新型气体冷却器和分离器的组合设备

邹忠旭 启中华 黄晓晨 周全

摘要：针对类似水煤气介质的特点，考虑到压缩机整体装置的实际需要，开发出一种切实可行的冷却器和分离器的组合设备。对其关键的结构设计、热力计算进行了阐述，并通过决议与原有产品型式的结构和性能做比较，对该组合设备的优势进行了分析。

关键词：冷却器分离器组合设备

中图分类号：V228文献标识码： A 文章编号：

1 引言

通常在离心压缩机各段间需要配置气体冷却器和气液分离器，为的是能满足在进入下一段压缩机前将高温气体冷却下来，并将液体分离出来的要求。不同介质需要选用不同型式的冷却器和分离器。针对类似水煤气多种混合介质的特性，一般设计的冷却器和分离器类型是气体走管程的填料函式冷却器[1]，和带有除沫网的立式分离器。随着市场需求的扩大，有的离心压缩机设计成了许多缸的机组，要设置的冷却器和分离器会多达十几个。这样多的容器设备和连接管路要占用大量空间。如果从整套机组的角度看待冷却器和分离器来优化其设计，以节省功耗和空间，那么必将会对装置的整体性带来多种益处。

2设计

以一台为某钢厂设计的水煤气压缩机组参数为例，介绍一种新型的冷却分离组合设备的设计。

冷却器工艺参数：容积流量为21330Nm3/h ， 一段压缩机进口压力为0.12MPa，一段压缩机进口温度为40℃，冷却器进口压力为0.212MPa，冷却器进口温度为104.3℃，冷却器允许压力损失为0.007 MPa，介质组分H2,CH4,C2H4, C3H6,N2, CO,CO2, H2O, O2，共9种，分子量为10.3。

2.1结构设计

新型冷却器的结构特点（见图1）：气体走壳程，冷却水走管程。冷却管为光管。分离器安装在出气口下部，管束结构为长方形。管束中设置的多块支撑板将管束分割成若干个跨区。在前管板上有前水箱，进水口在前水箱下部，出水口在上部。后管板上连有后水箱。前后水箱内都设分程隔板。在壳体上部有隔板，在隔板上安装密封条。隔板和密封条将壳体分割为两部分，一部分是装冷却器，另一部分装分离器。

所有受压零件都要进行强度计算，符合国家标准[2]的零件，利用SW6强度软件计算。而像壳体前端板等零件需要用分析设计方法计算的，可以利用ANSYS软件进行强度分析。

图1 新型气体冷却器

2.2介质流动方式

方形管束安装在圆形壳体内后，在壳体的上方和下方都有圆缺形通道。气体从进气管进入壳体后会首先通过正下方跨区的管子，当该处气体充满后由于阻力原因，其余气体通过圆缺形通道向相邻跨区分散，气体会依次充满整个管束。气体穿过管束后从下部圆缺形通道向出气口方向流动。

高温气体穿过管束时与冷却管内的冷水进行换热，进水管在前管箱最下方，出水管在最上方，冷水在冷却管内蛇形流动，使管束下部的气体可接触到温度最低的水。

通过管束的气体被冷却后，当其中的水蒸汽达到饱和状态时，就会有冷凝水夹带在气体中。在离开出气口前会碰到除沫网，可使其分离出来。

2.3传热计算

传热计算是采用我公司成熟的计算程序。该程序可以计算多种形式的冷却器，若将光管的参数和多种介质组分输入计算程序，就可以进行新结构冷却器的热力计算。通过计算结果可以确定换热管的规格、数量、壳体的直径、水程布置、以及换热面积和压力损失等参数（见表1），从而为设计提供了依据。

表1

2.4分离器设计

用公式计算通过丝网的允许最大气速和操作气速，再算出分离器的面积。将分离器分成两块可以方便安装。在丝网下部接近水箱侧，设计缓冲挡板以使气流能均匀通过丝网。分离器侧壳体上有液位计和变送器控制液位排放，带脱水包收集冷凝液可使液体排放更平稳。

3优越性分析

3.1 性能分析

冷却器的压力损失关系到压缩机整体功率的损耗。减少冷却器及其管路的压力损失势必将会提高整个机组的效率，减少功耗。因此压力损失是考核冷却器设计的关键参数之一。冷却器管束压力损失主要与气速和流通面积有关。

水煤气介质的污垢系数较大。较脏的气体使得冷却管只能选用光管，而其分子量小的特性与其他富气相比，在相同质量流量时其容积流量要比富气大得多。因此，靠减小折流板间距提高气流速度和传热系数的浮头式冷却器其压力损失太大，因此在这种介质工况下不宜选用。而同样是气走管外的新型冷却器气体流动特点是：气体充满管束后，一层层冷却。其气速比浮头式结构要小得多，因此气流流过管束的压力损失也非常小。压力损失分布情况以进口处最大，其余如出口处、扩散区和管束几处较小，而且相差不多。

为了使压力损失不大于压缩机提供的限定值，而选用气体走管程，水走壳程的填料函式冷却器是以往选用的设计方案。其压力损失可以用加大壳径的方法控制，用同一组参数比照填料函冷却器和新型冷却器热力计算的结果，可以看出该新结构管束体积小，有着较高的传热系数。

3.2结构分析

以往设计的填料函冷却器和立式分离器是分体的两个设备（见图2），通过法兰和管路连接在一起。从布置空间大小比较来看，组合式冷却器和分离器会节约很多空间，其安装和检修也要比分体的两个设备简便易行。

用上述给出的相同参数设计的两种方案结构比较见表2 。

表2

图2填料函冷却器和立式分离器

3.3成本分析

经济性是考察设备的关键一项。能否降低成本和提高性能对于技术创新同样重要。

制造一台新型的冷却器和分离器组合设备从使用材料成本上和加工制造成本上来比较，都要比制造一台填料函冷却器和立式分离器经济。材料上由于新型管束传热效率高，管束的体积要比填料函冷却器的小得多，故换热管可降低成本。新型组合设备的零件结构简单，又多使用板材，故其材料成本低并且材料利用率高。另外，制造填料函冷却器需要多个锻件法兰，不但法兰的加工成本高，而且其材料利用也率低。

4结论

通过实际产品设计得出结论，在工作压力不是很高时，选用这种新型冷却器和分离器组合设备明显具有以下优势：

（1）结构紧凑，节省占地空间；

（2）传热效率高，压力损失减少；

（3）节约成本，加工制造简单。

参考文献

[1] GB151-1999管壳式换热器.中国标准出版社出版，1999.

[2] GB150-1998钢制压力容器.中国标准出版社出版，2011.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。