压缩机节能降耗

压缩机节能降耗
富气压缩机节能降耗的变工况运行方法
2007-03-23 10:42:00 作者：来源：中国空压机网
富气压缩机在重油催化裂化中起着增加能量从而提高收率和质量的作用。

随着世界性能源紧缺状况的加剧，各种节能措施纷纷出台，以求降低设备成本。

笔者介绍一种新的节能措施，即利用富气压缩机的多变效率曲线，改变压缩机的工作点，从而达到节能的目的。

压缩机性能参数及自控
1.性能参数
锦州石油化工公司140×104T/A重油催化裂化装置的富气压缩机，由从日本进口的汽轮机直接拖动，其性能参数见表1。

2.自控简介
汽轮机-富气压缩机机组采用先进的PLC控制逻辑系统自保，包括机组超速停机自保、压缩机-汽轮机轴位移超限停机自保、封油压力低限停机自保、润滑油压力低限停机自保和级间分液罐液位高限停机自保。

开机逻辑控制和自动运行等均由PLC控制。

其它常规控制由5个单回路调节器和3个手操器来完成。

机组转速由W/W505控制，PLC 与操作站的通讯由MODBUS来完成。

主要功能有速度控制功能；抗喘震控制功能，即通过3台美国产CCC智能调节器控制抗喘震阀的开度来保护压缩机不被喘震破坏；切断和报警功能，即通过PLC和硬继电器控制机组的紧急状态停机和非正常状态的报警；过程控制功能，即由5个单回路调节器分别调节5个控制指标：压缩机一段入口压力控制、中间罐液位控制、中间罐界面控制、压缩机入口阀遥控和出口
阀遥控。

机组变工况运行分析
1.工况分析
机组的变工况运行与正常范围内的参数变化运行是不同的。

机组运行中的参数变化主要来自反应岗的控制信号，即PRCA1201／A调节器的输出变化。

而富气压缩机入口参数如温度、压力主要由分馏塔顶部温度、压力及分馏塔到机组之间的工艺管线和冷换设备的温度降、压力降所决定。

机组压缩机的原设计工况与变工况的参数对比见表2。

改变机组的参数，目的是降低汽轮机的耗汽量。

改变机组的工况必须保证机组运行在稳定工作区内，最好在改变机组运行工况的同时增大机组的安全工作区。

所谓机组的安全工作区即压缩机性能曲线上的喘震工况与堵塞工况之间的区域。

而实际的安全工作区是防喘震线到防堵塞线之间的区域。

当压缩机在低流量区域运行时有两种危险工况，即“旋转失速”和“喘震”，如图1所示。

图中，1、2、3、4为压缩机某一级叶轮的四片叶片，其气流冲角为I、转速为U；F n为叶栅入口面积，m2；u为机组旋转圆周速度，m/s；ωt为相对坐标旋转角速度，rad/s。

图1 叶栅入口速度图
当压缩机入口流量Q减少、冲角增大到一定程度时，沿叶片的非工作面将发生气流脱离现象。

由于实际叶栅中各叶片的几何参数、工作条件不会完全相同，实际流动的气流也非完全轴对称。

因此，这种气流脱离现象并非同时产生于所有的叶片槽道中，而是在某一个或某几个叶栅中产生。

假设气体绕流叶栅时3号叶片首先失速，由于其叶栅槽道堵塞，流向叶片2上的气流冲角增大，致使此叶片非工作面失
速。

而流向4号叶片上的气流冲角减小，因此4号叶片不会失速。

3号叶片叶背上失速的结果使槽道的有关宽度减小，流量减少，迫使流向叶片3的气流向相邻两侧的叶片2和4流动，从而进一步增大叶片2 的气流冲角，减小3号叶片的冲角，结果2号叶片的失速趋势加剧，3号叶片的失速趋于缓和。

从整体上观察，相当于失速由3号叶片转移到2号叶片。

这种失速将沿着叶片的升力方向在叶栅中移动，即形成旋转失速。

失速可发生在一个叶片，也可发生在几个叶片甚至十几个叶片。

失速区沿叶高旋转分离的产生和不断扩展，就有可能引起压缩机的另一种不稳定工况，即喘震。

由旋转失速引起的流量变化达到压缩机的流量最小值时，压缩机和管路中全部气体流量和压力将周期性地低频率、大振幅上下波动。

这种气流脉动一旦产生，整个压缩机的连续稳定流动将被彻底破坏，随之而来是机组的震动和异音，即发生喘震。

流量小会引起旋转失速和喘震，而当流量沿着等转速线增大时速度在Z方向的分量C1Z增大，气流相对速度W1的马赫数M W1将随之增大，流入工作轮叶栅的负冲角也增大。

当流量接近压缩机最大流量时，M W1有可能达到最大马赫数。

如图2所示，此时工作叶轮叶栅进口最小截面F min上的平均气流速度将达到音速W Fmin=Am/s, M WFmin=1; Q=Q max, 即发生“堵塞”。

图2 工作叶轮叶栅进口“堵塞”特征图
2.变工况对机组性能曲线的影响
(1)转速改变对机组性能曲线的影响对于汽轮机拖动的机组来说，利用改变汽轮机的转速从而改变压缩机的工作点，即改变压缩机的工况，是容易做到的。

改变汽轮机的转速可以得到许多工况。

根据有关文献，有
(1)
ε0＝σ［1＋（N0／N）（ε－1）］(2)
η0＝（N0／N）η(3)
ε0－1≌N0／N（ε－1）(4)
式中Q0——当转速为N0时的流量，m3/s；
ε0——当转速为N0时的压比；
σ——压比修正系数；
N——机组转速，r/min；
η0——当转速为N0时的效率；
η——当转速为N时的效率；
Q——当转速为N时的流量，m3/s；
ε——当转速为N时的压比。

根据以上公式可知：当机组转速降低时，流量减小，压比也相应减少，相当于p－Q曲线向左移动，使机组的稳定工况区增大。

图3为不同转速的p－Q曲线。

因此采取降低机组转速的方法来达到改变机组运行工况是安全、可行的。

图3 机组不同转速的p－Q曲线
1—5870r/min；2—6708r/min；3—7547r/min；4—8070r/min;5—8804r/min
(2)压比改变对机组性能曲线的影响压比的改变除了改变转速以外，还改变机组后部的工艺操作压力。

改变吸收塔的操作压力相当于改变压缩机出口压力，达到改变压比的目的。

吸收塔的操作压力直接影响干气的质量。

在满足工艺要求和产品质量合格的前提下，降低吸收塔的压力，可达到降低压比的目的(见表2)。

炼油一分厂压缩机共有6级，根据连续方程有
m=FρC1z=FρC2z=…=FρC6z (5)
式中m——质量流量，kg/s；
F——进气面积，m2；
ρ——气体密度，kg/m3。

由式(5)有
C1z/C6z＝F6ρ6/F1ρ1 (6)
C z为绝对速度在Z方向上的分量，m/s。

下标1～6代表压缩机各级序号。

因为压缩机各部件尺寸已定，所以有
F1/F6＝常数(7)
ρ1/ρ6＝常数(8)
Φ=C z/u (9)
u1/u6＝r1/r6＝常数(10)
C1z/C6z=(p z/p1)1/n (11)
式中Φ—流量系数；
u——圆周速度，m/s；
r——坐标系径向坐标半径，m；
p——压力，Pa。

假设改变工况时多变指数n为常数，则把式(7)、(8)、(9)和(10)代入式(6)有
(12)
由式(12)可知，当机组压比p6／p1减小，Φ6／Φ1将增大，相当于I＜0 时I为气流负冲角，进入工作叶轮叶栅的β角增大(如图4)，使机组运行远离“旋转失速”区。

图4 速度矢量图
根据文献［1］，为保证压缩机有足够的安全裕度，原设计喘震点压比必须大于工作点压比。

(ε*SURG－ε*0)/ε*0＝12%～17％(13)
式中ε*SURG——喘震点压比；
ε*0——设计点压比。

由式(13)有：当工作点压比降低时比值将增大。

由表2可知，实际工作点压比比原工作点压比降低了2.7。

由此证明降低压缩机的压比会加大机组的稳定工作区。

(3)温度改变对机组性能曲线的影响表2中富气压缩机原设计入口温度为40℃，现在操作温度为32℃。

根据文献［2］有ε2＝［T1/T2(εm-11-1)+1］m-1 (14)
由式(14)可知，当温度降低时压比增大，曲线变陡，相当于该曲
线左移，使稳定工作区增大。

压比的降低不是无限度的，既要考虑工艺需要，又要考虑压缩机的效率问题，因为对于压缩机本身来说，效率、压比、流量有一个最佳相关值，机组的压比不能小于4.8。

由式(12)可知，当压比增大时，Φ6／Φ1将减小，使机组的“失速”线右移，机组易进入“旋转失速”区。

3.变工况对能耗的影响
(1)压比改变对能耗的影响在保证工艺条件允许、干气质量合格，同时不降低压缩机效率的前提下，可以适当降低吸收塔的压力，相当于降低富气压缩机出口的压力，从而降低压比。

由文献［3］有h=［m/(m-1)］z r t［εm-1/m－1］(15)
式中h——能量头，即单位质量气体在叶轮中获得的能量，J/kg；
r——气体常数；
t——气体初始温度，℃；
ε——压缩比；
m——多变指数；
z——压缩性系数。

由式(15)可知,当压比ε降低时，能量头h减小，汽轮机对压缩机所做功也减少，从而达到节能之目的。

(2)转速改变对能耗的影响转速的改变同样要保证产品质量合格、压缩机效率不降低。

根据文献［3］有
(16)
式中ε0——初始设计压比；
n——汽轮机变工况后的转速，r/min；
n0——汽轮机变工况前的转速，r/min。

由式(15)可知，降低压缩机的转速时压比相应减小。

降低压缩机转速就是降低汽轮机转速，即减少其耗汽量，达到节能之目的。

(3)温度改变对能耗的影响对于工艺设备已定的装置来说，改变压缩机入口温度只能改变工艺设备的换热量。

欲改变换热量只能调节E1201A—F冷却器和E1201A—L干湿联合空冷器。

加大E1201A—F、E1202A—L两者的换热量即可以降低压缩机入口温度。

同样由式(15)
可知，降低压缩机入口温度可减少汽轮机的能耗。

机组改变工况运行前后汽轮机所用蒸汽对比见表3。

表3 机组改变工况前后汽轮机蒸汽耗量对比
结束语
笔者对富气压缩机的变工况运行只是做了初步尝试。

在论述中未考虑汽轮机的运行工况，主要原因是汽轮机的运行工况是多变的，只要在汽轮机的设计性能范围内变化，汽轮机即是安全的。

机组的变工况运行对蒸汽参数的要求降低，从而减少了动力车间的能耗，总体上能源的消耗也相应降低。

机组变工况运行3个月，不计降低蒸汽参数带来的效益，仅以每小时10t的蒸汽节能量计算，就获经济效益12.96万元。

侯曙光，工程师，生于1996年，1991年毕业于抚顺石油学化机械系，现从事油催化裂化车间的设备管理工作。

侯曙光（锦州石油化工公司）
参考文献
1，乐志成，吕灿.轴流压缩机.北京：机械工业出版社，1980：138～146
2，王世厚.泵和压缩机.北京：中国石化出版社，1986：191～217
3，汪云瑛，张湘亚. 泵和压缩机.北京：石油工业出版社，1989：106～207。