一种天然气压缩机后空冷器喷雾降温及智控方法与流程

本发明涉及天然气增压输送，具体为一种天然气压缩机后空冷器喷雾降温及智控方法。

背景技术：

1、为提升天然气外输至用户、上载管网和注入储气库群的能力，天然气骨干管网中通常会增设压气站，并且采用大功率离心式或往复式压缩机组，其主要包括：高压变频器、电机、压缩机主体、后空冷器等。其中，设置带翅片管束和多台底部风扇的后空冷器作用是对增压后的高速、高温(通常可达80～100℃)天然气进行快速冷却以达到外输要求。因干线压气站日处理天然气量十分巨大，若后空冷器失效则会导致出口天然气温度持续过高，影响下游管道计量准确性、管道防腐层使用寿命和管道热胀冷缩安全性等，甚至会引发压缩机出口温度超限而联锁停车，带来较大经济损失。

2、压缩机后空冷器工作过程为：压缩机出口高温天然气经分流后通过一系列的小管束，天然气的热量通过这些管束的管壁向外部传递；管束通过表面安装的大量翅片将管内热量继续传递到附近温度更低的空气中；同时，底部风扇通过带动空气流动，将热量不断快速吹散到空冷器上方周围环境之中，以维持翅片表面温度尽可能与周围环境温度一致，进而达到持续降低管内天然气温度的目的。可以看出，在风扇功率一定的情况下，环境温度的高低直接决定了管内天然气的换热降温效果：当环境温度低于需求的温度时，通过换热可能起到进一步降温的作用；若环境温度高于需求的温度时，即使所有的风扇全部满负荷运行，也不能够达到满意的效果。这也是目前部分地区压气站后空冷器在夏季不能够到达很好效果的重要原因。

3、相较于空冷的降温方式，水冷的换热效果更佳。但是，若将压缩机后空冷器全部更换为水冷的方式降温，需要增设一套专门的水冷系统，不仅投资较大，而且也存在日常维护不便、能耗更大的缺点。因此，可在原后空冷器基础之上增加喷雾装置进行降温，同时，采用温度控制系统进行智能优化运行。这样既能够实现快速、高效降温的效果，又能够达到能耗较低、投资较少、维护方便的目的。

4、目前，国内外的研究集中于电站内空冷器的喷雾降温改进，没有关于压气站后空冷器的性能提升分析，并且空冷器的散热翅片形式、安装布局与压缩机后冷器存在较大差异，所以不能够直接引用相关研究成果。同时，国内外关于喷雾装置水量的核算，均是采用基于商业仿真软件的计算方法，因而存在购买软件成本高、仿真建模及调试时间很长、技术人员分析消耗精力较高，以及仿真计算结果验证准确性较难验证等诸多缺点。此外，文献中给出的增加喷雾装置方案未涉及到喷嘴数量、喷雾水量的优化计算方法，以及根据环境温度、天然气出口温度来进行喷雾水量自动控制的方法，故在实际使用时其节能降耗程度较低，无法达到最优的运行状态。

5、为了方便工程人员能够快速、准确的制定出压缩机后空冷器喷雾降温装置的最优设置方法、温度智能化控制方案，本专利基于热力学原理构建了一套简便的数学计算模型，从而能够实现对后空冷器翅片管束进行喷雾降温的最小喷雾量计算，并方便制定出最优喷雾装置安装数量和智能化运行方法，从而为已投运压气站后空冷器改进以及压气站、储气库等建设时的压缩机辅助设备选型提供技术参考。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供一种天然气压缩机后空冷器喷雾降温及智控方法，实现裂缝效果的定量评价，为压后产能计算提供准确可靠的参数。

2、本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

3、一种天然气压缩机后空冷器喷雾降温及智控方法，所述方法包括以下步骤：

4、步骤1、收集后空冷器翅片管束的结构参数与物性参数、空气热力学参数和天然气热力学参数；

5、步骤2、计算翅片管束内天然气放热量；

6、步骤3、计算达到外输天然气温度要求时所需的喷雾水量；

7、步骤4、综合考虑后空冷器内部空间位置、喷嘴雾化效果及液滴直径、节能降耗和经济性因素，确定出最优的喷雾设备安装方案；

8、步骤5、根据后空冷器的处理量、周围环境温度的动态变化，喷雾降温系统的喷雾量及启停条件随之动态调整；

9、步骤6、基于温度控制系统功能和控制过程，实现后空冷器翅片管束出口天然气温度的智能化控制。

10、进一步地，翅片管束相关结构参数与物性参数包括：翅片管内径、翅片管外径、翅片根径、翅片外径、翅片管总长度、管材导热系数、铝质翅片导热系数、翅片厚度、每米翅片管翅片数、翅片管配置参数、翅片管配置参数、翅片管配置参数、每米翅片管翅片表面积、翅片根部的表面积、每米翅片管总外表面积、每米翅片管内表面面积、对数平均管表面积、投影周长、传热计算用的当量直径。

11、进一步地，翅片管束外部流动的空气热力学相关参数包括：空气体积流量、空气相对湿度、空气入口温度、空气出口温度、空气密度、当地海拔高度、当地大气压、空气入口温度对应的饱和压力、空气入口含湿量、空气入口焓、空气出口温度对应的饱和压力、空气出口含湿量、空气出口焓。

12、进一步地，翅片管内的天然气热力学相关参数包括：天然气总流量、天然气入口温度、天然气出口温度、天然气粘度、天然气密度、天然气比热容、天然气导热系数、入口污垢热阻、出口污垢热阻。

13、进一步地，根据基础数据计算翅片管束内天然气放热量的公式如下：

14、q0＝wg×cp×δt

15、式中，wg为天然气总流量，kg/h；cp为天然气比热容，kj/kg·℃；δt为天然气温度降，℃。

16、进一步地，根据基础数据计算达到外输天然气温度要求时所需的喷雾水量的公式如下：

17、

18、式中，mw3为喷水量；mw4为出口空气中未气化的水量，假设为0，即喷雾水全部气化了；ma为干空气流量；d1、d2为入口、出口空气的含湿量；h1、h2为入口、出口空气的焓；hw3、hw4为入口、出口喷雾水的焓；q0为天然气放热量。

19、进一步地，热力学过程的能质平衡关系式为：

20、ma(h2-h1)＝mw3hw3-mw4hw4+q0

21、mw3-mw4＝ma(d2-d1)。

22、进一步地，所述步骤5包括以下步骤：

23、一体化温度变送器采集翅片管束中天然气进出口、环境和喷雾水的温度信号，并进行转换处理；

24、通过plc模拟信号输入模块发送给plc控制器，得出温度偏差和偏差变化率；

25、利用计算机cpu解析后，经过plc模拟信号输出模块发送给喷雾降温系统；

26、喷雾降温系统自动调节进水管路阀门开度来实现对喷雾水量操控，从而实现对天然气温度的控制。

27、进一步地，所述步骤6包括以下步骤：

28、在翅片管束进口、出口处各安装一个一体化温度变送器，用于监测进出后空冷器的天然气温度；

29、在风扇底座区域设置一个一体化温度变送器，用于监测从周围环境进入空冷器的空气温度；

30、在喷雾管路中设置一个一体化温度变送器，用于监测出口雾水温度；

31、喷雾降温系统由plc进行控制，启停信号与后空冷器出口天然气温度联锁；

32、后空冷器启动时，先运行第一段风扇，同步监测后空冷器进出口天然气温度，通过与plc设定值对比，判断是否达到要求：若符合设定值则稳定运行第一段风扇降温；若不符合设定值则开启第二段风扇联合降温，并再次进行温度判断；同理，对下一段风扇开启温度判断与启动操作；

33、当所有的风扇均开启时，在一段设定时间内的出口天然气温度仍不满足要求，则启动喷雾降温冷却系统，开启喷雾装置并调节喷雾量直至温度满足要求。

34、进一步地，当周围环境昼夜温度降低至设定值时，关闭喷雾装置。

35、本发明的有益效果如下：

36、本发明一种天然气压缩机后空冷器喷雾降温及智控方法，通过计算翅片管束内天然气放热量、达到外输天然气温度要求时所需的喷雾水量，综合考虑后空冷器内部空间位置、喷嘴雾化效果及液滴直径、节能降耗和经济性因素，确定出最优的喷雾设备安装方案；根据后空冷器的处理量、周围环境温度的动态变化，动态调整喷雾降温系统的喷雾量及启停条件，实现后空冷器翅片管束出口天然气温度的智能化控制；为夏季高温地区压缩机组辅助降温装置的设计、选型及性能提升提供技术参考，进而保障了大型压气站的安全、平稳、高效的运行，能够实现节能降耗。