管殼式冷油器改造思路及其工藝計算軟件的開發

盧寧，宋延梅

（德陽東汽電站機械制造有限公司，四川 德陽，618000）

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管殼式冷油器改造思路及其工藝計算軟件的開發

盧寧，宋延梅

（德陽東汽電站機械制造有限公司，四川 德陽，618000）

文章簡單地介紹了管殼式冷油器，指出銅管作為其換熱管的缺陷，提出采用不銹鋼管代替銅管的改造方案，同時開發了相應的改造工藝計算軟件。通過詳細論述和計算，證明了該改造方案的可靠性。

管殼式冷油器，改造，換熱管，軟件

1　概述

冷油器是汽輪機潤滑油系統中重要的熱交換設備，常用的冷油器有管殼式和板式兩種，其中管殼式冷油器因其制造工藝簡單、生產成本低、清洗方便等優點而得到廣泛應用，管殼式冷油器外形圖如圖1所示。

2　結構與工作原理

管殼式冷油器由一系列換熱管組成管束，換熱管固定在管板上，管板與外殼聯接在一起，筒體內部安裝大量折流板，以提高換熱器殼程的傳熱膜系數，改善冷油器的傳熱狀況。冷油器運行時，冷卻水由圖1中1進入換熱管，經下水室又折回上水室，再從圖1中2流出冷油器；潤滑油從圖1中4進入冷油器殼體下部，在冷卻管外部繞折流板流動，與冷卻管進行熱交換，冷卻潤滑油，最后從圖1中3流出冷油器，完成換熱過程。

圖1　管殼式冷油器外形圖

3　改造原因與方案

3.1改造原因

目前，國內較多電廠的冷油器仍采用銅管作為換熱管，存在以下兩點問題：

（1）冷油器使用的銅管中除銅元素外還含有鎳、鈷、錳和鐵，設備長時間運行后易產生點蝕，導致銅管磨損、腐蝕從而發生泄漏［1］；

（2）冷油器的管板和換熱管采用脹接工藝，工作時由于溫度變化及振動的影響，容易導致脹口松動，導致潤滑油泄漏。

3.2改造方案

為盡可能減少甚至消除泄漏，可采用不銹鋼管替代銅管作為冷油器的換熱管，并將管板由普通的碳鋼板改為復合板，管與管板的連接也由脹接改為脹焊并用。具體改造如下：

（1）將原冷油器采用的銅管改為不銹鋼管，例如將φ16×2的銅管改為φ16×1的不銹鋼管。改造后設備重量減輕，管內徑增大，管程壓降減小，另外，不銹鋼耐腐蝕性更強，可延長設備的使用壽命；

（2）采用復合管板代替碳鋼板，管與管板通過脹焊并用的方式連接，這不僅加強了管板的耐腐蝕性能，而且采用更可靠的連接方式，可有效地防止泄漏。

4　改造軟件的開發

傳統的冷油器采用手算設計方法，計算過程繁瑣，設計周期長。利用VB6.0編程語言開發計算軟件可克服這一缺點，大大提高工作效率［2］。

軟件的開發主要涉及兩方面內容：（1）選定可靠的工藝計算方法；（2）圍繞軟件需要實現的功能，設計軟件的界面并編寫程序代碼。

4.1工藝計算

冷油器改造工藝計算和新冷油器計算有一定區別，改造的冷油器通常僅更換換熱管及管板，其他數據和結構型式保持不變，故可以根據原冷油器已知參數直接算出所需數據。

4.1.1管程傳熱系數與壓降計算

流體在管內的流體力學和傳熱學的理論和試驗研究較為完善，文獻中有關傳熱系數和壓降的公式計算結果可靠［3］，故此處不再詳述。

4.1.2殼程傳熱系數計算

殼程流體流動情況復雜，不同的計算方法結果差異很大，其中貝爾法的應用最為廣泛［3］。

貝爾法按式（1）計算。

式中：hC為理想管排的傳熱系數，W/（m2·℃）；JC為圓缺窗口流體流動的影響系數；JI為折流板泄漏的影響系數；Jb為管束旁路的影響系數；Js為不等距進出口換熱器管板間距的影響系數；Jr為流體在殼程滯留的影響系數［4］。

為增強軟件準確性，本文還采用克恩法計算殼程傳熱系數進行驗證。

4.1.3殼程壓降計算

殼程的壓降計算同樣采用貝爾法，按式（2）計算。

式中：ΔPS為殼程總壓降；ΔPC為管束中錯流部分的壓力降； ΔPe為折流板缺口窗中壓力降；ΔPw為進出口的壓力降［4］。

4.1.4總傳熱系數及實際熱負荷計算

總傳熱系數按式（3）計算。

式中：h0，hi為管外、管內流體傳熱系數，W/（m2·℃）；r0，ri為管外、管內流體污垢熱阻，（K· m2）/W；d0，di為管外徑、管內徑，m；dav為管的平均直徑，m；rw為管壁熱阻，（K·m2）/W［5］。

通過式（3）可計算出總傳熱系數K，根據冷油器參數可計算出傳熱面積A和進行換熱的兩流體之間的平均溫差Δtm，將計算結果帶入穩態傳熱方程，求出實際熱負荷Q，見式（4）。

式中:Q為熱負荷，W；K為總傳熱系數，W/（m2·℃）；A為換熱器總傳熱面積，m2；Δtm為進行換熱的兩流體之間的平均溫差，℃［4］。

4.1.5理論熱負荷Q'計算

理論熱負荷按式（5）計算。

式中：c1、c2為管內、管外流體定壓比熱，J/（kg·℃）；m1、m2為管內、管外流體質量流量，kg/ s；Δt1、Δt2為管程、殼程進出口流體溫度差，℃［5］。

4.1.6面積裕量計算

通過式（1）～（6）的計算，即可得到改造后所需的各項數據。

4.2軟件的使用與界面設計

軟件使用時，用戶在軟件界面輸入工藝計算所需的基本數據，首先計算管、殼程傳熱系數及壓降，然后計算總傳熱系數、熱負荷、面積裕量等。軟件的界面如圖2所示。

圖2　冷油器改造工藝計算軟件界面

5　設計實例

5.1冷油器參數

保持原冷油器結構型式不變，僅將換熱管由銅管（管規格：φ16×2）改為不銹鋼管（管規格：φ 16×1），冷油器主要參數見表1。

表1　冷油器參數表

5.2計算結果

采用自編軟件對改造前、后冷油器的工藝進行計算，同時利用HTRI軟件對改造后的冷油器進行工藝計算，計算結果見表2。

表2　計算結果

由表2可知：

（1）冷油器改造后，換熱管改為不銹鋼管，管壁導熱系數降低，管程傳熱系數減小，但對總傳熱系數影響很小，另外，冷油器改造后，換熱管管內徑增大，通流面積變大，壓降也隨之降低，因此，不銹鋼管代替銅管方案可行；

（2）對比分析自編軟件與HTRI軟件工藝計算結果，兩者相差不大，誤差在合理范圍內，因此，本軟件準確性較高。

6　結束語

通過對冷油器改造的可行性分析和計算，改造后的冷油器不僅能夠保證傳熱質量，而且能降低管程壓降，改造后的換熱管耐腐蝕性能增強，換熱管與管板接頭的可靠性提高。因此，改造可行，值得推廣。

［1］張春生.汽輪機冷油器泄漏原因分析與處理［J］.電源技術應用，2013，（4）：143-144.

［2］楊章偉.Visual Basic完全自學寶典［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［3］蘭州石油機械研究所.換熱器：第2版：上［M］.北京：中國石化出版社，2013.

［4］中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設計手冊：上［M］.北京：化學工業出版社，2009.

［5］錢頌文.換熱器設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2002.

TransformationIdeasandTechnology CalculationSoftware Development for Shell and Tube Oil Cooler

Lu Ning，Song Yanmei
（Deyang Dongqi Power Station Equipment Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

This paper introduces the shell and tube oil cooler，analyzes deficiencies of the brass as the heat transfer tube，proposes transformation scheme which the stainless steel tube insteads of the brass tube，and develops a targeted technology calculation software.By discussion and calculations，the reliability of the scheme is proved.

shell and tube oil cooler，transformation，heat transfer tube，software

TK264

A

1674-9987（2016）03-0034-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.03.008

盧寧（1989-），男，學士，助理工程師，畢業于西南石油大學過程裝備與控制工程專業，主要從事電站輔機設計工作。