＊沈武冬包旭任偲李培蓉蔣志余雨桐

（1.中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦 四川 629000 2.中國石油西南油氣田分公司 四川 610066）

近年來，換熱器在石油化工、電力冶金、船舶工業(yè)、機械工業(yè)和供暖領域應用十分廣泛，其中石油、化工仍是換熱器最主要的應用領域，電力冶金、船舶工業(yè)次之[1-2]。目前常用的換熱器主要有空冷式換熱器和水冷式換熱器?？绽涫綋Q熱器以空氣作為冷卻介質進行熱量交換，風機強制空氣橫掠翅片管外，使管內高溫流體冷卻的換熱設備[3-4]。水冷式是用水作為循環(huán)冷卻劑，從系統(tǒng)中吸收熱量排放至大氣中，以降低水溫的裝置[5-7]。

川中某氣田開展排水采氣工程后排水量約600m3/d，氣田水溫100℃。在環(huán)境溫度40℃的情況下，經(jīng)空冷式換熱器降溫后氣田水溫度降至58℃。該氣田所采用的氣田水外輸管線為常溫型柔性復合管，設計溫度為55℃。因此，空冷式換熱器的冷卻效果無法滿足氣田水溫不超55℃的要求。為解決上述問題，在空冷式換熱器下游安裝了水冷式換熱器對氣田水進行二次降溫，水溫可以降低至45℃。在實際生產(chǎn)中，夏季高溫時空冷式換熱器兩臺風機同時運行時不足以滿足降溫的需求，需要同時開啟水冷式換熱器進行降溫；冬季低溫情況下空冷式換熱器兩臺風機的降溫效果又有冗余。空冷式換熱器的一臺風機運行時的能耗為35kW/h，而水冷式換熱器運行時的能耗為8kW/h，耗水量為0.32m3/h。由于空冷式換熱器的風機運行時耗電量巨大，運行成本非常高，而水冷式換熱器的運行成本較低。因此針對不同的環(huán)境溫度對空冷式換熱器和水冷式換熱器進行合理配置可以有效地降低成本。

本文旨在研究空冷式換熱器與水冷式換熱器在將氣田水降低到目標溫度時的能耗差異，優(yōu)化能耗分配，合理搭配使用空冷式換熱器與水冷式換熱器，在保證將川中某氣田產(chǎn)出水溫度控制在安全運行范圍的前提下，降本增效。

1.環(huán)境溫度與空冷式換熱器出口溫度的關系

為研究環(huán)境溫度對空冷式換熱器出口溫度的影響程度，引入相關性系數(shù)：

相關性系數(shù)是來描述兩組數(shù)據(jù)關聯(lián)度強弱的關系，相關性系數(shù)越接近于1或-1，相關度越強；相關性系數(shù)越接近于0，相關度越弱[7]。

選取空冷式換熱器運行240h內空冷式換熱器出口溫度數(shù)據(jù)與環(huán)境溫度數(shù)據(jù)進行對比，得到空冷式換熱器出口溫度和環(huán)境溫度隨時間變化的關系，如圖1所示。從圖1中，在同一時刻，空冷式換熱器出口溫度隨環(huán)境溫度改變而同步變化，當環(huán)境溫度上升時，空冷裝置出口溫度隨之上升；當環(huán)境溫度下降時，空冷式換熱器出口溫度隨之下降。

圖1 空冷裝置出口溫度與環(huán)境溫度隨時間變化的關系

通過計算得到空冷式換熱器出口溫度與環(huán)境溫度的相關性系數(shù)為0.69，為強相關性系數(shù)，由此可知，空冷式換熱器出口溫度主要受環(huán)境溫度影響，空冷式換熱器的出口溫度隨環(huán)境溫度波動而波動。

對4月至7月單獨使用空冷式換熱器后的最高出口溫度與最高環(huán)境溫度進行匹配，繪制出空冷式換熱器出口溫度與環(huán)境溫度的散點圖，運用多項式擬合空冷式換熱器出口溫度隨環(huán)境溫度的變化關系，如式（2）所示。

y=0.0001579x4-0.01674x3+0.6451x2-9.7840x+86.7540 （2）

其中，12℃≤x≤38℃。

當歷史氣溫數(shù)據(jù)在15℃至38℃之間時，用該歷史氣溫數(shù)據(jù)進行預測的函數(shù)在該區(qū)間內擬合度較高。經(jīng)驗證，該函數(shù)符合實際的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，具有普適性。當空冷式換熱器出口的管道溫度低于55℃時不必開啟水冷式換熱器，并且環(huán)境溫度越低時，空冷式換熱器的降溫效果越好。由式（2）計算可得，環(huán)境溫度在35.9℃時，空冷式換熱器出口溫度為55.02℃，因此當環(huán)境溫度為35℃時就需要開啟水冷式換熱器。

2.空冷式換熱器與水冷式換熱器優(yōu)化配置研究

為了在夏季高溫時彌補空冷機兩臺風機降溫能力的不足，需要運行水冷式換熱器，以達到降溫的目的。但當冬季環(huán)境溫度氣溫過低時，用上述方式降溫或者單獨啟用空冷式換熱器兩臺風機進行降溫的效果完全有冗余。為實現(xiàn)降本增效，合理配置現(xiàn)場降溫裝置，可以采用關閉空冷式換熱器一臺風機，同時啟用水冷式換熱器的降溫方式。

(1)水冷式換熱器出口溫度的影響因素

水冷式換熱器位于空冷式換熱器下游，影響水冷式換熱器出口溫度的外部因素為空冷式換熱器的出口溫度和環(huán)境溫度。

①空冷式換熱器出口溫度的影響。水冷式換熱器和空冷式換熱器同時運行時，水冷式換熱器出口溫度和空冷式換熱器出口溫度隨時間變化的關系，如圖2所示。從圖2可以看出，水冷式換熱器出口溫度和空冷式換熱器出口溫度隨時間的變化趨勢非常一致，并且在同一時刻水冷式換熱器的出口溫度幾乎都低于空冷式換熱器的出口溫度。通過計算得到了兩者的相關性系數(shù)為0.903，為極強相關。由于水冷式換熱器在空冷式換熱器下游，因此，說明水冷式換熱器的出口溫度受空冷式換熱器出口溫度的影響很大。

圖2 水冷式換熱器出口溫度與空冷式換熱器出口溫度隨時間變化的關系

②環(huán)境溫度的影響。水冷式換熱器投產(chǎn)后其出口溫度和環(huán)境溫度隨時間變化的關系，如圖3所示。從圖3可以看出，水冷式換熱器出口溫度和環(huán)境溫度隨時間的變化趨勢比較一致，并且在同一時刻水冷式換熱器的出口溫度都高于環(huán)境溫度。通過計算得到了兩者的相關性系數(shù)為0.64，為強相關，因此可以說明水冷式換熱器的出口溫度受環(huán)境溫度的影響較大。

圖3 水冷式換熱器出口溫度和環(huán)境溫度隨時間變化的關系

對比圖2和圖3可知，空冷式換熱器出口溫度和環(huán)境溫度都對水冷式換熱器的出口溫度有顯著的影響，但是空冷式換熱器出口溫度的影響更大。

(2)設計實驗

在明確了水冷裝置出口溫度變化的主要影響因素是空冷裝置出口溫度后，進行相應的實驗設計。首先探究水冷式換熱器降溫效率與環(huán)境溫度的關系。水冷式換熱器的降溫效率為穩(wěn)定后的水冷式換熱器出口溫度與空冷式換熱器出口溫度的差值與空冷式換熱器出口溫度的百分比。

取8月3日至8月11日的相關數(shù)據(jù)進行分析。經(jīng)過計算，在空冷式換熱器平均出口溫度為52℃時，水冷式換熱器的平均冷卻效率為13.11%，此時環(huán)境溫度的平均值為32.2℃。

計算得到環(huán)境溫度與降溫效率的相關性系數(shù)為0.21，為弱相關，并且降溫效率還受到其他多種因素的影響，如蒸發(fā)量、濕度等，因此不能使用降溫效率與環(huán)境溫度的關系來確定開啟空冷式換熱器一臺風機和水冷式換熱器的具體溫度。

上述多種影響因素的共同作用可以通過分析空冷式換熱器出口溫度與環(huán)境溫度的溫差和降溫效率的關系來進行研究，如圖4所示，通過多項式擬合得到溫差與降溫效率的關系式：

圖4 溫差與降溫效率的關系

從圖4可以看出，當溫差在10℃到30℃之間時，平均降溫效率在13.11%左右?，F(xiàn)場實際數(shù)據(jù)表明，當空冷式換熱器入口溫度為102.51℃時，開啟空冷式換熱器一臺風機后，其出口溫度為71.1℃；當開啟空冷式換熱器兩臺風機后其出口溫度降為55℃，因此計算得到空冷式換熱器一臺風機的降溫效率為30.64%，兩臺風機的降溫效率為46.35%。水冷式換熱器按照平均降溫效率13.11%來進行計算，當其出口溫度為55℃時，空冷式換熱器兩臺風機開啟后的出口溫度應為62.2℃。

根據(jù)以往現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，4月至7月的平均環(huán)境溫度與平均降溫效率，如表1所示。

表1 4月至7月平均環(huán)境溫度與平均降溫效率數(shù)據(jù)表

通過多項式擬合得到平均環(huán)境溫度與平均降溫效率的關系式：

8月1日至8月11日平均溫度為34.06℃，可以通過關系式（4）計算得出8月份的平均降溫效率為46.2%，結合現(xiàn)場實際情況得到的平均降溫效率為46.35%，偏差率為0.3%，證明空冷式換熱器平均降溫效率與環(huán)境溫度的函數(shù)關系式能很好地擬合實際情況。

由上文可知，空冷式換熱器出口溫度主要隨環(huán)境溫度變化，當開啟空冷式換熱器一臺風機時，降溫效率從46.35%降低到30.64%，空冷式換熱器的降溫效率降低33.89%，因此為得到空冷式換熱器只開啟一臺風機時其出口溫度隨環(huán)境溫度的變化關系，需要對式（2）進行修改，修改后的函數(shù)關系式如式（5）。

其中，12℃≤x≤38℃。

通過式（5）可以計算得到空冷式換熱器單獨開啟一臺風機的情況下，水冷式換熱器出口溫度為55℃時的氣溫為20.3℃，所以在20℃時就應該啟用此方案。

3.結論

通過對空冷式換熱器和水冷式換熱器進行降溫效率計算和分析后，得到不同環(huán)境溫度范圍的使用建議如下。

（1）當外界環(huán)境溫度高于35℃時，開啟空冷式換熱器的兩臺風機，同時開啟水冷式換熱器，此時能耗最高，為78.5kW/h，耗水量為0.32m3/h。（2）在外界環(huán)境溫度為低于35℃且高于20℃時，開啟空冷式換熱器的兩臺風機，不開啟水冷式換熱器，此時能耗為70kW/h。（3）在外界環(huán)境溫度低于20℃時，可以關閉空冷式換熱器的一臺風機，開啟水冷式換熱器，此時能耗最低，為43.5kW/h，耗水量為0.32m3/h。