基于UNISIM的壓縮機(jī)組帶壓啟動(dòng)研究

費(fèi)啟智 林峰寶 張家瑞/沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

基于UNISIM的壓縮機(jī)組帶壓啟動(dòng)研究

費(fèi)啟智 林峰寶 張家瑞/沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

0 引言

壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于石油、冶金、化工等工業(yè)領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，壓縮機(jī)組越來越趨于大型化、復(fù)雜化。由于壓縮機(jī)組運(yùn)行工況越來越復(fù)雜，壓縮機(jī)組在啟動(dòng)時(shí)所處的平衡壓力不再是單一情況，對(duì)壓縮機(jī)組的驅(qū)動(dòng)設(shè)備及啟動(dòng)方案都提出更為苛刻的要求。

以電機(jī)驅(qū)動(dòng)的某大型乙烷制冷壓縮機(jī)為例，由于工藝氣實(shí)際是處在露點(diǎn)溫度，受環(huán)境溫度因素影響，當(dāng)停車以后，壓縮機(jī)組平衡壓力往往會(huì)達(dá)到很高的程度[1]。此時(shí)，若直接啟動(dòng)壓縮機(jī)，即帶高壓啟動(dòng)壓縮機(jī)組，電機(jī)需要很大的啟動(dòng)功率才能將壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速。一旦啟動(dòng)負(fù)荷超過電機(jī)所能承受的最大啟動(dòng)功率，壓縮機(jī)組將因電機(jī)電流過載保護(hù)而聯(lián)鎖停車，不僅影響了開車進(jìn)度，還對(duì)后續(xù)工藝和電機(jī)自身造成很大傷害[2]。以往通常采用泄壓方法降低壓縮機(jī)進(jìn)口壓力，即將大量工藝氣放火炬以降低啟動(dòng)壓力和功率，這樣做會(huì)造成大量的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染，與綠色、安全及高效的生產(chǎn)理念相悖。

目前，由于壓縮機(jī)組帶壓啟動(dòng)過程很難估算，沒有科學(xué)依據(jù)的實(shí)際嘗試，會(huì)給機(jī)組開車帶來很大風(fēng)險(xiǎn)。希望利用先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型模擬并核算此過程，在工廠投產(chǎn)甚至設(shè)計(jì)選型之前就模擬出壓縮機(jī)組在不同平衡壓力下啟動(dòng)所需要的啟動(dòng)力矩，并量化不同平衡壓力下的啟動(dòng)力矩，通過大量的模擬數(shù)據(jù)去分析啟動(dòng)過程，并制定啟動(dòng)方案。

UniSim軟件是Honeywell公司收購AspenTech公司的HYSYS軟件后，重新改寫HYSYS內(nèi)核原代碼和動(dòng)態(tài)連接庫而推出的新一代過程模擬平臺(tái)，具有強(qiáng)大的流程模擬功能。UniSim軟件普遍應(yīng)用于化工過程的研究開發(fā)與設(shè)計(jì)，生產(chǎn)操作的控制和優(yōu)化[3]。利用UniSim流程模擬軟件建立的工藝模型，不僅能夠?qū)φ麄€(gè)工藝過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，還能為實(shí)際設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)和方案優(yōu)化提供依據(jù)。本文描述了利用UniSim軟件平臺(tái)對(duì)壓縮機(jī)組的啟動(dòng)過程進(jìn)行模擬，通過對(duì)模擬結(jié)果的討論和分析，找出以往啟動(dòng)方法的不足之處。為制定帶壓啟動(dòng)方案提供參考依據(jù)，亦可作為壓縮機(jī)組驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型的依據(jù),是未來壓縮機(jī)組工藝分析和控制方案優(yōu)化的重要工具。

1 制冷原理及工藝流程

乙烷制冷是利用乙烷液體汽化時(shí)的吸熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷，乙烷制冷系統(tǒng)利用壓縮機(jī)把蒸氣抽出壓縮，然后將其冷卻凝結(jié)成液體返回到容器中，完成一個(gè)制冷循環(huán)[4]。

圖1所示為閉式循環(huán)乙烷制冷系統(tǒng)，裝置正常生產(chǎn)時(shí)，壓縮機(jī)從緩沖罐中吸入乙烷氣體，氣體乙烷經(jīng)壓縮機(jī)后，氣體壓力升為1.049MPa，溫度為96.15℃。壓縮后的乙烷氣體進(jìn)入乙烷冷凝器中，被冷卻至42℃。冷卻介質(zhì)為循環(huán)冷卻水，循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度為35℃，出口溫度為40℃。繼續(xù)經(jīng)過冷凝器，被冷卻至-31.31℃，此時(shí)乙烷被冷凝成液體狀態(tài)。冷凝器的冷卻介質(zhì)為丙烷氣體。丙烷氣體在冷凝器進(jìn)口溫度-13.3℃，壓力0.21MPa；出口溫度-33.63℃，壓力0.043MPa。液態(tài)乙烷靠重力排入乙烷貯槽中。-31.31℃的液態(tài)乙烷經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流，為用戶提供提供-52℃左右的制冷劑。液體乙烷用作制冷劑被換熱后，乙烷的溫度變?yōu)?35.18℃，壓力變?yōu)?.045MPa，呈氣體狀態(tài)，氣態(tài)乙烷又被輸送到緩沖罐中，完成一個(gè)制冷循環(huán)。

圖1 工藝流程示意圖

基于工藝流程圖建立UniSim軟件平臺(tái)的動(dòng)態(tài)仿真模型。建立UniSim模型時(shí)，首先根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的典型PFD組分表，定義壓縮機(jī)工藝氣體組分，見表1。定義單位、大氣壓力、相對(duì)高度、模型特性等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。以換熱器出口作為制冷壓縮機(jī)上游的平衡點(diǎn)壓力設(shè)定，按照壓縮機(jī)組相關(guān)設(shè)備資料分別設(shè)置模擬范圍內(nèi)的壓縮機(jī)、電機(jī)、罐、閥門、管道等設(shè)備參數(shù)。

表1 壓縮機(jī)工藝氣體組分表

UniSim軟件的流體包包括執(zhí)行閃蒸和物性計(jì)算必須的所有信息。選擇了合適的流體包，就是選擇了合適的熱力學(xué)計(jì)算法，是得出準(zhǔn)確模擬結(jié)果的基礎(chǔ)。由于該模型中所涉及的組分都是小分子烴，所以狀態(tài)方程適合選擇Peng-Robinson方程。Peng-Robinson方程在計(jì)算飽和蒸汽壓及飽和液體密度等方面有很好的準(zhǔn)確度，其在解決二元交互作用參數(shù)方面有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),是工程相平衡計(jì)算中最常用的方程之一[5-7]。

定義模型中所有設(shè)備結(jié)構(gòu)、尺寸和參數(shù)。主要模型設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)為：壓縮機(jī)性能曲線，壓縮機(jī)數(shù)據(jù)表，電機(jī)性能曲線，閥門參數(shù)，罐參數(shù)，冷卻器參數(shù)，防喘振控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)等。壓縮機(jī)組動(dòng)態(tài)仿真模型如圖2所示。在壓縮機(jī)組動(dòng)態(tài)模擬時(shí)首先需要驗(yàn)證設(shè)計(jì)選用的電機(jī)能否滿足壓縮機(jī)組正常啟動(dòng)需求；其次進(jìn)一步驗(yàn)證壓縮機(jī)組能否帶壓啟動(dòng)，量化帶壓啟動(dòng)時(shí)的最大平衡壓力。

圖2 壓縮機(jī)組動(dòng)態(tài)仿真模型圖

2 流程模擬

模擬過程要實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)組從零轉(zhuǎn)速開始升速到額定轉(zhuǎn)速并進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)的過程[8]，所以先要分析壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)性能，研究其轉(zhuǎn)速變化規(guī)律以及壓縮機(jī)組的時(shí)間響應(yīng)規(guī)律，確定壓縮機(jī)軸功率大小。壓縮機(jī)軸功率計(jì)算公式為[9]：

式中，n為體積指數(shù)；CF為修正系數(shù)；p1為進(jìn)口壓力；p2為出口壓力；ρ1為進(jìn)口氣體密度；F1為進(jìn)口摩爾流量；MW為氣體分子量。

對(duì)于多變功率，體積指數(shù)計(jì)算如下：

式中，ρ2為出口氣體密度。

修正系數(shù)計(jì)算如下：

式中，h2'為與進(jìn)口熵對(duì)應(yīng)的出口焓；h1為進(jìn)口焓。

研究壓縮機(jī)的啟動(dòng)過程實(shí)際上就是電機(jī)的啟動(dòng)過程，電機(jī)功率主要是根據(jù)壓縮機(jī)的軸功率并考慮一定的富裕系數(shù)來確定。電機(jī)能否驅(qū)動(dòng)起壓縮機(jī)，所體現(xiàn)的載體是轉(zhuǎn)矩。壓縮機(jī)停機(jī)后再次啟動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要包括以下幾部分[10]：

摩擦轉(zhuǎn)矩：在啟動(dòng)開始瞬間，隨著氣體被壓縮，運(yùn)動(dòng)部分從靜摩擦轉(zhuǎn)矩變?yōu)閯?dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩急劇增加；克服靜摩擦后轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦轉(zhuǎn)矩下降并變?yōu)槟骋缓愣ㄖ怠?/p>

加速轉(zhuǎn)矩：具有一定質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)部件，啟動(dòng)加速時(shí)要得到所需要的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，加速度為零，加速轉(zhuǎn)矩也變?yōu)榱恪?/p>

壓縮轉(zhuǎn)矩：壓縮轉(zhuǎn)矩最初隨出口壓力的升高而增加，在吸氣壓力降低的同時(shí)，壓縮轉(zhuǎn)矩隨之減小，即壓縮轉(zhuǎn)矩隨吸氣壓力和出口壓力比的增加而增加。

在壓縮機(jī)組動(dòng)態(tài)仿真過程中，將上述三類轉(zhuǎn)矩視為啟動(dòng)壓縮機(jī)所需要的轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小決定壓縮機(jī)組能否成功啟動(dòng)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：

式中，P為功耗，kW；T為轉(zhuǎn)矩，Nm；ω為同步轉(zhuǎn)速，r/min。

式中，f為電機(jī)頻率，Hz；P為電機(jī)極數(shù)。

通過上面的公式，可以將壓縮機(jī)在啟動(dòng)過程中所需要的功率核算成電機(jī)啟動(dòng)所需要的轉(zhuǎn)矩。在UniSim仿真模型中定義壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能曲線，電機(jī)生產(chǎn)廠家一般會(huì)提供轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)差率曲線，將其轉(zhuǎn)化為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性曲線，如圖3所示。

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性曲線圖

UniSim仿真模型將利用壓縮機(jī)功率計(jì)算出的電機(jī)轉(zhuǎn)矩與模型輸入的電機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩值做比較，只有在機(jī)組啟動(dòng)全過程中，電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩始終大于壓縮機(jī)所需要啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，壓縮機(jī)組才能夠順利完成啟動(dòng)。本模型中所選用的電機(jī)額定功率為3 000kW，額定轉(zhuǎn)速為10 780r/min。利用UniSim仿真模型模擬壓縮機(jī)組不同平衡壓力情況下的啟動(dòng)過程，記錄平衡壓力—轉(zhuǎn)速—功率數(shù)據(jù)表，如表2所示。

通過表2可知當(dāng)平衡壓力小于0.544MPa時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)功率維持在2 840kW左右，這是由于此壓力下壓縮機(jī)啟動(dòng)后將部分乙烷氣體壓縮冷凝到乙烷貯槽中，致使壓縮機(jī)啟動(dòng)后整個(gè)系統(tǒng)維持在相對(duì)平衡的壓力環(huán)境下。當(dāng)壓力不斷升高至0.991MPa以上，由于乙烷貯槽壓力不斷升高，不再接受壓縮過來的冷凝乙烷液體，致使電機(jī)功率快速升高。當(dāng)平衡壓力達(dá)到1.028MPa時(shí)，電機(jī)功率達(dá)到3 005kW，恰能滿足機(jī)組要求，當(dāng)平衡壓力繼續(xù)升高達(dá)到1.060MPa以后，電機(jī)功率已經(jīng)不能滿足壓縮機(jī)的功率需求，此時(shí)表現(xiàn)為電機(jī)能力不足，需要重新匹配機(jī)組啟動(dòng)的平衡壓力和電機(jī)功率。

表2 模擬數(shù)據(jù)記錄表Ⅰ

在電機(jī)選型過程中，若考慮壓縮機(jī)帶壓啟動(dòng)工況，增加電機(jī)額定功率，就會(huì)相應(yīng)增加成本投入?？赏ㄟ^仿真模型模擬嘗試在不增加電機(jī)功率的情況下尋找其它能夠降低機(jī)組啟動(dòng)功率的方法，進(jìn)而對(duì)既定電機(jī)的壓縮機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)方案優(yōu)化。通過改變進(jìn)口節(jié)流閥和防喘振閥開度的方式，考核啟動(dòng)功率情況。以平衡壓力為1.148MPa時(shí)為例，分別將進(jìn)口閥開度調(diào)節(jié)到100％、40％、30％，防喘振閥開度調(diào)節(jié)到100％、90％、85％，記錄模擬結(jié)果如表3。

表3 模擬數(shù)據(jù)記錄表Ⅱ

通過表3可發(fā)現(xiàn)當(dāng)平衡壓力在1.148MPa時(shí)，進(jìn)口節(jié)流閥和防喘振閥全開的情況下，電機(jī)無法將機(jī)組啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速。如果保持防喘振閥開度不變，關(guān)小進(jìn)口節(jié)流閥至10％，電機(jī)能順利啟動(dòng)帶壓為1.148MPa的壓縮機(jī)；如果保持進(jìn)口節(jié)流閥開度不變，關(guān)小防喘振閥開度至90％，電機(jī)也能順利啟動(dòng)帶壓為1.148MPa的壓縮機(jī)。可見關(guān)小進(jìn)口節(jié)流閥或防喘振閥后，電機(jī)的啟動(dòng)功率都會(huì)減小，整個(gè)壓縮機(jī)組裝置更容易啟動(dòng)。在關(guān)閉防喘振閥模擬過程中，可以觀察到隨著防喘振閥開度減小，壓縮機(jī)流量越小，啟動(dòng)后工作點(diǎn)離喘振線越近[11]。所以，在關(guān)閉防喘振閥時(shí)，不僅要考慮減小啟動(dòng)功率，首先應(yīng)考慮壓縮機(jī)喘振情況。只能在一定范圍內(nèi)適當(dāng)關(guān)閉防喘振閥，避免壓縮機(jī)發(fā)生喘振造成更大的損失。

3 結(jié)果及分析

通過對(duì)模擬結(jié)果的分析可知，為了滿足電機(jī)3 000kW的額定功率要求，在不改變進(jìn)口節(jié)流閥和防喘振閥開度的情況下，只有壓縮機(jī)的平衡壓力不超過1.028MPa時(shí)，壓縮機(jī)組才能成功啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速。通過對(duì)模型模擬結(jié)果的分析，可驗(yàn)證設(shè)計(jì)所選用的電機(jī)能否將壓縮機(jī)順利地啟動(dòng)到要求工況，對(duì)于壓縮機(jī)組帶壓啟動(dòng)時(shí)可估算最大平衡壓力。

通過分析模擬結(jié)果得出影響壓縮機(jī)帶壓啟動(dòng)的因素主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1）啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的平衡壓力影響。在制冷壓縮機(jī)（離心式）啟動(dòng)過程中，工藝裝置的平衡壓力是能否成功啟動(dòng)壓縮機(jī)的重要因素，通常來說溫度越高，平衡壓力越大，壓縮機(jī)組啟動(dòng)功率越大。

2）防喘振閥門開度影響。防喘振閥門的開度實(shí)際影響的是壓縮機(jī)進(jìn)口的流量。當(dāng)減小防喘振閥開度時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)口流量相應(yīng)減小，壓縮機(jī)啟動(dòng)功率減小。

3）壓縮機(jī)進(jìn)口節(jié)流閥開度影響。壓縮機(jī)進(jìn)口節(jié)流閥開度影響壓縮機(jī)的進(jìn)口流量，當(dāng)進(jìn)口節(jié)流閥開度越大時(shí)，機(jī)組進(jìn)口流量越大，壓縮機(jī)運(yùn)行所需功率相應(yīng)越大。

4 結(jié)束語

通過對(duì)制冷壓縮機(jī)啟動(dòng)過程的模擬研究，可以檢驗(yàn)出不同平衡壓力下，機(jī)組啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速所需要的電機(jī)功率大小，為電機(jī)選型提供數(shù)據(jù)參考依據(jù)；也可模擬出壓縮機(jī)在既定電機(jī)情況下，啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速所能承受的最大平衡壓力；模擬結(jié)果可以為現(xiàn)場(chǎng)壓縮機(jī)組試車方案提供數(shù)據(jù)參考。另外，根據(jù)制冷壓縮機(jī)仿真模擬結(jié)果，從優(yōu)化壓縮機(jī)組啟動(dòng)方案的角度分析并得出結(jié)論：在電機(jī)型號(hào)已選定的情況下，最優(yōu)的壓縮機(jī)帶壓啟動(dòng)方案是通過關(guān)小壓縮機(jī)進(jìn)口截流閥的方式來降低壓縮機(jī)啟動(dòng)功率；在沒有進(jìn)口截流閥的情況下，可以通過適當(dāng)關(guān)小防喘振閥的方式來降低啟動(dòng)功率，達(dá)到壓縮機(jī)安全高壓啟動(dòng)的目的。應(yīng)用關(guān)閉防喘振閥的方法時(shí)應(yīng)考慮工作點(diǎn)運(yùn)行位置，避免壓縮機(jī)組發(fā)生喘振。

[1]HeysariGorji A.,Kalat JariH..Calculating settle-out pressure in compressor loops[J].Hydrocarbon Processing,2006(11):63-65.

[2]張全.電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行故障與處理方法[J].科技風(fēng),2010(9):241.

[3]朱宏稻，羅應(yīng)君.10萬噸聚丙烯裝置仿真應(yīng)用與環(huán)管反應(yīng)器的模擬[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2011(1):45-48.

[4]李杰.丙烯制冷系統(tǒng)改造和優(yōu)化操作[J].化學(xué)工程師，2012(9)：45-47.

[5]梁平，李志軍，肖翔,等.天然氣處理流程模擬技術(shù)[J].油氣田地面工程，2008(4)：53-54.

[6]趙建彬，劉君有，郭俊昌,等.HYSYS流程模擬技術(shù)在油氣處理廠的應(yīng)用[J].油氣田地面工程,2010(8):93-94.

[7]楊友麒，項(xiàng)曙光.化工過程模擬與優(yōu)化[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[8]陳艷，劉爽，姚云漢.PTA裝置空壓機(jī)組轉(zhuǎn)速的控制與實(shí)現(xiàn)[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2015(3):24-27.

[9]Honeywell.UniSim Design OperationsGuide[Z].2014,11.

[10]楊啟超,李連生.制冷壓縮機(jī)啟動(dòng)過程的研究進(jìn)展[J].家電科技,2005(2):31-33.

[11]李懷慶，鄧建平，周向民,等.氧化氮壓縮機(jī)喘振試驗(yàn)及防喘振參數(shù)設(shè)定[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2011(5):69-71.

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利用UniSim軟件平臺(tái)開發(fā)乙烷循環(huán)制冷壓縮機(jī)組的動(dòng)態(tài)仿真模型，基于仿真模型分析壓縮機(jī)組的啟動(dòng)過程，研究壓縮機(jī)組帶壓啟動(dòng)條件及特點(diǎn)。通過仿真模型的模擬驗(yàn)證能得到壓縮機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的最大平衡壓力，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型和制定壓縮機(jī)組帶壓啟動(dòng)方案提供依據(jù)，為機(jī)組長期安全運(yùn)行奠定良好的基礎(chǔ)。

壓縮機(jī)；帶壓啟動(dòng)；動(dòng)態(tài)仿真；UniSim

Research on the Starting of Compressor Unitw ith Pressure Based on UNISIM

Fei Qi-zhi,Lin Feng-bao,Zhang Jia-rui/ Shenyang BlowerWorksGroup Co.,Ltd.

Abstract：By building a dynamic simulation model of refrigeration compressor units with UniSim software, engineers can analyze the starting process and research the starting conditions and characteristics of the compressor unitswith pressure.Themaximum balancing pressure while starting can be obtained according to the simulation model,which can provide a basis for selecting motors and making starting schemes.

compressor;starting with pressure;dynamic simulation;UniSim

TH452;TK05

A

1006-8155（2016）03-0089-05

10.16492/j.fjjs.2016.03.0012

2015-10-02遼寧沈陽110869