO(数据访问组件:Active Data Object)访问数据库,在VB程序中结合SQL语句,按照指定的工作压力和定性温度查询相应数据表中的数据,并用数组将它们储存起来,然后进行混合计算。与光滑的物性曲线不同,数据库中的数据都是以表格的形式储存的,对于表中两个温度点间的物性,我们分别取出两个温度下的物性,进行线形插值,以保证从数据库中查询得到的结果与线形图表足够一致。
    2　计算实例
    本文参考某化工公司的一套年产15万吨尿素装置4M32K压缩机一级冷却器作为实例,验证软件计算是否准确可靠。该冷却器工艺条件如表1所示。
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* n# c/ h( \4 n. I1 O    该冷却器使用的换热元件为图2所示的横纹波 纹管。根据以往设计经验初选表2中的结构参数, 换热器结构如图3所示。
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1 w% l4 n& _8 N0 v: q* {3 |* O    初始条件确定完毕后,就可以将它们输入程序中。包括了4项主要步骤:
    (1)输入操作条件———原始工艺数据的输入和设置。主要为流体的流量、压力、温度、相对湿度、污垢热阻等。此外还要指定一种换热器类型,包括的 换热器类型主要有管壳式换热器、套管式换热器、喷淋式换热器、板式换热器、风冷式换热器等。这个实 例中选择为管壳式换热器。
6 e7 n. Y* a/ }    (2)计算物性参数———混合气体物性参数计算部分。依靠数据库该部分能计算出冷却器定性温度、工作压力下的混合气体的定压比热、导热系数、动力粘度,混合气体的平均分子量等冷却器计算中相关物理量。这里选取压缩气体成分为CO2。
5 g3 N- I+ [. i  R/ ^) O    (3)传热和压降计算———根据设计的实际情况 进行冷却器的初步选型,如封头形式、换热管的形 式、换热管排列方式、换热管支撑形式、管程分程等 情况,若为设计计算,应为冷却器估计总传热系数。 本例中为了验证,指定了壳径大小和排管数。将表 2中参数数据在此输入。根据图1的框图思路,程 序将完成冷却器的传热计算和压降计算。
    (4)输出结果———包括所关心的换热面积、设 计热负荷、管内流动压力降、管外流动压力降、根据 不同结构形式计算得出的管侧和壳侧对流传热系 数、传热温差、冷凝水量等各项详细结果,如图4所 示。如果对设计结果满意,可以将其生成EXCEL表 格打印输出[5]。
8 a2 P" y' k6 A; L& u6 T9 O3 f    将以上结果和以往资料中使用传统手工计算的 结果一并整理于表3中。通过对比可见,软件计算 结果与手工计算结果基本吻合,证明此软件是准确 可靠的。
            
    3　结论
                     
    本文研制编写了一套压缩机冷却器工艺计算软 件,用于压缩机冷却器的设计和改造中,可以大大减 轻工作量。该软件包含物性数据库,并且同时支持 传统和新型结构的换热器设计计算。软件涉及传热 元件主要有光滑管、螺旋波纹管、横纹波纹管、低翅 片螺纹管等,包括换热器结构主要有管壳式换热器、 套管式换热器、喷淋式换热器、板式换热器、风冷式 换热器等。其中管壳式换热器主要包括弓形挡板式 换热器、环盘式换热器、折流杆式换热器。
    使用该软件,对一套年产15万吨尿素装置 4M32K压缩机系统中的一台冷却器进行了传热与 流体流动工艺计算,计算结果与解析法计算吻合较 好,验证了工艺计算软件的准确性与可靠性。 另外,通过软件还可以预估一些新型高效换热 器的效率,提供有效的设计依据。