兩種不同工藝流程中氨氣制冷壓縮機組的對比

張本權(quán) 周慧 劉業(yè)超 許冰/沈陽鼓風機集團股份有限公司

兩種不同工藝流程中氨氣制冷壓縮機組的對比

張本權(quán) 周慧 劉業(yè)超 許冰*/沈陽鼓風機集團股份有限公司

化肥裝置中存在兩種差異顯著的氨氣制冷流程，本文從氨氣制冷流程出發(fā)，通過對壓縮機本體結(jié)構(gòu)、機組性能及其配套輔機等方面的對比，分析了兩種不同流程的差異及各自的優(yōu)缺點。介紹了兩種不同流程對用戶和壓縮機制造廠商在壓縮機組和經(jīng)濟運行等方面都產(chǎn)生的影響，分析兩種不同的壓縮機各自具有的優(yōu)勢。

氨氣壓縮機；制冷流程

0 引言

模式不同的氨氣制冷流程。

氨氣主要用于制取氮肥和銨鹽以及作制冷劑，與其他冷媒，如丙烯相比較具有單位質(zhì)量制冷量大，相同制冷量時質(zhì)量流量小，省功，單位質(zhì)量冷媒價格低廉等諸多優(yōu)點[1]。通過長期的化肥裝置氨氣制冷流程配套設(shè)計，在制冷流程前后工藝流程幾乎相似的情況下，兩種不同的氨氣制冷工藝流程就壓縮機組所在模塊有著諸多的差異。

本文以沈鼓集團通常為國內(nèi)用戶及設(shè)計院設(shè)計規(guī)劃的制冷流程（流程Ⅰ）和根據(jù)某國外用戶要求及當?shù)靥厥馇闆r進行設(shè)計的特殊制冷流程（流程Ⅱ），以某一制冷量相同，參數(shù)相近的氨氣壓縮機組為例，通過流程對比，以及對包括壓縮機內(nèi)部結(jié)構(gòu)（轉(zhuǎn)子、定子的主要組成部件），壓縮機性能及壓縮機組的關(guān)鍵配套件（冷卻器等）的壓縮機模塊的對比，來分析不同情況下用戶以及制造廠商如何更加合理的對氨氣制冷流程（氨氣壓縮機組）進行選擇。

1 流程

氨氣制冷壓縮機常用于化肥裝置中的制冷流程，在沈鼓集團長期的制冷流程設(shè)計工作中，通過研究與積累，以及對國外先進工藝商的制冷流程的消化吸收，結(jié)合自身長期實踐經(jīng)驗，總結(jié)出兩種

1.1 流程Ⅰ介紹

流程Ⅰ中氨氣制冷壓縮機組[2]采用汽輪機驅(qū)動，布置方式為：汽輪機+壓縮機高壓缸（雙進氣形式）+壓縮機低壓缸（單進氣形式）。

根據(jù)流程示意圖1，用戶提供進口氨氣，流量約25 000Nm3/h，溫度約-40℃，壓力約0.07MPa（A）。氨氣通過1#分離器后，液氨被分離進入液氨儲罐，氣體通過過濾器后進入壓縮機組低壓缸（單進氣形式），經(jīng)過低壓缸壓縮后，此時氨氣溫度約100℃，壓力約0.4MPa（A）。氣體經(jīng)過冷卻后進入2#分離器，液氨同樣進入液氨儲罐，氣體進入壓縮機組高壓缸（雙進氣形式），此時氣體溫度約40℃，壓力為壓縮機低壓缸（單進氣形式）出口壓力減掉一部分冷卻器的壓損。壓縮機組高壓缸分為兩段壓縮，一段壓縮后經(jīng)過冷卻進入二段，最終達到壓縮機二段出口時，溫度約為130℃，最終出口壓力約1.7MPa（A）。

圖1 流程Ⅰ氨氣壓縮機組示意流程圖

1.2 流程Ⅱ流程介紹

流程Ⅱ氨氣制冷壓縮機同樣采用汽輪機驅(qū)動，機組布置形式為：壓縮機低壓缸單進氣形式+汽輪機+壓縮機高壓缸單進氣形式。

根據(jù)流程示意圖2，用戶提供進口氨氣，流量約25 000Nm3/h，溫度約-40℃，壓力約0.07 MPa（A）。氨氣通過1#分離器后，液氨被分離進入液氨儲罐，氣體通過過濾器后進入壓縮機組低壓缸（單進氣形式），經(jīng)過低壓缸壓縮后，此時氨氣溫度約90℃，壓力約0.45MPa（A）,此流程前半段與國內(nèi)流程幾乎完全相同。之后氣體經(jīng)過冷卻后進入2#分離器，液氨進入液氨儲罐，氣體進入壓縮機組高壓缸（單進氣形式），氣體溫度約20℃，壓力為壓縮機低壓缸（單進氣形式）出口壓力減掉一部分冷卻器的壓損。后半段為國內(nèi)外流程的最大區(qū)別，此壓縮機組高壓缸為單段壓縮，最終達到壓縮機出口時，溫度約為155℃，壓力約1.8MPa（A）。

圖2 流程Ⅱ氨氣壓縮機組示意流程圖

1.3 流程對比

通過對比流程發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外流程最大的區(qū)別在于壓縮機組的高壓缸部分國內(nèi)流程采用兩段壓縮，國外流程采用單段壓縮。在出口壓力相差不大的情況下，國外流程出口溫度略高，在滿足后續(xù)工藝流程的情況下，整個流程減少了一個冷卻器，減少了整個機組的占地面積和成本。

2 壓縮機本體

2.1 概述

通過前文的對比，壓縮機的差異主要存在于壓縮機高壓缸部分，而低壓缸幾乎沒有顯著差異，故此以下主要對壓縮機組高壓缸進行分析。

對于壓縮機結(jié)構(gòu)方面來說，國內(nèi)流程中壓縮機組高壓缸型式為雙進氣雙出氣型式（水平剖分結(jié)構(gòu)），國外流程中壓縮機組高壓缸型式為單進氣單出氣型式（水平剖分結(jié)構(gòu)）。單段壓縮的壓縮機風筒數(shù)為2，兩段壓縮的壓縮機風筒數(shù)為4，兩段壓縮的壓縮機機組增加了管路布置的難度，加大了機組的復(fù)雜程度，但是單段壓縮的壓縮機由于7個葉輪全部順排布置，會導(dǎo)致由于葉輪產(chǎn)生的壓縮機整體軸向推力較大，壓縮機設(shè)計時需要額外考慮軸向推力的平衡以保證機組的穩(wěn)定運行[3]。

2.2 轉(zhuǎn)子

通過觀察圖3和圖4，兩種轉(zhuǎn)子存在顯著的差異，首先雙進氣形式壓縮機轉(zhuǎn)子的葉輪采用背靠背結(jié)構(gòu)布置，而單進氣形式壓縮機轉(zhuǎn)子的葉輪采用順排布置。相較雙進氣形式壓縮機轉(zhuǎn)子來說，單進氣形式壓縮機轉(zhuǎn)子便于安裝和拆裝檢修，下文就壓縮機轉(zhuǎn)子存在的諸多差異進行定性的分析和介紹。

圖3 流程Ⅰ流程壓縮機轉(zhuǎn)子簡圖

圖4 流程Ⅱ流程壓縮機轉(zhuǎn)子簡圖

2.2.1 葉輪

1）型式介紹

雙進氣形式壓縮機轉(zhuǎn)子使用的葉輪為：

高效三元葉輪+高效二元葉輪

單進氣形式壓縮機轉(zhuǎn)子使用的葉輪為：

高效三元葉輪

二者葉輪直徑均相同，一般情況來說，三元葉輪的效率要優(yōu)于二元葉輪。通過對比葉輪發(fā)現(xiàn)，壓縮機的長徑比單進氣壓縮機轉(zhuǎn)子要小于雙進氣壓縮機轉(zhuǎn)子，長徑比較小，意味著壓縮機的穩(wěn)定性可以得到更好的保障[4-5]。

2）葉輪強度分析

使用ANSYS和Solid Works對葉輪進行強度及變形分析

如圖5所示，對壓縮機高壓缸葉輪是以某彈性模量為198GPa，密度為7 850kg/m3，泊松比為0.3。屈服極限833MPa，抗拉強度931MPa的高強度合金鋼為材料，對葉輪進行有限元模型分析。

圖5 葉輪有限元模型圖

單扇區(qū)：單元類型Solid187，單元數(shù)12 246，節(jié)點數(shù)22 926。

載荷：葉輪跳閘轉(zhuǎn)速。

位移約束條件：對葉輪內(nèi)孔進行軸向和周向約束。

如圖6所示葉輪最大應(yīng)力位置一般位于葉根處，最大應(yīng)力一般不超過750MPa。

圖6 葉輪跳閘轉(zhuǎn)速下應(yīng)力云圖

相同工況下，對不同流程中會影響葉輪強度性能的參數(shù)進行對比（見表1）。

表1 葉輪強度性能對比表

根據(jù)表1對比分析可知，雙進氣壓縮機轉(zhuǎn)子的葉輪應(yīng)力要優(yōu)于單進氣壓縮機轉(zhuǎn)子，在條件允許的情況下，可以在一定程度上降低壓縮機轉(zhuǎn)子即壓縮機組的成本。

2.2.2 平衡盤

對于平衡盤，低壓缸結(jié)構(gòu)形式幾乎完全相同，不做分析，通過對圖3和圖4的觀察，對高壓缸的平衡盤位置進行對比（見表2），可見雙進氣機型要優(yōu)于單進氣機型。

表2 平衡盤參數(shù)對比表

2.2.3 轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)分析

1）加載方式

一般壓縮機不平衡響應(yīng)激勵方式分為內(nèi)激勵和外激勵兩種[6]，加載方式見圖7、圖8。

圖7 內(nèi)激勵方式圖

圖8 外激勵方式圖

2）激勵曲線

以壓縮機進行內(nèi)激勵為例對不同機型進行分析，通過觀察兩種不同工況下的轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)曲線（見圖9、圖10）可以發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)子模型接近的情況下，轉(zhuǎn)速范圍是對機組運行的主要考核點[7]。流程Ⅱ中壓縮機的額定轉(zhuǎn)速為8 799r/min，機組轉(zhuǎn)速運行范圍為6 599～9 239r/min，流程Ⅰ中壓縮機的額定轉(zhuǎn)速為8 658r/min，機組轉(zhuǎn)速運行范圍為6 494～9 091r/min，兩種流程中的壓縮機轉(zhuǎn)速都可以很好的避開轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，可以保證機組安全平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。需要特別注意，在升速過程中，機組轉(zhuǎn)速在接近一階臨界轉(zhuǎn)速時，需要迅速正常加速度兩倍以上的升速對機組進行操作，以保證機組可以順利度過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域，避免機組發(fā)生危險。

圖9 轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)曲線（工況一）圖

圖10 轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)曲線（工況二）圖

2.3 定子

通過觀察圖11和圖12，兩種定子存在顯著的差異，由于流程Ⅰ中壓縮機采用雙進氣雙出氣的結(jié)構(gòu)形式流程Ⅱ采用單進氣單出氣的結(jié)構(gòu)形式。此兩種形式的差異，首先壓縮機需要增加一個進氣蝸室一個排氣蝸室[8-9]，導(dǎo)致壓縮機的機殼外徑尺寸需要增加；其次需要增加一進一出兩個風筒機殼，下文就壓縮機定子存在的差異進行定性的分析和介紹。

圖11 流程Ⅰ雙進氣形式壓縮機定子簡圖

圖12 流程Ⅱ單進氣形式壓縮機定子簡圖

2.3.1 機殼

一般雙進氣壓縮機的機殼直徑為850mm，單進氣壓縮機的機殼直徑為700mm。通過轉(zhuǎn)子長度的對比可知，流程Ⅰ壓縮機長度要略長于流程Ⅱ中使用的壓縮機，假設(shè)壓縮機長度方向的比例為1.1:1，將壓縮機視為實體圓柱的情況下，雙進氣壓縮機與單進氣壓縮機的體積比≈1.1×8 502/ 7 002=1.62，即流程Ⅰ中采用的雙進氣壓縮機的質(zhì)量大概為流程Ⅱ中采用的單進氣壓縮機質(zhì)量的1.62倍。

2.3.2 風筒

上文已經(jīng)提到，流程Ⅰ中壓縮機采用雙進氣雙出氣的形式，四種風筒型式見圖13。而流程Ⅱ中壓縮機采用單進氣單出氣的形式，兩種風筒型式見圖14。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，首先從風筒型式上來說，單進氣的風筒結(jié)構(gòu)型式幾乎都為直通型，便于材料的利用，同時焊接工藝也較為簡單，大大減少了加工制造成本；其次從材料消耗方面來說，此機型每個風筒按照500kg估計，減少兩個風筒也可以節(jié)約材料大約1 000kg。

圖13 流程Ⅰ雙進氣壓縮機風筒簡圖

同時對于兩個風筒的氣管路連接來說，在設(shè)計、材料消耗和安裝上的成本也要大大降低。

圖14 流程Ⅱ單進氣壓縮機風筒簡圖

2.4 性能范圍

通過觀察圖15、圖16中高壓缸的兩組曲線，單進氣形式壓縮機Turndown Range[10]為45％，而雙進氣形式壓縮機的Turndown Range為30％，可以明顯看出流程Ⅱ中壓縮機的范圍要優(yōu)于流程Ⅰ，優(yōu)良的運行范圍保證了壓縮機可以滿足更多的運行工況。

圖15 國外流程壓縮機高壓缸曲線圖

圖16 國外流程壓縮機高壓缸曲線圖

3 輔助設(shè)備

根據(jù)流程圖可知，兩種流程中的低壓缸出口都需要一個冷卻器對氣體進行換熱冷卻，氣體經(jīng)過一段冷卻器后進入高壓缸，此過程使用的冷卻器和分離器幾乎完全相同，在此不進行比較。

而對于高壓缸，流程Ⅰ中采用的雙進氣壓縮機，需要在高壓缸一段出口增加一個浮頭式換熱器[11]。浮頭式換熱器主要由管束、殼體、浮頭蓋、殼蓋、管箱、管箱蓋板等部件組成，在管箱、殼體、殼蓋的上、下均裝有帶盲法蘭的排水管和排氣管。換熱器兩端的管板，其中一端與殼體不相連，此端稱浮頭。浮頭式換熱器適用于空壓機、氨壓機等介質(zhì)比較單一，而且較潔凈的氣體[12]。浮頭式換熱器在管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力，而且浮頭端設(shè)計成可拆結(jié)構(gòu)，使管束能容易的插入或抽出殼體，為檢修、清洗提供了方便。但是浮頭式換熱器同樣存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對金屬耗材耗量大的問題。以此臺產(chǎn)品為例，而流程Ⅱ中的單進氣壓縮機并不需要此冷卻器，減少此冷卻器，不但從設(shè)備本身來說減少了成本，而且降低了級間管路安裝的復(fù)雜程度。

圖17 浮頭式換熱器簡圖

4 消耗

通過對比（見表3），流程Ⅱ功率消耗略高于流程Ⅰ，同時總耗水量略有增加。

表3 不同流程消耗對比表

5 總結(jié)

如通過以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：

1）在制冷量相近的情況下，流程Ⅰ整個流程的功耗低于流程Ⅱ，針對汽輪機驅(qū)動機組即降低了蒸汽耗量；降低了機組總耗水量，機組長期運行成本降低。

2）流程Ⅱ通過減輕壓縮機重量、降低裝配制造難度、減少一個級間冷卻器的方式降低了整個壓縮機組的制造成本；同時簡化了整個壓縮機組的土建及管路布置和安裝，降低了用戶投資成本；便于后期檢修。

通過對比可以得出結(jié)論：

1）長期運行時，流程Ⅰ具有較高的經(jīng)濟性，針對用戶前期投資資金充足，且需要考慮一定蒸汽和水源成本的情況，建議考慮采用流程Ⅰ；

2）短期使用時，流程Ⅱ具有較高的經(jīng)濟性，針對用戶前期投資資金緊張，且整個廠房的蒸汽和水源充足的情況，建議考慮采用流程Ⅱ。

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TheComparisonofAmmonia RefrigerationCompressorsinTwo Different Technological Processes

Zhang Ben-quan,Zhou Hui,Liu Ye-chao, XuBing,LiangJi-yang,ZhuLi-jun/ ShenyangBlowerWorksGroupCorporation

Twodifferentammonia refrigeration technology processes exist for fertilizer units.Based on the analysis of the two ammonia refrigeration processes,the comparison between compressor structure, unit performance and related components were introduced.The different processes have different influences on compressors and running economically for both the manufacturingcompaniesandusers. Finally,the advantage of the different compressorswasanalyzed.

ammoniacompressor; refrigeration process

TH452;TK05

A

1006-8155（2016）01-0081-06

10.16492/j.fjjs.2016.02.0012

*本文其他作者：梁繼洋朱麗君/沈陽鼓風機集團股份有限公司

2015-10-02沈陽110869