張鵬飛 趙志玲 姚云漢/沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

噴水濕壓縮對(duì)空壓機(jī)性能的影響*

張鵬飛 趙志玲 姚云漢/沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

0 引言

近年來(lái)，濕壓縮技術(shù)做為一種簡(jiǎn)單有效、易于實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)壓縮機(jī)性能的方法，逐步應(yīng)用于離心壓縮機(jī)中。所謂濕壓縮就是在壓縮機(jī)進(jìn)口或級(jí)間向被壓縮氣體噴入液體，利用液體蒸發(fā)吸收氣體介質(zhì)的熱量，降低壓縮氣體的溫度，使壓縮過(guò)程趨向于等溫過(guò)程，減少壓縮過(guò)程所需要的壓縮功，從而提高壓縮機(jī)的效率。理論上噴入的液體可以是水、乙醇、苯等，但是由于水的冷卻效果最好，且從成本上考慮價(jià)廉易得，因此到目前為止，所有關(guān)于濕壓縮的研究都是圍繞噴水進(jìn)行的。隨著濕壓縮技術(shù)的逐漸成熟，國(guó)外多家公司已把噴水技術(shù)應(yīng)用于離心壓縮機(jī)中，在適當(dāng)?shù)膬?yōu)化條件下，可使壓縮機(jī)效率提高3％～4％。在國(guó)內(nèi)空分行業(yè)的空壓機(jī)裝置中，已在十多臺(tái)壓縮機(jī)上成功采用了噴水濕壓縮技術(shù)，不僅有效降低了壓縮過(guò)程的溫升，使整機(jī)效率得到一定的提高，而且避免了因葉輪積灰造成的機(jī)組振動(dòng)[1-2]。在乙烯裂解生產(chǎn)中的離心式壓縮機(jī)中，通過(guò)使用噴水系統(tǒng)，裂解氣壓縮機(jī)的聚合反應(yīng)問(wèn)題得到了控制，從根本上解決了裂解氣的結(jié)焦問(wèn)題，達(dá)到了標(biāo)本兼治的效果，避免了聚合物對(duì)壓縮機(jī)的不良影響，保證了機(jī)組的安全平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。

1 空壓機(jī)的噴水裝置

空壓機(jī)的噴水裝置主要由水泵、過(guò)濾器、流量計(jì)、止回閥、安全閥、壓力表、調(diào)節(jié)閥、連接管路、噴嘴等部件組成（圖1）。

圖1 噴水系統(tǒng)流程圖

2 空壓機(jī)的噴水類型

根據(jù)壓縮機(jī)噴水位置和噴水方式的不同，可大致分為三類：

1）壓縮機(jī)進(jìn)口噴水

壓縮機(jī)進(jìn)口噴水通常是在靠近壓縮機(jī)機(jī)殼的進(jìn)氣管路上安裝噴嘴（圖2），向空氣流中噴入霧化水滴。進(jìn)入壓縮機(jī)機(jī)殼前，會(huì)有少量水汽化，起到進(jìn)氣冷卻的作用，未蒸發(fā)的水進(jìn)入壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)濕壓縮。采用壓縮機(jī)進(jìn)口噴水技術(shù)無(wú)需對(duì)壓縮機(jī)本體進(jìn)行改動(dòng)，簡(jiǎn)單易行。為了防止進(jìn)氣口結(jié)冰，這種噴水方式只有在環(huán)境溫度較高時(shí)才能使用。

圖2 葉輪進(jìn)口噴水噴嘴安裝圖

2）回流器絕熱加濕

回流器絕熱加濕通常是將噴嘴安裝在壓縮機(jī)的彎道處（圖3），空氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)低壓級(jí)壓縮后，溫度升高，相對(duì)濕度降低。在彎道處向氣流噴入霧化水，由于傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)勢(shì)較大，水滴在回流器中蒸發(fā)非常迅速，減小了噴水引起的摩擦和可能對(duì)葉片造成的損傷。同時(shí)，由于蒸發(fā)迅速，噴水量可以適當(dāng)增大，在回流器出口未汽化完畢的水滴可進(jìn)入下一級(jí)葉輪進(jìn)行濕壓縮。這種方式不受環(huán)境溫度的限制，使?jié)駢嚎s的應(yīng)用范圍大大擴(kuò)展。這種噴水方式需在壓縮機(jī)機(jī)殼和隔板上安裝噴嘴，安裝操作較進(jìn)口噴水復(fù)雜。目前壓縮機(jī)裝置中大多采用這種噴水方式[4]。

圖3 回流器絕熱加濕噴嘴安裝圖

3）葉輪注水

這種噴水方式是通過(guò)壓縮機(jī)葉輪葉片上的小孔將水注入到被壓縮工質(zhì)中。顯然，葉片注水濕壓縮更有效，但對(duì)工藝和設(shè)計(jì)的要求也更高，實(shí)現(xiàn)的難度很大。目前，關(guān)于葉輪的葉片注水方面的研究文獻(xiàn)很少。

3 噴水技術(shù)的熱力學(xué)過(guò)程

3.1 濕壓縮熱力學(xué)過(guò)程[5]

在熱力學(xué)上，壓縮過(guò)程在圖4上表示如下。其中，1-2t為等溫壓縮過(guò)程；1-2s為等熵壓縮過(guò)程；1-2為干壓縮過(guò)程；1-2w為濕壓縮過(guò)程。

從圖4可以看出，向壓縮機(jī)通流部分噴入霧化水，就是通過(guò)水滴的蒸發(fā)吸熱來(lái)冷卻壓縮機(jī)內(nèi)的空氣使其比容降低，減少熱阻損失，以減少壓縮過(guò)程所需的壓縮功，并趨向于等溫壓縮過(guò)程。

圖4 壓縮過(guò)程的T-S圖

3.2 回流器絕熱加濕的熱力學(xué)過(guò)程

在離心壓縮機(jī)中，未飽和的濕空氣（參數(shù)為t，d1，h1）經(jīng)過(guò)第一級(jí)葉輪壓縮后通過(guò)擴(kuò)壓器、彎道、回流器送入下一級(jí)葉輪，在彎道處噴入軟化水與空氣混合進(jìn)入回流器，由于空氣尚未飽和，水分不斷汽化進(jìn)入濕空氣，此過(guò)程可視為絕熱過(guò)程，水分汽化所需的潛熱只能來(lái)自于空氣的顯熱，致使過(guò)程中空氣溫度逐漸降低，含濕量逐漸增大，如果有足夠長(zhǎng)的接觸時(shí)間，最終濕空氣達(dá)到飽和，空氣溫度不再下降。此穩(wěn)定狀態(tài)的溫度濕空氣的絕熱飽和溫度，以t'w表示[6]：

由式（1）可知，通過(guò)在彎道處應(yīng)用噴水技術(shù)，下一級(jí)葉輪進(jìn)口的溫度由t1降低至t'w。如果氣流經(jīng)過(guò)回流器出口后，未完全汽化的水滴將與氣流一起進(jìn)入下一級(jí)葉輪進(jìn)行濕壓縮過(guò)程。

4 噴水濕壓縮空壓機(jī)氣動(dòng)性能分析

4.1 主要參數(shù)的確定

以勢(shì)差（如密度差、壓力差等）作為傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)勢(shì)的水滴蒸發(fā)模型來(lái)計(jì)算濕壓縮過(guò)程中的水滴的蒸發(fā)量。

假定空氣流過(guò)葉輪的時(shí)間為0.1s，氣體在回流器中的存留時(shí)間為：

濕空氣中水蒸氣的分壓力采用Buck[1996]公式[7-8]。

當(dāng)t＆gt;0℃時(shí)：

水的汽化潛熱的計(jì)算采用修正的Pitzer對(duì)比態(tài)關(guān)聯(lián)式[9]：

4.2 實(shí)際濕壓縮過(guò)程的計(jì)算[10]

空氣的實(shí)際濕壓縮是變溫變壓過(guò)程，將濕壓縮過(guò)程分為若干個(gè)微元段進(jìn)行計(jì)算（圖5），利用液滴蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)速率計(jì)算出在每個(gè)微元段內(nèi)所蒸發(fā)的水量，從而計(jì)算出每個(gè)微元段出口處濕空氣的溫度和耗功。

圖5 濕壓縮過(guò)程按等壓線分段示意圖

假定對(duì)1kg干空氣進(jìn)行的濕壓縮計(jì)算，每一個(gè)微元段內(nèi)空氣和水蒸氣的增壓比都等于濕空氣的增壓比π0，對(duì)第一個(gè)微元段1→2：

壓縮機(jī)理想耗功：

壓縮機(jī)實(shí)際耗功：

對(duì)第m個(gè)微元段m→m+1：

式中，Wm,c,s為在第m個(gè)微元段壓縮濕空氣所需的理想功，kJ；Wm（實(shí)際）為在第m個(gè)微元段壓縮濕空氣所需的實(shí)際功，kJ；cpa為空氣的定壓比熱容，kJ/（kg·K）；k為空氣的絕熱指數(shù)；k'為該微元段內(nèi)水蒸氣的絕熱指數(shù)；cpv為該微元段內(nèi)水蒸氣的定壓比熱容，kJ/（kg·K）；d為進(jìn)口濕空氣的含濕量，kg（水）/kg（干空氣）；mvm為到第m個(gè)微元段后水滴蒸發(fā)形成的水蒸氣總量，kg；Tm'為m'點(diǎn)處濕空氣的溫度，K；Tm+1為（m+1）點(diǎn)處濕空氣的溫度，K。

葉輪壓縮單位空氣量的實(shí)際所需功：

式中，d+mv（n+1）為葉輪出口處1kg干空氣中所含水蒸氣量。

4.3 噴水濕壓縮空壓機(jī)氣動(dòng)計(jì)算

本文以D900-3型離心壓縮機(jī)為例，分別對(duì)回流器加濕和葉輪進(jìn)口加濕兩種方案進(jìn)行整機(jī)的氣動(dòng)計(jì)算，壓縮機(jī)采用三級(jí)葉輪壓縮，剖面圖見圖6。

圖6 D900-3空壓機(jī)剖面圖

壓縮機(jī)進(jìn)口條件為：壓力0.98kgf/cm2；進(jìn)口溫度28℃；進(jìn)口空氣流量940m3/min；相對(duì)濕度80％；出口設(shè)計(jì)壓力3.263kgf/cm2?；亓髌鹘^熱加濕、葉輪進(jìn)口加濕的水滴直徑均為10μm，噴水量為360kg/h。干壓縮、回流器絕熱加濕、葉輪進(jìn)口噴水加濕計(jì)算結(jié)果見表1～表3（假定壓縮機(jī)可變轉(zhuǎn)速）。

表1 干壓縮離心壓縮機(jī)氣動(dòng)計(jì)算結(jié)果表

表2 回流器絕熱加濕離心壓縮機(jī)氣動(dòng)計(jì)算結(jié)果表

表3 進(jìn)口噴水濕壓縮離心壓縮機(jī)氣動(dòng)計(jì)算結(jié)果表

在進(jìn)口噴水濕壓縮壓縮機(jī)氣動(dòng)計(jì)算過(guò)程中，葉輪進(jìn)口加濕的一級(jí)擴(kuò)壓器出口（即彎道）處，經(jīng)過(guò)一級(jí)濕壓縮后的水滴沒(méi)有完全汽化，這使剩余的水滴在回流器中繼續(xù)汽化，為絕熱加濕降溫過(guò)程[11-14]?；亓髌鹘^熱加濕、葉輪進(jìn)口加濕與干壓縮的性能曲線對(duì)比見圖7。

圖7 離心壓縮機(jī)流量-功率特性曲線比較圖

5 結(jié)論

噴水濕壓縮技術(shù)在離心壓縮機(jī)中的應(yīng)用主要有兩種方案，第一種是在彎道處設(shè)置噴水裝置，水滴通過(guò)蒸發(fā)吸收空氣中的熱量，使空氣的溫度顯著的降低，從而減少下一級(jí)的壓縮功；第二種是在葉輪進(jìn)口設(shè)置噴水裝置，水滴蒸發(fā)吸收周圍壓縮空氣的熱量，使壓縮空氣的溫度降低，從而減少壓縮過(guò)程所需要的壓縮功。通過(guò)對(duì)采用兩種噴水類型的離心式空壓機(jī)的整機(jī)氣動(dòng)性能計(jì)算，與干壓縮的空壓機(jī)性能曲線加以比較，較干壓縮來(lái)說(shuō)，加濕后，在達(dá)到壓縮機(jī)出口壓力的條件下，壓縮功有所減少，整機(jī)性能得到明顯的提高，通過(guò)對(duì)整機(jī)氣動(dòng)性能的分析，回流器絕熱加濕可使整機(jī)功耗比不應(yīng)用噴水時(shí)降低2.6％，葉輪進(jìn)口加濕可使整機(jī)功耗比干壓縮時(shí)降低5.2％。

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介紹了噴水濕壓縮技術(shù)在離心式空壓機(jī)中的應(yīng)用和噴水類型，分析了噴水技術(shù)的熱力學(xué)過(guò)程，對(duì)采用噴水濕壓縮技術(shù)的空壓機(jī)進(jìn)行了整機(jī)氣動(dòng)性能計(jì)算，并與干壓縮空壓機(jī)加以比較，顯著降低了壓縮機(jī)的功耗。

噴水；空壓機(jī)；濕壓縮

Influence of Water Spray Wet Compression on Air Compressor Performance

Zhang Pengfei,Zhao Zhiling，Yao Yunhan/ Shenyang Blower Works Group Corporation

water spray;air compressor; wet compression

TH452；TK05

A

1006-8155（2015）02-0032-05

10.16492/j.fjjs.2015.02.006

*國(guó)家資助項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2013BAF01B03）課題名稱：大型離心式壓縮機(jī)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

2014-10-21遼寧沈陽(yáng)110869

Abstract:The application of wet compression in centrifugal air compressor and the type of water spray is introduced，and the thermodynamic process of water spray technology is analyzed in this paper. Through thermodynamic calculating of the centrifugal air compressor with wet compression，compare with the result of dry compression,the power consumption of the compressor is significantly reduced.