工況變化對(duì)透平式壓縮機(jī)性能的影響

鄧劍

摘要：介紹壓縮機(jī)入口進(jìn)氣狀態(tài)和工作元件的變化，對(duì)壓縮機(jī)性能的影響，掌握學(xué)習(xí)壓縮機(jī)性能；通過(guò)改變壓縮機(jī)的運(yùn)行工況，以適應(yīng)變化后的運(yùn)行條件，防止壓縮機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)域，使壓縮機(jī)能夠安全、平穩(wěn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)；進(jìn)氣狀態(tài)；工況變化

引言

壓縮機(jī)組在石油化工生產(chǎn)中，發(fā)揮著無(wú)可替代的作用，壓縮機(jī)組運(yùn)行狀況的好壞，對(duì)石油化工生產(chǎn)裝置有很大的影響，是生產(chǎn)裝置能否長(zhǎng)周期運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。然而壓縮機(jī)組在實(shí)際的運(yùn)行中，為了滿足工藝的要求，需要經(jīng)常調(diào)節(jié)壓縮機(jī)負(fù)荷或由于工藝參數(shù)的波動(dòng)，導(dǎo)致壓縮機(jī)運(yùn)行工況的變化，致使壓縮機(jī)在非設(shè)計(jì)條件運(yùn)行，為了使壓縮機(jī)平穩(wěn)安全運(yùn)行，必須掌握壓縮機(jī)的性能特點(diǎn)。壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，輕則導(dǎo)致裝置生產(chǎn)波動(dòng)，重則導(dǎo)致裝置緊急停工，甚至設(shè)備損壞。

一、 壓縮機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)和工作元件變化對(duì)特性的影響

壓縮機(jī)的運(yùn)行工況常常發(fā)生變化，為了反映不同工況下壓縮機(jī)的性能，通常把在一定進(jìn)氣狀態(tài)下對(duì)應(yīng)各種轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣流量與壓縮機(jī)的排氣壓力（或壓比）、功率及效率的關(guān)系用曲線形式表示出來(lái)，這些曲線就稱為壓縮機(jī)的流量特性線或性能曲線[1]。壓縮機(jī)常按一種工況條件設(shè)計(jì)作為最佳工作點(diǎn)，但在實(shí)際生產(chǎn)中，卻往往在非設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行，工況變了，壓縮機(jī)的性能會(huì)發(fā)生很大變化。

1、 進(jìn)氣狀態(tài)與設(shè)計(jì)條件不同對(duì)性能的影響

（1） 進(jìn)氣溫度的影響

在轉(zhuǎn)速（或靜葉角度）不變和容積流量不變的情況下，進(jìn)氣溫度的變化直接影響到進(jìn)氣質(zhì)量流量、壓比和功率。

質(zhì)量流量由于進(jìn)氣壓力和分子量不變，對(duì)同一進(jìn)氣容積流量有：

G1/G=T/T1

式中，G1、T1表示新工況。此式說(shuō)明質(zhì)量流量和溫度成反比。

b、壓比轉(zhuǎn)速（或靜葉角度）不變時(shí)，葉輪對(duì)氣體做的功不變，此時(shí)效率一般不變。根據(jù)公式 ，說(shuō)明溫度降低，壓比將升高，反之，壓比將降低。

C、根據(jù)公式 ，說(shuō)明h_pol與進(jìn)氣溫度T成正比。由于質(zhì)量流量一樣，功率與進(jìn)氣溫度成正比。

因此進(jìn)氣溫度的變化，將改變壓縮機(jī)性能曲線，如果溫度升高，性能曲線向左下方向移動(dòng)。如果溫度減小，性能曲線向右上方向移動(dòng)。例如：催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)組在其他條件相同的情況下，主風(fēng)機(jī)組在夏天時(shí)，消耗的功率要比冬天要大，而且夏天靜葉角度也要大一些。

（2） 進(jìn)氣分子量的影響

根據(jù)公式 ，說(shuō)明氣體相對(duì)分子質(zhì)量M越小，氣體常數(shù)R就越大，因此壓縮比ε就越小，說(shuō)明相對(duì)分子質(zhì)量越小的輕組分氣體往往越難壓縮。[2]

進(jìn)氣分子量的變化，將改變壓縮機(jī)性能曲線，如果分子量變小，性能曲線向左下方向移動(dòng)。如果溫度變大，性能曲線向右上方向移動(dòng)。

（3）進(jìn)氣壓力的影響

質(zhì)量流量將和進(jìn)氣壓力成正比，即G1/G=P1/P；由于進(jìn)氣壓力不影響壓比，根據(jù)公式 ，說(shuō)明，壓縮機(jī)功率和進(jìn)氣壓力成正比。

2、壓縮機(jī)葉輪、通流部分流道結(jié)垢和輪蓋、級(jí)間密封的磨損對(duì)性能的影響

壓縮機(jī)入口進(jìn)氣狀態(tài)與原始設(shè)計(jì)進(jìn)氣狀態(tài)變化很大時(shí)，將導(dǎo)致壓縮機(jī)性能曲線的變化，致使影響壓縮機(jī)性能指標(biāo)。如果壓縮機(jī)運(yùn)行條件與原始設(shè)計(jì)運(yùn)行條件不變，壓縮機(jī)做功能力下降，并且功率消耗也曾加，可能是壓縮機(jī)本身出了問(wèn)題，如壓縮機(jī)通流部分有沉積夾雜物、或級(jí)間密封損壞、或葉輪有腐蝕磨損等問(wèn)題。例如乙烯裂解氣壓縮機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，壓縮機(jī)內(nèi)部容易結(jié)垢，導(dǎo)致壓縮機(jī)嚴(yán)重偏離工況點(diǎn)，增加壓縮機(jī)的功率消耗，甚至導(dǎo)致壓縮機(jī)振動(dòng)持續(xù)增大，影響壓縮機(jī)長(zhǎng)周期運(yùn)行。

二、壓縮機(jī)發(fā)生喘振的原因

對(duì)于壓縮機(jī)操作，在實(shí)際生產(chǎn)中，面對(duì)更多的是如何防止喘振，因此分析發(fā)生喘振的原因非常重要，在實(shí)際運(yùn)行中引起喘振的原因很多，壓縮機(jī)發(fā)生喘振的根本原因是壓縮機(jī)入口流量減小，導(dǎo)致壓縮機(jī)沖角（i=β1A-β1）變大，壓縮機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速，同時(shí)壓縮機(jī)出口管網(wǎng)容積足夠大，壓縮機(jī)就會(huì)發(fā)生喘振。由于壓縮機(jī)的流量和轉(zhuǎn)速（或靜葉角度）都會(huì)導(dǎo)致沖角變化，因此壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速（或靜葉角度）變化，會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)喘振點(diǎn)變化。

那么除了內(nèi)部流動(dòng)情況因失速區(qū)的產(chǎn)生與發(fā)展結(jié)果引起喘振外，從外部條件來(lái)分析，即從壓縮機(jī)與管網(wǎng)的運(yùn)行工作點(diǎn)來(lái)分析，管網(wǎng)流量、阻力的變化與壓縮機(jī)工作不協(xié)調(diào)，應(yīng)是引起壓縮機(jī)喘振的重要原因。這種工作的不協(xié)調(diào)可以分為兩點(diǎn)：第一，壓縮機(jī)的流量等于或小于喘振流量；第二，壓縮機(jī)排氣壓力低于管網(wǎng)壓力。

由于壓縮機(jī)工作點(diǎn)是由壓縮機(jī)性能曲線和官網(wǎng)曲線的交點(diǎn)確定的，只要壓縮機(jī)工作點(diǎn)在喘振區(qū)，壓縮機(jī)就發(fā)生喘振，凡是運(yùn)行中使壓縮機(jī)性能曲線下移或管網(wǎng)曲線上移，或兩者同時(shí)發(fā)生，或減量過(guò)多，都會(huì)使壓縮機(jī)喘振。例如軸流壓縮機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)，是先調(diào)靜葉角度，再關(guān)放空閥。軸流壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，是先開(kāi)放空閥，再關(guān)小靜葉角度，來(lái)防止軸流壓縮機(jī)發(fā)生喘振。

三、防喘振控制方法

1、操作條件優(yōu)化

通過(guò)了解掌握性能曲線，就要明白性能曲線是在一定進(jìn)氣狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的性能曲線，因此在分析壓縮機(jī)控制和防喘振方法時(shí)，一定要注意進(jìn)氣狀態(tài)的變化，優(yōu)化操作條件。

（1）增大進(jìn)氣分子量。

由于分子量減少所引起的操作變化，使喘振線移到右邊，從而使得壓縮機(jī)更容易發(fā)生喘振，所以增大進(jìn)氣分子量，可以改變喘振點(diǎn)，使壓縮機(jī)不易進(jìn)入喘振區(qū)域。例如某煉油廠催化裂化裝置，開(kāi)工提前噴石腦油，石腦油裂化生成的氣體比瓦斯氣體分子量大，富氣壓縮機(jī)不易喘振，可以保持富氣壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行?？梢詫?shí)現(xiàn)提前開(kāi)富氣壓縮機(jī)，減少開(kāi)工損失。

（2）降低進(jìn)氣溫度。

進(jìn)氣溫度的影響同分子量的影響相類似，提高進(jìn)氣溫度會(huì)使喘振線向右下方移動(dòng)，這就促使壓縮機(jī)更易于發(fā)生喘振。由于在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，壓縮機(jī)入口溫度不能調(diào)節(jié)，受環(huán)境溫度影響，例如催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)壓縮的介質(zhì)為空氣，入口溫度就是大氣溫度，由于入口溫度變化很大，主風(fēng)機(jī)組防喘振控制增加了入口溫度補(bǔ)償。

2、分析獨(dú)立變量對(duì)壓縮機(jī)的影響，優(yōu)化操作

獨(dú)立變量指的是過(guò)程的輸入量，它并不受所研究的特定控制系統(tǒng)控制（也稱為干擾因數(shù)），一個(gè)過(guò)程或操作單元的獨(dú)立變量，通常是另外一工藝過(guò)程或操作單元的調(diào)節(jié)變量。例如催化裂化裝置反再系統(tǒng)壓差控制，是通過(guò)大小旁路和煙機(jī)入口調(diào)節(jié)閥分程控制，那么對(duì)于再生器壓差控制，再生器出口煙氣流量是調(diào)節(jié)變量，那么對(duì)于主風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)就是獨(dú)立變量，再生器出口煙氣流量減小，導(dǎo)致再生器壓力升高，主風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)向左上方移動(dòng)，容易進(jìn)入喘振區(qū)域。通過(guò)控制循環(huán)水量來(lái)控制分餾塔頂冷凝器冷后溫度，冷后溫度的改變，將導(dǎo)致富氣壓縮機(jī)入口介質(zhì)分子量大小和介質(zhì)流量的改變，嚴(yán)重時(shí)，甚至使機(jī)組進(jìn)入喘振區(qū)，循環(huán)水量也就是富氣壓縮機(jī)的獨(dú)立變量。這些獨(dú)立變量，通常都是另外一個(gè)工藝過(guò)程或操作單元的調(diào)節(jié)量。因此操作人員在實(shí)際操作過(guò)程中，一定要多了解工藝流程和工藝原理，以便更多的學(xué)習(xí)理解對(duì)機(jī)組造成影響的獨(dú)立變量，才能使壓縮機(jī)組安全平穩(wěn)運(yùn)行。

總結(jié)

在實(shí)際操作過(guò)程中，機(jī)組都是在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行，都是因?yàn)楠?dú)立變量的變化或工藝要求的變化，才對(duì)壓縮機(jī)機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)。然而有些獨(dú)立變量的變化是很突然的或者操作很難察覺(jué)到。因此操作人員對(duì)壓縮機(jī)機(jī)組的性能要非常熟悉，理解進(jìn)氣狀態(tài)與設(shè)計(jì)條件不同對(duì)性能的影響，以及能夠分析壓縮機(jī)性能下降，是由于壓縮機(jī)本身出了問(wèn)題，還是因?yàn)檫\(yùn)行工況嚴(yán)重偏移設(shè)計(jì)工況，使壓縮機(jī)做功能力下降，功率消耗升高。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃鐘岳王曉放等編著.透平壓縮機(jī)【M】.北京.化學(xué)工業(yè)出版社.2004.-

[2]王福利.石油化工廠設(shè)備檢修手冊(cè)壓縮機(jī)組【M】.北京.中國(guó)石化出版社.2007.123