二級壓縮滑片式壓縮機(jī)開發(fā)及其參數(shù)確定

樊秀剛

(中石化第十建設(shè)有限公司上海分公司， 200540)

二級壓縮滑片式壓縮機(jī)開發(fā)及其參數(shù)確定

樊秀剛

(中石化第十建設(shè)有限公司上海分公司， 200540)

多級壓縮形式以其壓縮比高、排氣壓力高、排量大、功耗低和整機(jī)效率高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，但由于其工作原理和具體工作狀態(tài)的限制，以及潤滑油的影響，使得多級壓縮滑片式壓縮機(jī)開發(fā)受到限制。文章對滑片式壓縮機(jī)二次壓縮狀態(tài)的諸多基本參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析與計算，意在論證并促進(jìn)二級壓縮乃至多級壓縮技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。

滑片式壓縮機(jī) 二級壓縮 中間壓縮 節(jié)流膨脹

在當(dāng)前資源節(jié)約型社會的大背景下，壓縮機(jī)技術(shù)越來越多的滲透到各個領(lǐng)域。由于多級壓縮技術(shù)能有效地提高壓縮比、增加排氣壓力和提高整機(jī)工作效率，同時，多級壓縮的過程趨近于等溫壓縮，相較于相同排氣壓力下的單級壓縮，壓縮功耗極大減少。因此，二級以及多級壓縮技術(shù)發(fā)展前景廣闊。

然而，在滑片式空氣壓縮機(jī)中，由于其工作原理和具體工作狀態(tài)的限制，以及潤滑油性質(zhì)的影響，給多級壓縮壓縮機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用帶來相當(dāng)?shù)睦щy。首先，壓縮機(jī)中起冷卻和潤滑作用的油，除在壓縮過程中對壓縮腔的滑片與定子和轉(zhuǎn)子接觸部分起到密封作用外，還在工作狀態(tài)下潤滑轉(zhuǎn)子和滑片。壓縮比很大時，對應(yīng)狀態(tài)的溫度也很高，這樣會對冷卻潤滑油的性質(zhì)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致失效，甚至在超過閃點(diǎn)時就會爆炸或燃燒。其次，當(dāng)壓縮腔的壓力很大時，相鄰壓縮腔之間的壓差較大，容易在相鄰放置的滑片、滑片與轉(zhuǎn)子、滑片與定子、滑片與兩端端蓋之間的間隙產(chǎn)生泄漏，造成大量的功耗［1］。上述兩個問題是文章在滑片式空氣壓縮機(jī)中采用二級壓縮的分析和計算中主要解決或避免的。

1 二級壓縮參數(shù)的選擇

1.1 二級壓縮最終狀態(tài)的參數(shù)的選擇

壓縮過程的主要狀態(tài)參數(shù)包括排氣量、壓縮比、每級的進(jìn)出氣體的工作壓力和溫度。

排氣量是壓縮機(jī)設(shè)計中的基本參數(shù)，決定了壓縮機(jī)的功耗、結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，并影響氣體狀態(tài)參數(shù)。單級壓縮機(jī)的排氣量通常不超過10 m3，這里設(shè)定壓縮機(jī)的排氣量為8 m3。

壓縮機(jī)的最高工作溫度應(yīng)該是二級壓縮后的氣體和油的工作溫度，應(yīng)根據(jù)冷卻潤滑油正常工作的最高溫度來確定壓縮過程中的最高溫度。由設(shè)計中所選的冷卻潤滑油決定，選擇的潤滑油密度為900 kg/m3，閃點(diǎn)為255℃，凝點(diǎn)為－10℃。由于第二級壓縮的最終溫度不能超過255℃(閃點(diǎn))，為保證壓縮機(jī)潤滑油的正常工作，潤滑油的溫度不能太高，因此初步設(shè)定第二級壓縮的最高溫度為100℃。排氣溫度超過進(jìn)氣溫度(T1)的值為Td，其值應(yīng)小于10 K。

二級壓縮機(jī)的最高工作壓力(即二級壓縮后壓力的最終狀態(tài)參數(shù))應(yīng)依據(jù)壓縮機(jī)的具體內(nèi)部工作條件而定，還要考慮氣體在壓縮腔中不產(chǎn)生泄漏和結(jié)構(gòu)上允許的最高壓力，來確定二級壓縮后的最終壓力，初步設(shè)定為2.0 MPa。

1.2 中間壓縮狀態(tài)參數(shù)

最終壓縮狀態(tài)確定后，可以確定中間壓縮狀態(tài)參數(shù)。中間壓縮狀態(tài)參數(shù)包括一級壓縮終了的排氣壓力和排氣溫度、二級壓縮開始時的吸氣壓力和吸氣溫度。

假設(shè)中間壓力不變，即一級的排氣壓力同二級的吸氣壓力相同時的情況確定中間壓力。對于二級壓縮，最佳中間壓力和最適合的壓縮比的選擇至關(guān)重要，應(yīng)從工藝和節(jié)能兩方面考慮，最適合的壓縮比應(yīng)是各級的壓縮比均相等，此時總的功耗最?。?］。

設(shè)理想氣體初壓p1，一級壓縮后p2'，最后排氣壓力p2。一級壓縮后，若將氣體冷卻到第一級進(jìn)氣溫度，二級壓縮所耗功為各級壓縮所耗功之和。

假設(shè)第一級出氣壓力和第二級進(jìn)氣壓力為p2'，排氣量為V，n為壓縮次數(shù)，并且在等溫條件下得出:

由此可見，二級壓縮所耗總功與中間壓力p2'的選擇有關(guān)?？偣樽钚r的中間壓力稱最佳中間壓力，其值為總功對中間壓力的一階偏導(dǎo)數(shù)等于零［3］，即:

由公式5求解得，當(dāng)兩級壓縮比相等(ε1=ε2)時耗功最小，即:

同理，對于多級壓縮，要使其耗功最小，則各級壓縮比相等，得最佳壓縮比和級數(shù)的關(guān)系為:

設(shè)G為壓縮機(jī)每分鐘的生產(chǎn)量(kg/min)，得到多級多變壓縮的理論功率

這樣，中間壓力就確定下來了，即 p2'=，但在實(shí)際多級壓縮中由于有冷卻器和油水分離器會導(dǎo)致壓力降，級間的冷卻作用也會導(dǎo)致壓力降，因而實(shí)際上二級的壓縮比要比公式(7)求得的ε大。

由于滑片式空氣壓縮機(jī)的二級壓縮所存在的密封性和油的性質(zhì)兩個關(guān)鍵問題，因此二級壓縮比ε的值不能太大。綜合考慮各種因素，以一級壓縮為基礎(chǔ)，設(shè)第一級壓縮比為6.2，第二級壓縮比為3.0，第一級壓縮最終排氣壓力為0.62 MPa。

第一級壓縮終了時溫度的確定與一級壓縮機(jī)的溫度確定相似，都是經(jīng)過了一級壓縮后的氣體溫度，這里設(shè)定為361 K(88℃)，經(jīng)過油氣分離裝置，由經(jīng)驗(yàn)值給定壓力降Δp=0.02 MPa，ΔT=0。

由多級壓縮的原理［5］，氣體經(jīng)過第一級壓縮結(jié)束到第二級壓縮開始的階段要被冷卻降溫，傳遞部分熱量，然后才能進(jìn)入第二級。氣體由第一級壓縮機(jī)流出后主要經(jīng)過油氣分離裝置和冷卻器，然后進(jìn)入第二級，進(jìn)入第二級時還要考慮到節(jié)流效應(yīng)。

在二級壓縮機(jī)中，采用級間冷卻，移去熱量，使氣體溫度降到最初的入口溫度，或盡可能降到接近入口的溫度。冷卻是在恒壓下進(jìn)行，其壓力基本上與前一排氣壓力相同，傳遞的熱量Q可按下式計算:

如果氣體入口和出口溫度相差不大，近似地用平均熱容計算:

式中:Cpm為Ti到T0范圍內(nèi)的平均熱容，Ti為入口溫度，T0為出口溫度。

在多級壓縮機(jī)的后面幾級，當(dāng)壓力很高時，必須考慮真實(shí)氣體的Cp是壓力的函數(shù)，即要計及壓力對Cp值的影響。

這樣，選定 Δp=0.02 MPa;ΔT=T2－ T1，T2為經(jīng)過冷卻器后的溫度。

1.3 節(jié)流膨脹對參數(shù)選擇的影響

當(dāng)冷卻后的高壓氣體向第二級輸送時，由于具體結(jié)構(gòu)形式，在進(jìn)入第二級吸氣閥入口階段，高壓氣體流經(jīng)節(jié)流閥迅速膨脹到低壓產(chǎn)生節(jié)流膨脹。

因節(jié)流過程進(jìn)行得極快，高壓氣體來不及和外界進(jìn)行熱交換，加之閥門保溫良好，可看作絕熱過程，該過程對外界不作功，節(jié)流前后氣體的位能和速度變化可忽略不計。由穩(wěn)定體系的總能量方程可得節(jié)流前后氣體的焓值不變，即ΔH=0，為等焓膨脹過程。

由于氣體節(jié)流時，摩擦阻力損耗很大，因而節(jié)流過程是典型的不可逆過程，節(jié)流后氣體的熵值必然增加。

高壓流體節(jié)流膨脹后，由于壓力變化而引起溫度變化，稱之為節(jié)流效應(yīng)或焦耳·湯姆遜(Joule－Thomson)效應(yīng)。節(jié)流膨脹時，微小的壓力變化引起的溫度變化，用μJ表示這一變化過程，μJ被稱作微分節(jié)流效應(yīng)因子或Joul－Thomson效應(yīng)因子。

如果已知真實(shí)氣體的狀態(tài)方程，利用公式(13)可求出μJ值。通常μJ值由實(shí)驗(yàn)測定，根據(jù)溫度為10℃，最高壓力為15 MPa的空氣及氧氣進(jìn)行節(jié)流試驗(yàn)，獲得下面經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:p1，T1為節(jié)流前氣體的壓力(MPa)及溫度(K);a，b為氣體的特性常數(shù)。對于空氣:a=0.026 8，b=0.000 86;對于氧氣:a=0.313，b=0.000 85。

要使節(jié)流獲得制冷效應(yīng)，必須選擇合適的條件，使μJ＞0。在常溫與壓力不太高的條件下，大多數(shù)氣體節(jié)流可產(chǎn)生制冷效應(yīng)。但在常溫下，少數(shù)氣體如He、H2等節(jié)流后產(chǎn)生制熱效應(yīng)。

生產(chǎn)上，為了獲得較大的溫度降，節(jié)流膨脹常常采取大的壓力降。實(shí)際節(jié)流中，氣體的溫度變化隨壓力降低的狀態(tài)稱為積分節(jié)流效應(yīng)ΔTH，式(14)表示微分節(jié)流效應(yīng)的積分值:

式中:p1，T1為節(jié)流膨脹前的壓力、溫度;p2，T2為節(jié)流膨脹后的壓力、溫度。

因?yàn)棣蘆不是常數(shù)，而是隨節(jié)流膨脹過程中溫度、壓力而變化，所以積分較為復(fù)雜。有時溫度降可用經(jīng)驗(yàn)式近似計算，例如，當(dāng)空氣壓力變化不大，并不考慮溫度變化的影響時，ΔTH可按下式近似估算:

由此可見，節(jié)流溫度降的大小與壓力差成正比，而與節(jié)流前溫度的平方成反比。因此，增加節(jié)流前后氣體的壓力差和降低節(jié)流前后的溫度均可使氣體的溫度降低增大。在工程上，積分節(jié)流效應(yīng)值可利用熱力學(xué)性質(zhì)圖直接讀出，根據(jù)節(jié)流前狀態(tài)(p1，T1)找出點(diǎn)1，由狀態(tài)點(diǎn)1沿等焓線與節(jié)流后p2的等壓線相交得節(jié)流后狀態(tài)點(diǎn)2，對應(yīng)的溫度T2為節(jié)流后溫度，ΔTH為:

2 各狀態(tài)參數(shù)的確定

通過以上分析求解得到各狀態(tài)參數(shù)值，如表1所示。主要理論根據(jù)為一級滑片式空氣壓縮機(jī)的計算試驗(yàn)、理論研究以及其他類型的壓縮機(jī)如活塞式壓縮機(jī)的二級壓縮理論。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行二級滑片式空氣壓縮機(jī)的分析和計算，并將結(jié)果進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)和分析比較。在分析中要具體考慮理論分析中的計算模型、熱力性質(zhì)、傳熱狀態(tài)、功率分析、結(jié)構(gòu)分析、內(nèi)部流體流動的狀態(tài)分析，以及經(jīng)過各閥門和管路對工作狀態(tài)的影響，實(shí)際應(yīng)用中的加工、工藝和裝配性能等。

表1 各狀態(tài)參數(shù)值

3 小結(jié)

隨著壓縮機(jī)的廣泛應(yīng)用和壓縮技術(shù)的不斷創(chuàng)新，二級壓縮滑片式壓縮機(jī)的開發(fā)推廣已是大勢所趨。綜合考慮了各種滑片式空氣壓縮機(jī)在二級開發(fā)中存在的問題，以一級壓縮的研究理論和實(shí)際工作狀態(tài)為基礎(chǔ)開展理論分析和校核，進(jìn)行了二級壓縮狀態(tài)參數(shù)的計算，最終確定了二級壓縮滑片式空氣壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)形式和狀態(tài)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，就可進(jìn)行二級壓縮中的其他狀態(tài)分析、理論研究和進(jìn)一步的開發(fā)。

［1］ 劉衛(wèi)華，郁永章．實(shí)際中冷時多級壓縮最佳壓比的計算［J］．化工機(jī)械，1999，4(26):216．

［2］ 陳文威，李滬萍．熱力學(xué)分析與節(jié)能［M］．北京:科學(xué)出版社，1999:102－109．

［3］ Lee Sang － Joon，Kim Hyoung － Bum，Huh Jeong － Ki，et al．Quantitative Analysis of Flow inside the Accumulator of A Rotary Compressor［J］．International Journal of Refrigeration，2003，26(3):321 －327．

［4］ 郁永章．容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000:215－219．

［5］ 劉衛(wèi)華．近十年來壓縮機(jī)技術(shù)研究動向［J］．壓縮機(jī)技術(shù)，1998(4):33－34．

Determination of Basic Parameters of Two Stage Sliding－vane Compressor Development

Fan Xiugang
(SINOPEC the Tenth Construction Company Limited Shanghai Company，200540)

With the strong points of high compression ratio，high exhaust pressure，high delivery capacity，low power consumption and high overall efficiency，multi compression finds wide application．However，due to the restriction of its working principle and specific working condition，as well as effects of lubricant，the development of multi stage sliding－vane compressor was restricted．The various basic parameters of slidingvane compressor at two stage compressing station were analyzed and calculated in details to prove and promote the feasibility of two stage and even multi stage compressing technology in practical application．

sliding － vane compressor，two stage compression，intermediate compression，throttling expansion

1674－1099 (2012)04－0034－04

TH456

A

2012-06-25。

樊秀剛，男，1978年9月出生，2002年6月畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化工設(shè)備與機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)任中石化第十建設(shè)有限公司上海分公司經(jīng)理。