管壳式冷油器改造思路及其工艺计算软件的开发

卢宁，宋延梅

（德阳东汽电站机械制造有限公司，四川 德阳，618000）



管壳式冷油器改造思路及其工艺计算软件的开发

卢宁，宋延梅

（德阳东汽电站机械制造有限公司，四川 德阳，618000）

文章简单地介绍了管壳式冷油器，指出铜管作为其换热管的缺陷，提出采用不锈钢管代替铜管的改造方案，同时开发了相应的改造工艺计算软件。通过详细论述和计算，证明了该改造方案的可靠性。

管壳式冷油器，改造，换热管，软件

1　概述

冷油器是汽轮机润滑油系统中重要的热交换设备，常用的冷油器有管壳式和板式两种，其中管壳式冷油器因其制造工艺简单、生产成本低、清洗方便等优点而得到广泛应用，管壳式冷油器外形图如图1所示。

2　结构与工作原理

管壳式冷油器由一系列换热管组成管束，换热管固定在管板上，管板与外壳联接在一起，筒体内部安装大量折流板，以提高换热器壳程的传热膜系数，改善冷油器的传热状况。冷油器运行时，冷却水由图1中1进入换热管，经下水室又折回上水室，再从图1中2流出冷油器；润滑油从图1中4进入冷油器壳体下部，在冷却管外部绕折流板流动，与冷却管进行热交换，冷却润滑油，最后从图1中3流出冷油器，完成换热过程。

图1　管壳式冷油器外形图

3　改造原因与方案

3.1改造原因

目前，国内较多电厂的冷油器仍采用铜管作为换热管，存在以下两点问题：

（1）冷油器使用的铜管中除铜元素外还含有镍、钴、锰和铁，设备长时间运行后易产生点蚀，导致铜管磨损、腐蚀从而发生泄漏［1］；

（2）冷油器的管板和换热管采用胀接工艺，工作时由于温度变化及振动的影响，容易导致胀口松动，导致润滑油泄漏。

3.2改造方案

为尽可能减少甚至消除泄漏，可采用不锈钢管替代铜管作为冷油器的换热管，并将管板由普通的碳钢板改为复合板，管与管板的连接也由胀接改为胀焊并用。具体改造如下：

（1）将原冷油器采用的铜管改为不锈钢管，例如将φ16×2的铜管改为φ16×1的不锈钢管。改造后设备重量减轻，管内径增大，管程压降减小，另外，不锈钢耐腐蚀性更强，可延长设备的使用寿命；

（2）采用复合管板代替碳钢板，管与管板通过胀焊并用的方式连接，这不仅加强了管板的耐腐蚀性能，而且采用更可靠的连接方式，可有效地防止泄漏。

4　改造软件的开发

传统的冷油器采用手算设计方法，计算过程繁琐，设计周期长。利用VB6.0编程语言开发计算软件可克服这一缺点，大大提高工作效率［2］。

软件的开发主要涉及两方面内容：（1）选定可靠的工艺计算方法；（2）围绕软件需要实现的功能，设计软件的界面并编写程序代码。

4.1工艺计算

冷油器改造工艺计算和新冷油器计算有一定区别，改造的冷油器通常仅更换换热管及管板，其他数据和结构型式保持不变，故可以根据原冷油器已知参数直接算出所需数据。

4.1.1管程传热系数与压降计算

流体在管内的流体力学和传热学的理论和试验研究较为完善，文献中有关传热系数和压降的公式计算结果可靠［3］，故此处不再详述。

4.1.2壳程传热系数计算

壳程流体流动情况复杂，不同的计算方法结果差异很大，其中贝尔法的应用最为广泛［3］。

贝尔法按式（1）计算。

式中：hC为理想管排的传热系数，W/（m2·℃）；JC为圆缺窗口流体流动的影响系数；JI为折流板泄漏的影响系数；Jb为管束旁路的影响系数；Js为不等距进出口换热器管板间距的影响系数；Jr为流体在壳程滞留的影响系数［4］。

为增强软件准确性，本文还采用克恩法计算壳程传热系数进行验证。

4.1.3壳程压降计算

壳程的压降计算同样采用贝尔法，按式（2）计算。

式中：ΔPS为壳程总压降；ΔPC为管束中错流部分的压力降； ΔPe为折流板缺口窗中压力降；ΔPw为进出口的压力降［4］。

4.1.4总传热系数及实际热负荷计算

总传热系数按式（3）计算。

式中：h0，hi为管外、管内流体传热系数，W/（m2·℃）；r0，ri为管外、管内流体污垢热阻，（K· m2）/W；d0，di为管外径、管内径，m；dav为管的平均直径，m；rw为管壁热阻，（K·m2）/W［5］。

通过式（3）可计算出总传热系数K，根据冷油器参数可计算出传热面积A和进行换热的两流体之间的平均温差Δtm，将计算结果带入稳态传热方程，求出实际热负荷Q，见式（4）。

式中:Q为热负荷，W；K为总传热系数，W/（m2·℃）；A为换热器总传热面积，m2；Δtm为进行换热的两流体之间的平均温差，℃［4］。

4.1.5理论热负荷Q'计算

理论热负荷按式（5）计算。

式中：c1、c2为管内、管外流体定压比热，J/（kg·℃）；m1、m2为管内、管外流体质量流量，kg/ s；Δt1、Δt2为管程、壳程进出口流体温度差，℃［5］。

4.1.6面积裕量计算

通过式（1）～（6）的计算，即可得到改造后所需的各项数据。

4.2软件的使用与界面设计

软件使用时，用户在软件界面输入工艺计算所需的基本数据，首先计算管、壳程传热系数及压降，然后计算总传热系数、热负荷、面积裕量等。软件的界面如图2所示。

图2　冷油器改造工艺计算软件界面

5　设计实例

5.1冷油器参数

保持原冷油器结构型式不变，仅将换热管由铜管（管规格：φ16×2）改为不锈钢管（管规格：φ 16×1），冷油器主要参数见表1。

表1　冷油器参数表

5.2计算结果

采用自编软件对改造前、后冷油器的工艺进行计算，同时利用HTRI软件对改造后的冷油器进行工艺计算，计算结果见表2。

表2　计算结果

由表2可知：

（1）冷油器改造后，换热管改为不锈钢管，管壁导热系数降低，管程传热系数减小，但对总传热系数影响很小，另外，冷油器改造后，换热管管内径增大，通流面积变大，压降也随之降低，因此，不锈钢管代替铜管方案可行；

（2）对比分析自编软件与HTRI软件工艺计算结果，两者相差不大，误差在合理范围内，因此，本软件准确性较高。

6　结束语

通过对冷油器改造的可行性分析和计算，改造后的冷油器不仅能够保证传热质量，而且能降低管程压降，改造后的换热管耐腐蚀性能增强，换热管与管板接头的可靠性提高。因此，改造可行，值得推广。

［1］张春生.汽轮机冷油器泄漏原因分析与处理［J］.电源技术应用，2013，（4）：143-144.

［2］杨章伟.Visual Basic完全自学宝典［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［3］兰州石油机械研究所.换热器：第2版：上［M］.北京：中国石化出版社，2013.

［4］中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册：上［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［5］钱颂文.换热器设计手册［M］.北京：化学工业出版社，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

卢宁（1989-），男，学士，助理工程师，毕业于西南石油大学过程装备与控制工程专业，主要从事电站辅机设计工作。