丙烷制冷压缩机的补气室结构改进设计研究

丙烷制冷压缩机的补气室结构改进设计研究
近年来，我国的工业化进程有了很大进展，对机械设备的应用也越来越广泛。

作为典型的高耗能机械，压缩机叶轮效率提升以及合适的定子结构设计向来受到业界的高度关注，根本目的是为了减少流动损失、降低能源消耗，近年来相关研究的大量涌现也能够证明这一认知，基于此，本文分析了丙烷制冷技术及工艺现状，并详细论述了丙烷制冷压缩机的补气室结构改进设计、数值模拟，希望由此能够为相关业内人士带来一定启发。

标签：丙烷制冷压缩机;补气室;结构改进
引言
低温分离法的主要原理是利用天然气中不同烃类组分的冷凝温度的不同，在低温环境下将不同的轻烃组分分离出来。

丙烷压缩循环制冷低温天然气处理工艺技术选用丙烷作为制冷剂形成低温分离条件，通过热交换方式使天然气产生足够低的温度，实现低温脱水。

1 丙烷制冷技术
HFC、HCFC、天然工质为制冷剂替代的重点方向，丙烷属于其中天然工质的代表。

作为天然的制冷剂，丙烷具备对自然环境没有危害、热力学性能优秀等优势，臭氧破坏潜能值（ODP）、全球变暖潜能值（GWP）均为0。

在笔者的实际调研中发现，丙烷制冷剂早已在我国石油化工等领域实现广泛应用。

以应用于天然气凝液回收的丙烷制冷技术为例，“膨胀制冷+辅助制冷（丙烷制冷）”的工艺形式可较好服务于油气田冷凝分离法的应用，其中丙烷制冷技术在其中的应用可细分为浅冷回收法、深冷回收法，两种方法的应用必须权衡轻烃回收率和装置能耗关系，由此方可合理选择工艺参数。

2 影响因素分析
2.1 天然气流量的影响
气田处理量越大，压缩机能耗和丙烷用量也越大，天然气输量对能耗和丙烷用量的影响是非常明显的，因此应该根据气田产能需求来确定制冷剂用量及压缩机运行数量。

2.2 风冷冷凝器布置形式与影响因素
在夏季工况压缩机的冷凝压力和排气温度均较高，此时风冷冷凝器的负荷最大，风冷冷凝器进风温度又高。

可在风冷冷凝器上配置多台风机，增强风冷冷凝器强制对流换热。

当系统运行在冬季工况时，随着环境温度的降低，仅通过自然对流即可带走大部分的冷凝负荷，可以关闭部分风机。

当只剩一个风机运行，进
风量仍过大，此时采用变频风机更利于系统的平稳、节能、高效运行。

当预冷系统的冷凝负荷较大，单台风冷冷凝器不能满足要求时，需要并联多台风冷冷凝器。

并联风冷冷凝器到贮液器的各支路形式设计是否合理直接影响整个丙烷预冷系统的运行效率。

为避免冷凝液在冷凝器中积存，冷凝器的安装高度要高于h。

为了降低风冷换热器的安装高度且保证换热器的换热性能，需要尽量缩短排气管道长度，减小排气管阻力降。

风冷换热器也需要在换热性能、经济性等因素的综合因素下减小其阻力降。

2.3 节流后压力的影响
制冷剂流经节流阀是绝热过程，节流阀节流的主要作用是产生更低的节流温度，同时可以调节丙烷制冷剂的流量，所以节流压力会直接影响到制冷系统的制冷量和制冷深度。

节流阀的节流压力越低，相应的蒸发温度越低。

在相同制冷剂的流量下，节流后压力越低，压缩机的能耗越大。

在空冷器出口温度不变的情况下，从节流阀进入蒸发器的丙烷流量一定，通过调节蒸发器前节流阀的节流压力从而控制蒸发器的蒸发温度，节流阀节流压力越低，丙烷在蒸发器中定压汽化后进入压缩机的进气压力就越低，致使压缩机前后的压比增加，压缩机的能耗增大。

虽然节流后的压力降低导致了温度降低，天然气低温的要求得到了满足，但低温并没有提高制冷系统的制冷量。

2.4 风冷油冷却器安装
为减少风冷油冷却器油侧的阻力降，油冷却器的进、出油口位置要低于油分离器的正常油位。

通过油分离器与冷却器之间的高差，油靠重力流入油冷却器中，此时油泵置于油冷却器之后如流程1所示。

经油泵的油循环量不包含转子腔喷油量，油泵及油泵电机的型号较小。

在某些工况下，需要提高风冷油冷却器的安装高度来增加空气侧的进风量和流通面积，从而保证冷却器的换热效果。

油冷却器安装高度的增加必然导致油侧的阻力增大，进而夹在油中的液态制冷剂从油分离器进入风冷冷却器时会闪发为气态，积存在进油管上侧形成气囊。

若油泵的自吸能力差，气态制冷剂不能被及时抽走，从而导致油冷却器的进出油不畅。

进而引起供油压不足，导致压缩机出现缺油、排气温度增高等故障。

为避免此种情况出现，可将油自油分离器出来经过滤除杂后直接进油泵，通过泵将油压入油冷却器中。

改造后的油路系统使油泵增加了转子腔的喷油量，油泵及油泵电机的型号均需重新校核，若不满足要求则增大油泵和油泵电机的型号。

3 丙烷制冷压缩机的补气室结构改进设计
笔者结合图1（左）所示的丙烷制冷压缩机改进前的补气结构，结合该图开展分析不难发现，改进前的丙烷制冷压缩机补气室结构属于典型的传统补气结构，图1（右）则为改进后的丙烷制冷压缩机补气室结构。

对比改进前的补气结构、改进后的结构不难发现，改进后的丙烷制冷压缩机加气室结构的加气口更靠近前一级叶轮回流器出口，改进前的丙烷制冷压缩机加气室结构则更靠近下一级叶轮进口。

深入分析不难发现，回流器在丙烷制冷系统中发挥着改变气流方向的作用，叶轮则属于丙烷制冷压系统中气体做功部件，由此围绕改进后的丙烷制冷
压缩机补气室结构设计开展分析不难发现，改进后的设计使得回流器与加气口的距离大幅缩短，气流在进入下一级叶轮前将实现均匀混合，下一级叶轮损失减少、丙烷制冷压缩機效率提升均将由此实现。

4 丙烷制冷具体模拟
在ViewExcelResult命令的支持下，技术人员可应用excel软件进行换热能力、做功能力、分子量、焓值、总摩尔组成、汽相摩尔组成、液相摩尔组成、总流量、液相流量、汽相流量、压力、各物流、设备温度等详细结果的查看。

对比主要操作点的实际参数与工艺运行参数不难发现，实际参数与模拟求得的工艺运行参数相差不大，如制冷剂丙烷模拟流程的循环质量为12065kg/h，实际流程的循环质量同样为12065kg/h;丙烷压缩机模拟流程的出口压力、出口温度分别为1438kPa 与70℃其实际流程的出口压力、出口温度分别为1440kPa与70℃;模拟流程冷凝器出口压力、出口温度分别为1435kPa与40.8℃，其实际流程的出口压力、出口温度分别为1440kPa与-34.3℃;模拟流程蒸发器出口压力、出口温度分别为-116.6kPa与40.8℃，其实际流程的出口压力、出口温度分别为115kPa与-35℃，由此可确定PRO/Ⅱ烃类工艺模拟软件的应用价值，物流工艺模拟质量也能够由此得到证明，围绕PRO/Ⅱ烃类工艺模拟软件开展的更进一步丙烷制冷压缩机改进设计则将成为笔者下一步研究的方向。

结语
综上所述，丙烷制冷压缩机的补气室结构改进设计具备较高现实意义，在此基础上，本文应用数值模拟CFD技术开展的数值验证，则直观证明了丙烷制冷压缩机的补气室结构改进设计能够降低损失、提升加气室流场理想程度，而为了更好发挥丙烷制冷技术的优势，丙烷制冷系统的总体改造、各地廉价自然冷源的应用必须得到重点关注。

参考文献
[1]方晓庆，庄学武.丙烷制冷系统节能技术应用及效果分析[J].石油石化节能，2014，4（08）：12-14.
[2]王子宗.乙烯装置分离技术及国产化研究开发进展[J].化工进展，2014，33（03）：523-537.
[3]王洪松，马蕊，刘光柄.丙烷压缩机循环制冷系统工艺流程优化[J].石油和化工设备，2011，14（03）：37-39.。