王 宇，李 亮，李品威，楊國(guó)林

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142）

0 引言

石油化學(xué)工業(yè)中大多數(shù)中間產(chǎn)品和最終產(chǎn)品均以烯烴和芳烴為原料，除由重整生產(chǎn)芳烴以及由催化裂化副產(chǎn)物中回收丙烯、丁烯和丁二烯外，主要由乙烯裝置生產(chǎn)各種烯烴和芳烴。以三烯（乙烯、丙烯、丁二烯）和三苯（苯、甲苯、二甲苯）總量計(jì)，約65%來自乙烯生產(chǎn)裝置。因此，常常以乙烯生產(chǎn)作為衡量一個(gè)國(guó)家和地區(qū)石油化工生產(chǎn)水平的標(biāo)志。

壓縮機(jī)組是生產(chǎn)乙烯原料裝置的核心設(shè)備，乙烯生產(chǎn)裝置壓縮機(jī)組主要包括裂解氣壓縮機(jī)、丙烯壓縮機(jī)和乙烯壓縮機(jī)。我國(guó)乙烯工業(yè)裝置技術(shù)起步較晚，1998年以前，國(guó)內(nèi)的18套乙烯裝置用的50多臺(tái)離心壓縮機(jī)組均從國(guó)外引進(jìn)[1]。自2009年國(guó)產(chǎn)化百萬噸乙烯三機(jī)研制成功后，國(guó)內(nèi)壓縮機(jī)制造廠不斷提升乙烯三機(jī)的整體設(shè)計(jì)水平。乙烯三機(jī)中的丙烯壓縮機(jī)，工藝復(fù)雜，機(jī)組低溫環(huán)境，設(shè)計(jì)難點(diǎn)較多，也是國(guó)內(nèi)乙烯三機(jī)技術(shù)進(jìn)步的主要關(guān)注點(diǎn)。

1 機(jī)組概況

本文以某企業(yè)一丙烯壓縮機(jī)為例，該丙烯制冷壓縮機(jī)為閉式循環(huán)制冷系統(tǒng)，可給分離系統(tǒng)各冷劑用戶提供-40℃，-23℃，0℃，18℃，4種規(guī)格的冷劑。本產(chǎn)品設(shè)計(jì)為單缸6級(jí)4段壓縮，順排布置，1、2級(jí)為第一段，一段后一次加氣，3級(jí)輪為第二段，二段后第二次加氣，4級(jí)為第三段，三段后第三次加氣，5，6級(jí)為第四段，其工藝流程簡(jiǎn)圖見圖1。本文主要采用數(shù)值模擬方法，計(jì)算分析了平衡氣引起的機(jī)組一段參數(shù)偏離和密封形式及間隙對(duì)壓縮機(jī)泄漏量的影響。旨在避免丙烯壓縮機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行可能出現(xiàn)的性能偏差[2]。

圖1 丙烯壓縮機(jī)流程圖Fig.1 Flow chart of propylene compressor

2 壓縮機(jī)平衡氣對(duì)機(jī)組性能的影響及解決方案

2.1 丙烯制冷壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中的入口溫度升高問題

丙烯壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)按照入口蒸發(fā)溫度-40℃進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，考慮管道溫升2℃后，理論壓縮機(jī)入口溫度應(yīng)該為-38℃。但是由于壓縮機(jī)平衡盤側(cè)密封泄漏量通過平衡氣管連接到一段入口，造成一段入口的溫度升高，設(shè)計(jì)中若不考慮這部分的影響，會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)設(shè)計(jì)偏差。以本機(jī)組為例，計(jì)算平衡氣導(dǎo)致的入口溫升，及考慮溫升之后的容積流量偏差。

設(shè)壓縮機(jī)一段入口流量m1，入口溫度t1，壓縮機(jī)出口溫度t2，泄露量m0，混合后的溫度為t′，混合后的流量m′，由熱力學(xué)第一定律得：

Q1=Q2，m1C（t′-t1）=m0C（t2-t′）

工程估算中，認(rèn)為氣體組成不變的情況下氣體比熱容C值變化不大，同時(shí)氣體通過密封節(jié)流時(shí)為等焓過程，密封上、下游溫度變化不大，在此不做考慮。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同泄漏量對(duì)壓縮機(jī)入口溫度及流量的影響Tab.1 Influence of different balance plate seals on temperature and flow of compressor inlet

由計(jì)算結(jié)果可見，氣體通過平衡氣返回到一段入口，高溫氣體與一段入口氣體混合后，將導(dǎo)致流入到一段葉輪的溫度升高，而壓縮機(jī)入口溫度的提高，將引起壓縮機(jī)入口容積流量的增大，最終導(dǎo)致壓縮機(jī)入口吸入量裕度不足，影響該段用戶的制冷量。泄漏量越大，這種影響越明顯。因此，盡量減少丙烯壓縮機(jī)的泄漏量是減少丙烯壓縮機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)偏差的主要辦法。

2.2 密封形式及密封間隙對(duì)壓縮機(jī)泄漏量的影響

離心壓縮機(jī)口圈、級(jí)間及平衡盤密封一般為梳齒密封，常用的形式有曲折形密封、平滑形密封及臺(tái)階形密封結(jié)構(gòu)。對(duì)于壓縮機(jī)的平衡盤密封，比較常用的是曲折形密封和平滑形密封，見圖2。

圖2 幾種密封形式Fig.2 Several sealing forms

本產(chǎn)品平衡盤原結(jié)構(gòu)采用曲折形金屬密封，由以上分析發(fā)現(xiàn)密封泄漏量對(duì)壓縮機(jī)的入口的溫度和容積流量均有影響，從而影響了壓縮機(jī)的效率，考慮采取有效措施來減小密封泄漏量。利用伯努利方程，假使忽略氣體節(jié)流時(shí)的損失，則估算經(jīng)過間隙的氣體流量qml為

密封間隙截面積A=πDs

式中：△p為密封前后壓差，D為間隙的平均直徑，s為間隙大小。

可見通過密封的泄漏量是與間隙的截面積和密封前后的壓差成比例，丙烯壓縮機(jī)機(jī)型較大，順排布置，平衡盤兩側(cè)的壓差較大，導(dǎo)致壓縮機(jī)的泄漏量也較大。但是平衡盤兩側(cè)的壓差與壓縮機(jī)的進(jìn)出口壓力及機(jī)組布置方式有關(guān)，一般無法改變。因此，當(dāng)平衡盤密封前后的壓差一定的時(shí)候，減小密封間隙以減小截面積就成為減小密封泄漏量的主要方法[3]。本次改造考慮采用非金屬可磨密封替代原金屬密封，可以有效減小密封間隙，并對(duì)兩種密封的效果進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)估。

利用公式只能粗略的估算密封泄漏量及參數(shù)的影響，無法很好的模擬氣體的真實(shí)流動(dòng)狀態(tài)，為了更好的對(duì)比不同形式密封對(duì)泄露量的影響，本文采用CFD軟件計(jì)算對(duì)比不同密封的泄漏量，以得到一個(gè)更為真實(shí)、準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

（1）分析模型。計(jì)算域如圖3（a）所示的密封進(jìn)口計(jì)算至密封出口結(jié)構(gòu)。計(jì)算了三種密封結(jié)構(gòu)，如圖3（b）所示，圖中M1為原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，曲折形金屬密封直徑間隙1.2mm，M2為曲折形密封直徑間隙減小至0.7mm，M3為平齒密封，直徑間隙0.5mm。

圖3 密封結(jié)構(gòu)Fig.3 Seal structure

（2）網(wǎng)格模型。利用CFD軟件NUMECA進(jìn)行計(jì)算分析，采用Autogrid5進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，利用FINE/TURBO求解器進(jìn)行求解。密封網(wǎng)格模型均采用全周的1/18劃分計(jì)算網(wǎng)格，網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)格總數(shù)基本一致。為了保證計(jì)算精度，分別以壁面距離第一層壁面網(wǎng)格厚度0.01mm，0.005mm，0.003mm劃分網(wǎng)格，分別記為C1、C2和C3，其中Y+為0.01mm的計(jì)算網(wǎng)格見圖4[4]。

圖4 密封結(jié)構(gòu)的計(jì)算網(wǎng)格Fig.4 The calculation grid of the seal structure

（3）計(jì)算結(jié)果。以設(shè)計(jì)工況末級(jí)出口靜壓作為入口的總壓邊界，以首級(jí)進(jìn)口靜壓作為出口靜壓邊界。為了方便計(jì)算，根據(jù)相似原理，將丙烯換算為理想空氣進(jìn)行計(jì)算，固壁絕熱無滑移。湍流模型為S-A模型，多重網(wǎng)格加速收斂。為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性，對(duì)M2密封結(jié)構(gòu)劃分三種網(wǎng)格（C1、C2、C3）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2，三種網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果基本一致，確定采用C1網(wǎng)格即可獲得準(zhǔn)確結(jié)果。采用C1網(wǎng)格計(jì)算得到的三種密封結(jié)構(gòu)泄漏量見表3。

表2 M2密封結(jié)構(gòu)三種網(wǎng)格的泄漏量Tab.2 Leakage of three kinds of sealing mesh of M2

表3 三種密封的泄漏量Tab.3 Leakage of three kinds of sealing mesh

由計(jì)算結(jié)果可見，當(dāng)密封直徑間隙由1.2mm減小到0.7mm時(shí)，密封泄漏量減小至原泄漏量的65%。密封若改為平齒密封，密封直徑間隙減小至0.5mm，泄漏量可以繼續(xù)減小至原泄漏量的57%。

2.3 平衡盤密封改進(jìn)方案確定

由2.2計(jì)算結(jié)果可見，采用平齒密封，且密封間隙減小到0.5mm的M3模型泄漏量最小，因此我們確定M3模型為最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。但是在壓縮機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)工程中，葉輪口圈處將產(chǎn)生變形，導(dǎo)致密封在設(shè)計(jì)小間隙情況下與葉輪口圈發(fā)生碰磨，從而不僅使壓縮機(jī)的泄露量增大，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)壓縮機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響。因此，如采用M3模型，需要將平衡盤密封由普通金屬密封更換為可磨密封。目前國(guó)內(nèi)常用的可磨密封材質(zhì)為聚醚醚酮，聚醚醚酮材質(zhì)高溫性能好，耐腐蝕性能強(qiáng)，可以普遍應(yīng)用在很多介質(zhì)的壓縮機(jī)中[5]，但是其低溫場(chǎng)合的性能有一些不足，因此本產(chǎn)品需采用一種低溫可磨密封來保證其在小間隙條件下具備優(yōu)異的耐磨損性和低溫彈性。對(duì)比采用M3模型后機(jī)組的壓縮機(jī)總體功率，見表4，密封間隙縮小后，總體功耗減小357kW，占機(jī)組總功率的2.1%，同時(shí)，壓縮機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速降低。可見，采用低溫可磨密封減小密封間隙后，機(jī)組性能得到了顯著的提高。

表4 改進(jìn)前后壓縮機(jī)功率對(duì)比Tab.4 Compressor power comparison between previous model and improved model

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用數(shù)值模擬方法，對(duì)某乙烯裝置中丙烯壓縮機(jī)進(jìn)行研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，丙烯壓縮機(jī)平衡盤密封泄露量相對(duì)較大，平衡氣導(dǎo)致一段入口溫度升高，體積流量增大，一段性能出現(xiàn)偏離，設(shè)計(jì)選型時(shí)要考慮這一影響進(jìn)行選型。密封形式及密封間隙的選擇都將影響平衡盤密封泄漏量，采用低溫可磨密封技術(shù)可以有效減小壓縮機(jī)泄漏量，從而減小平衡氣對(duì)一段性能的影響，降低整個(gè)機(jī)組耗功。本文采用低溫可磨密封改進(jìn)后，壓縮機(jī)功耗降低2.1%，其效果十分顯著。