陳金鋒,吳智敏,馮健美,彭學(xué)院

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 710049, 西安)

低溫進(jìn)氣對(duì)閃蒸氣壓縮機(jī)流量影響的實(shí)驗(yàn)研究

陳金鋒,吳智敏,馮健美,彭學(xué)院

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 710049, 西安)

針對(duì)低溫進(jìn)氣對(duì)液化天然氣閃蒸氣(BOG)壓縮機(jī)容積效率影響很大的問題,搭建了低溫進(jìn)氣壓縮機(jī)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)。通過在氣缸不同位置安裝溫度傳感器,測(cè)量了不同進(jìn)氣溫度下壓縮機(jī)氣缸內(nèi)氣體溫度及外壁面溫度,采用體積流量計(jì)測(cè)量了壓縮機(jī)實(shí)際進(jìn)、排氣流量;通過在壓縮機(jī)進(jìn)口前的管路上纏加熱帶,采用并聯(lián)銅管旁通管路,實(shí)現(xiàn)了進(jìn)氣溫度調(diào)節(jié)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)影響容積效率的因素,特別是溫度系數(shù)和進(jìn)氣系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析,結(jié)果表明:BOG壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),隨著進(jìn)氣溫度從-54.2 ℃降低到-142.2 ℃,進(jìn)氣系數(shù)、溫度系數(shù)和容積效率均明顯減小,分別下降了25.5%、25.0%和23.75%;進(jìn)氣溫度為-142.2 ℃時(shí),氣缸外壁面溫差達(dá)到最大值76 ℃。該結(jié)果可為閃蒸氣回收式壓縮機(jī)氣缸設(shè)計(jì)提供參考。

閃蒸氣壓縮機(jī);閃蒸氣回收;低溫進(jìn)氣;容積效率

在運(yùn)輸和卸船過程中,由于液化天然氣(LNG)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG體積的變化,以及環(huán)境溫度和大氣壓變化等外界能量的輸入,使得儲(chǔ)罐內(nèi)產(chǎn)生大量的閃蒸氣(BOG)(無卸船時(shí)約占儲(chǔ)存總量的0.05%～0.06%,卸船時(shí)占比更大)[1-2]。為保證LNG接收站的安全運(yùn)行,對(duì)閃蒸氣需要進(jìn)行及時(shí)處理,將BOG通過增壓送入管網(wǎng)或重新送入LNG罐中[3-8]。當(dāng)BOG溫度低至-162 ℃時(shí),進(jìn)氣溫度與環(huán)境溫度之間存在極大溫差,對(duì)進(jìn)氣加熱影響顯著。有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,BOG在壓縮機(jī)工作腔開始被壓縮時(shí),其溫度比進(jìn)入工作腔時(shí)升高約30～60 ℃[9]。根據(jù)壓縮機(jī)基本熱力學(xué)原理,吸氣溫度每升高3 ℃,排氣量會(huì)降低約1%,這意味著進(jìn)氣加熱對(duì)BOG壓縮機(jī)容積效率影響巨大[10]。所以,在BOG壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)階段必須掌握低溫進(jìn)氣對(duì)進(jìn)氣加熱的影響規(guī)律。

本文搭建了低溫進(jìn)氣壓縮機(jī)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái),由此研究了低溫進(jìn)氣條件下壓縮機(jī)氣缸外壁面溫度場(chǎng)、進(jìn)氣系數(shù)、溫度系數(shù)、容積效率等隨著溫度變化的規(guī)律,以期為低溫進(jìn)氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

搭建的低溫進(jìn)氣壓縮機(jī)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置流程圖如圖1所示。由圖1可見:由杜瓦瓶E-1蒸發(fā)的閃蒸氣進(jìn)入杜瓦瓶E-2進(jìn)行緩沖,再經(jīng)穩(wěn)壓器、銅管旁通管路進(jìn)入壓縮機(jī);壓縮機(jī)進(jìn)口前的管路上纏有加熱帶,以輔助銅管旁通管路來調(diào)節(jié)壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度;壓縮機(jī)進(jìn)、出口處均有緩沖罐,用來減小氣流脈動(dòng),保證壓縮機(jī)進(jìn)、出口氣體流量測(cè)量的準(zhǔn)確性;在排氣管路末端裝有一個(gè)帶閥門的氣罐,用以調(diào)節(jié)壓縮機(jī)背壓;在缸蓋、氣缸外壁面以及壓縮機(jī)進(jìn)、排氣口處均布置溫度傳感器,進(jìn)行溫度測(cè)量;氣缸內(nèi)氣體壓力由壓力傳感器測(cè)得。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)體圖如圖2所示。

P:壓力表;E:容器;Z:針閥;V:球閥;F:減壓閥;PC:壓力傳感器;TC:溫度傳感器

(a)液氮?dú)饣胺€(wěn)壓裝置

(b)壓縮機(jī)及數(shù)據(jù)采集裝置

考慮到在實(shí)驗(yàn)室直接使用天然氣的危險(xiǎn)性,實(shí)驗(yàn)時(shí)利用液氮?dú)饣蟮牡蜏氐獨(dú)馓娲鶥OG氣體。實(shí)驗(yàn)采用的無油潤(rùn)滑壓縮機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

在一定的進(jìn)氣壓力下,對(duì)不同進(jìn)氣溫度影響壓縮機(jī)氣缸各處溫度分布,以及進(jìn)、排氣量的變化規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,步驟如下。

(1)壓縮機(jī)啟動(dòng)之前,用低溫氮?dú)鈱?duì)壓縮機(jī)進(jìn)行了預(yù)冷處理,以減小壓縮機(jī)氣缸等部件由于大溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力。當(dāng)壓縮機(jī)氣缸溫度冷卻至-30 ℃時(shí),啟動(dòng)壓縮機(jī)。

(2)壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后,調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器,當(dāng)壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力穩(wěn)定為0.12 MPa時(shí),調(diào)節(jié)背壓罐,使得排氣壓力穩(wěn)定在0.32 MPa。

(3)在壓縮機(jī)4個(gè)管路的不同位置分別纏繞加熱帶(見圖2),另有1個(gè)銅管設(shè)為旁通管路,依次打開加熱帶1、2、3、4和旁通管路,可以實(shí)現(xiàn)5種不同的進(jìn)氣溫度。當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)可以測(cè)得不同進(jìn)氣溫度下各測(cè)點(diǎn)的溫度和壓力,以及進(jìn)、出口處的氣體流量。

通過以上3個(gè)步驟得到的實(shí)驗(yàn)工況如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)采用的無油潤(rùn)滑壓縮機(jī)的主要參數(shù)

表2 經(jīng)3個(gè)步驟得到的實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)裝置中壓縮機(jī)的溫度、壓力傳感器的布置如圖3所示,其中7個(gè)測(cè)點(diǎn)T1～T7的溫度傳感器分別測(cè)量進(jìn)口氣體溫度、進(jìn)氣側(cè)氣缸外壁溫度、氣缸蓋外壁溫度、出口氣體溫度、緊靠排氣側(cè)的肋頂端氣缸外壁溫度、排氣側(cè)肋根部氣缸外壁溫度、遠(yuǎn)離排氣側(cè)的氣缸外壁溫度,壓力傳感器測(cè)量氣缸內(nèi)氣體壓力。

(a)三維圖

(b)實(shí)體圖

2 實(shí)驗(yàn)誤差分析

低溫進(jìn)氣對(duì)BOG壓縮機(jī)流量影響的最重要的3個(gè)參數(shù)分別為進(jìn)氣系數(shù)λs、溫度系數(shù)λT和容積效率η。進(jìn)氣系數(shù)λs為實(shí)際吸氣量與理論行程容積之比

(1)

式中:λV為容積系數(shù);λP為壓力系數(shù);λT為溫度系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中,由流量計(jì)測(cè)得的實(shí)際吸氣量與理論行程容積之比得到進(jìn)氣系數(shù)λs,由測(cè)得的P-V圖得到λP和λV,經(jīng)式(1)可以計(jì)算得到λT,由流量計(jì)測(cè)得的實(shí)際排氣量與理論行程容積之比得到η。

測(cè)量前T型熱電偶均已經(jīng)過標(biāo)定,在-200～300 ℃范圍內(nèi)的測(cè)量誤差為±0.1 ℃;標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下流量計(jì)在6～60 m3/h范圍內(nèi)的測(cè)量誤差為±1%;壓力傳感器在0～0.7 MPa范圍內(nèi)的測(cè)量誤差為±0.05%。由此,根據(jù)相對(duì)誤差的傳遞公式得出λs、η的相對(duì)誤差均為±1%,λT的相對(duì)誤差為±1.5%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 測(cè)溫點(diǎn)的溫度分析

5種工況下壓縮機(jī)7個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度測(cè)量值如圖4所示,測(cè)點(diǎn)位置見圖3。從圖4可以看出:各工況下壓縮機(jī)氣缸壁面表面溫度分布梯度很大,溫差比較大,當(dāng)進(jìn)氣溫度為-142 ℃時(shí),最大溫差達(dá)到76 ℃;隨著進(jìn)氣溫度的升高,最大溫差逐漸減小,當(dāng)進(jìn)氣溫度升至-54.2 ℃時(shí),最大溫差只有54 ℃。

圖4 5種工況下7個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度測(cè)量值

3.2 進(jìn)氣溫度對(duì)進(jìn)氣系數(shù)的影響

λs隨進(jìn)氣溫度的變化如圖5所示。由圖5可以看出,隨進(jìn)氣溫度從-54.2 ℃降低到-142 ℃,壓縮機(jī)的λs從0.825減小到0.615,降低了25.5%。原因是λs為λV、λP、λT三者的乘積,工況變化僅會(huì)影響壓縮機(jī)的進(jìn)氣溫度,所以λV、λP變化不大,因此λs與λT的變化規(guī)律相一致。

圖5 進(jìn)氣系數(shù)隨進(jìn)氣溫度的變化

3.3 進(jìn)氣溫度對(duì)溫度系數(shù)的影響

λT隨進(jìn)氣溫度的變化如圖6所示。由圖6可以看出:隨著進(jìn)氣氣溫從-73.5℃降低到-142 ℃,λT從0.96減小到0.72,下降了25%;當(dāng)溫度高于-73 ℃時(shí),λT趨近于1,表明此時(shí)進(jìn)氣溫度的變化對(duì)λT的影響不大。原因是λT反映的是氣體加熱對(duì)氣缸吸氣能力的影響,而影響氣缸內(nèi)氣體在吸氣終了時(shí)溫度的主要因素之一,是吸氣過程與氣體接觸的氣缸和活塞壁面?zhèn)鹘o氣體的熱量。當(dāng)進(jìn)氣溫度較低,如工況1溫度低至-142.2 ℃時(shí),排氣溫度在-80 ℃左右(見圖4),整個(gè)氣缸及活塞表面溫度均低于環(huán)境溫度,因此環(huán)境溫度對(duì)氣缸及進(jìn)氣溫度的影響顯著,而λT較小,僅為0.72。隨著進(jìn)氣溫度的升高,外界溫度與氣缸及氣缸內(nèi)氣體溫度之間的溫差減小,通過氣缸向氣缸內(nèi)氣體傳遞的熱量減小,λT隨之增大。

圖6 溫度系數(shù)隨進(jìn)氣溫度的變化

3.4 進(jìn)氣溫度對(duì)容積效率的影響

η隨進(jìn)氣溫度的變化如圖7所示。由圖7可以看出,η隨進(jìn)氣溫度的變化較為明顯,當(dāng)溫度從-54.2 ℃降低到-142 ℃時(shí),η從0.8減小至0.61,降低了23.75%。對(duì)比進(jìn)、排氣口處流量測(cè)量結(jié)果,發(fā)現(xiàn)低溫進(jìn)氣對(duì)泄漏的影響較小,η主要受λT的影響,由于λT隨著進(jìn)氣溫度的降低大大減小,使得η隨著進(jìn)氣溫度的降低而減小。

圖7 容積效率隨進(jìn)氣溫度的變化

4 結(jié) 論

本文搭建了滿足低溫進(jìn)氣條件的壓縮機(jī)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái),對(duì)進(jìn)氣溫度在-142～-54.2 ℃范圍內(nèi)的壓縮機(jī)氣缸各處溫度分布及容積流量影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得出以下主要結(jié)論。

(1)在一定的進(jìn)氣壓力下,隨著進(jìn)氣溫度由-54.2 ℃降低至-142.2 ℃,λT降低顯著,由0.96減小到0.72,下降了25%,λs由0.825減至0.615,下降了25.5%。因此,低溫進(jìn)氣時(shí)λT對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)氣量的影響很大。

(2)隨著進(jìn)氣溫度由-54.2 ℃降低至-142.2 ℃,η從0.81減至0.61。

(3)壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度低至-142 ℃時(shí),氣缸壁面溫度分布梯度非常大,溫差可達(dá)76 ℃。如此大的溫差將會(huì)導(dǎo)致氣缸產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,所以在氣缸設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)和材料的性能。

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(編輯 苗凌)

ExperimentalInvestigationonFlowRateofBoil-OffGasCompressoratLowSuctionTemperature

CHEN Jinfeng,WU Zhimin,FENG Jianmei,PENG Xueyuan

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The low suction temperature has a significant effect on the volumetric efficiency of BOG (boil-off gas) compressors.A test rig with temperature sensors was built up to investigate the temperature distribution in the cylinder at various suction temperatures.The suction and discharge flow rates were both measured by the volume flow meter.The heating tape on the pipe before the compressor inlet and the by-pass line were used to adjust the suction temperature.From the test data, the main factors influencing the volumetric efficiency were analyzed, focusing on the temperature coefficient and the suction coefficient.The results show that the suction coefficient, temperature coefficient and volumetric coefficient decreased by 24.4%, 25%, and 23.75%, respectively, when the suction temperature decreased from -54.2 ℃ to -142.2 ℃.The temperature difference on the cylinder outer surface reached the maximum, 76 ℃, at the suction temperature of -142.2 ℃.

boil-off gas compressor; boil-off gas recovery; low suction temperature; volumetric efficiency

10.7652/xjtuxb201403013

2013-04-24。

陳金鋒(1989—),男,碩士生;馮健美(通信作者),女,副教授。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51106120);國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAA08B03)。

時(shí)間: 2013-12-19

TE974

:A

:0253-987X(2014)03-0068-04

網(wǎng)絡(luò)出版地址: http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20131219.1121.001.html