梁 華，陳 超,徐 輝

(1. 中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101; 2. 山東裕龍石化有限公司，山東 煙臺(tái) 256716)

往復(fù)壓縮機(jī)作為最常用的氣體增壓設(shè)備，適用于中小流量、高壓比的工況，廣泛應(yīng)用于煉化企業(yè)【1】。

往復(fù)壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)往往按照特定的工況設(shè)計(jì)，而實(shí)際運(yùn)行過程中，壓縮機(jī)出、入口的壓力往往是波動(dòng)的，從而導(dǎo)致級(jí)間壓力的重新分配。對(duì)于已有的壓縮機(jī)，主要的結(jié)構(gòu)尺寸是已知的，但是由于工藝流程等原因，進(jìn)氣壓力、排氣壓力或容積流量發(fā)生了變化，這就需要重新計(jì)算其級(jí)間壓力以及該壓力下的其他參數(shù)，用以判斷壓縮機(jī)能否滿足新的使用條件下的工況，這種復(fù)算稱為壓縮機(jī)的熱力性復(fù)算【2】。

1 壓縮機(jī)熱力性復(fù)算

熱力性復(fù)算需要知道壓縮機(jī)的基本參數(shù)，如壓縮機(jī)的每一級(jí)的缸徑，行程，活塞桿直徑，余隙容積，壓縮機(jī)每一級(jí)的入口溫度，壓縮機(jī)的出、入口壓力，以及壓縮機(jī)的壓力系數(shù)、溫度系數(shù)、泄漏系數(shù)、析水系數(shù)、凈化系數(shù)等參數(shù)。

表1 三級(jí)壓縮的純氫氣壓縮機(jī)相關(guān)參數(shù)

為簡(jiǎn)化計(jì)算，認(rèn)為氣體為理想氣體，級(jí)間的冷卻、分離及相關(guān)管路沒有壓降，前一級(jí)的出口壓力就是下一級(jí)的入口壓力。

初步計(jì)算入口壓力變化前的吸氣量如下(所有流量均換算到第一級(jí)入口狀態(tài))：

V1=λP1λT1λL1λφ1λC1λV1Vh1

(1)

(2)

(3)

V1=V2=V3

(4)

式中：V1、V2、V3——分別代表一個(gè)往復(fù)行程下第一級(jí)～第三級(jí)氣缸的吸氣量，m3。

如果此時(shí)入口壓力突然變成1.5 MPa(絕)，而其他參數(shù)不發(fā)生變化，那么此時(shí)的級(jí)間壓力就會(huì)重新分配。重新分配的要點(diǎn)就是：找到級(jí)間的壓力分配，讓新工況下的壓縮機(jī)各級(jí)的吸氣量保持平衡，即新工況下的吸氣量V1′=V2′=V3′(均換算到第一級(jí)入口狀態(tài))。

為方便分析，假設(shè)新工況下的壓縮機(jī)仍然按照等壓比分配，每級(jí)壓比約為2.2，則每級(jí)的壓力如表2所示。

表2 新工況等壓比下的壓力分配

此時(shí)，新工況下的綜合系數(shù)Kj′、相對(duì)余隙容積αj′、膨脹指數(shù)mj′可認(rèn)為近似等于入口壓力未變化前的數(shù)值，且行程容積Vhj沒有變化，則此時(shí)每級(jí)的吸氣量如下(均換算到第一級(jí)入口狀態(tài))：

2.1 3組人群血清HE4、CA125表達(dá)水平及ROMA指數(shù)比較 3組人群血清HE4、CA125水平和ROMA指數(shù)均呈非正態(tài)分布，卵巢癌組人群血清HE4、CA125水平和ROMA指數(shù)的中位數(shù)分別為88.05 pmol/L、51.85 U/mL和31.17%，均高于卵巢良性腫瘤組和健康對(duì)照組的血清水平，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。卵巢良性腫瘤組與健康對(duì)照組比較，血清CA125水平差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，兩組間HE4水平和ROMA指數(shù)比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見表1。

(5)

(6)

(7)

由此可以看出，要想使V1′、V2′和V3′相等，必然要使得第一級(jí)壓比ε1′在2～2.2之間、第二級(jí)壓比ε2′在2.2附近、而第三級(jí)壓比ε3′>2.2。

因此可以得出結(jié)論，即當(dāng)入口壓力變小(或出口壓力變大)而其他參數(shù)不變的情況下，每級(jí)壓比都會(huì)增加，第一級(jí)壓比增加比例最小，后幾級(jí)壓比增加比例逐漸增大，且最末級(jí)壓比增加的比例最大。

反之也可以得到相似的結(jié)論，即入口壓力變大(或出口壓力變小)而其他參數(shù)不變的情況下，每級(jí)的壓比都會(huì)減小，且最末級(jí)的壓比減小的比例最大。

事實(shí)上，真實(shí)的往復(fù)壓縮機(jī)的熱力性復(fù)算是比較復(fù)雜的，如式(1)～式(4)中，有6個(gè)未知數(shù)，6個(gè)方程，理論上可以求得級(jí)間的壓力分配。但是，這些公式中的各個(gè)參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，直接求解往往比較困難，實(shí)際復(fù)算時(shí)經(jīng)常要用試算迭代的方法進(jìn)行求解。

2 出、入口壓力變化時(shí)的HYSYS模擬

如前所述，壓縮機(jī)的熱力復(fù)算較為復(fù)雜，即使借助編程也存在不少弊端。主要是：1)很難解決實(shí)時(shí)變化的壓縮系數(shù)；2)很難解決實(shí)時(shí)變化的過程指數(shù)；3)難以解決級(jí)間的大分子量或水蒸氣的凝液析出；4)無法計(jì)算平衡破壞后，再次實(shí)現(xiàn)平衡的時(shí)間。而HYSYS的往復(fù)壓縮機(jī)的動(dòng)態(tài)模擬，完美地解決了以上問題。

以1臺(tái)4M16的CO2壓縮機(jī)為例，其主要參數(shù)如表3所示。

表3 4M16CO2壓縮機(jī)的主要參數(shù)

先將物料信息輸入到HYSYS中，選擇常用的Lee-Kesler物性方法，并建立HYSYS模型，如圖1所示。

圖1 HYSYS模型

將表3參數(shù)輸入到HYSYS當(dāng)中，HYSYS會(huì)自動(dòng)計(jì)算每一級(jí)的壓縮系數(shù)、過程指數(shù)以及是否有液相析出等。

為方便監(jiān)測(cè)各出、入口壓力變化以及各級(jí)壓比的變化率，一方面設(shè)置曲線監(jiān)測(cè)，另一方面將重要的結(jié)果輸出到電子表格中。初始狀態(tài)下的壓縮機(jī)參數(shù)如圖2所示。

圖2 初始狀態(tài)下的壓縮機(jī)參數(shù)

壓縮機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，將入口壓力從235 kPa降低到180 kPa，再次平衡后的壓縮機(jī)參數(shù)如圖3所示。

圖3 再次平衡后的壓縮機(jī)參數(shù)

從圖3中可以看出，相對(duì)于初始狀態(tài)，各級(jí)壓比均有所上升，且第四級(jí)壓比上升得最多，達(dá)到17.94%，驗(yàn)證了第1節(jié)中的結(jié)論。

這就要求在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮壓縮機(jī)出、入口的壓力變化情況，尤其是入口壓力變小(或出口壓力增大)的工況，以防止壓縮機(jī)機(jī)械損壞或超溫停車，且應(yīng)著重校核末級(jí)氣缸組件的可靠性。

圖4是各級(jí)壓比的變化情況。從圖4中可以看出，變化的初始(圖4中3 000 s的位置)，第一級(jí)的壓比突然改變?yōu)?65.3/180=3.14，其他級(jí)壓比不變，隨著壓縮機(jī)的運(yùn)行，第一級(jí)壓比迅速下降，而各級(jí)壓力都經(jīng)歷了先上升后下降到均衡位置的一個(gè)過程。存在上升過程是由于級(jí)間罐的滯留效應(yīng)引起的。

圖4 各級(jí)壓比的變化情況

雖然現(xiàn)實(shí)中的壓力大都是緩慢波動(dòng)的，但對(duì)于存在壓縮機(jī)入口壓力瞬間變小(或出口壓力瞬間提高)工況的情況，仍應(yīng)考慮機(jī)組的瞬時(shí)破壞和瞬時(shí)超溫。

由圖4可知，該機(jī)組從壓力突然變?yōu)?80 kPa開始，大約經(jīng)過100 s系統(tǒng)即達(dá)到了再次平衡。

出口壓力增大工況下的模擬結(jié)論與之前描述一致，在此不再贅述。

3 結(jié)語(yǔ)

多級(jí)往復(fù)壓縮機(jī)出、入口壓力波動(dòng)時(shí)，往往最后一級(jí)的壓比波動(dòng)最大，這就要求壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)或校核時(shí)，應(yīng)充分考慮出、入口壓力波動(dòng)帶來的各級(jí)壓比的波動(dòng)，并校核波動(dòng)時(shí)的機(jī)組可靠性。

HYSYS作為比較先進(jìn)的模擬計(jì)算工具，可以快速準(zhǔn)確地計(jì)算出、入口壓力波動(dòng)時(shí)的級(jí)間壓力分配，并可模擬平衡過程和平衡時(shí)間，是非常實(shí)用且有效的模擬工具。