齐建军
伊犁新天煤化工有限责任公司 新疆伊犁 835000
摘要：离心式压缩机组被广泛应用于石油天然气等工业领域。中石油公司下属某天然气压缩站采用进口离心式压缩机组进行天然气管道增压。压缩机组的安装及调试均由外方完成,调试合格后交付我国用户,而调试过程中的测试装置及软件等关键技术对用户是封闭的。因此,开发离心式压缩机组特性分析、评估程序,对离心式压缩机特性(如多变效率、喘振裕度以及燃气轮机效率等)进行分析、评估,对提高企业经济效益及保障机组长期正常运行非常重要。
关键词：离心式压缩机组；特性研究
前言
由于离心压缩机应用广泛，是典型的能量转换设备，其内部流动涉及气体动力学、流体力学等方面，国内外在该方面的研究一直非常活跃。主要是有关性能研究、内部流动研究、非稳定性研究，以及压缩流动系统研究，这些研究对性能提升有很大贡献。而有关逆流驱动流动的研究很少。
1、离心压缩机及国内外研究现状
离心式压缩机相对于容积式压缩机具有进口流量大、出口压力高、结构紧凑、机组外形尺寸小、运转平稳、维修工作量小等特点，在冶金工业、石油化学工业、天然气输送、制冷工业、动力工程等工业部门中实现了非常明显的经济性。在离心式压缩机中，气流流动方向为垂直于压缩机轴，叶轮高速旋转形成离心力，使气流压力增大，并获得动能。由伯努利方程可知，气流经过叶轮的过程中，相对速度减小，绝对速度增加，这会使得压力升高并克服叶轮中气体的流动损失；气流经过扩压器的过程中，绝对速度减小会使得压力升高并克服扩压器中气体的流动损失。这使得离心式压缩机出口处气流有很高的压力。随着目前科技进步，技术创新，以及经济的发展，全球化的大势不可阻挡，离心式压缩机的研究越来越深入，设计、制造也不断的发展趋向于完善。离心压缩机的发展趋势是：进一步研究三元理论，将理论应用与叶轮与扩压器的设计之中，以生产高效率机组；进行转子轴承的研发，要求压缩机在高速运转时，减小轴承与转轴之间的摩擦；开发高压比、小流量的离心压缩机；发展离心压缩机故障诊断技术；完善大型离心离心压缩机系统的自动控制技术。
2、离心式压缩机组特性计算热力学模型
2.1多变效率
多变效率是评价压缩机组运行经济性的的重要参数之一,它是指压力由p1增加到p2所需的多变压缩功与实际所消耗的功之比。离心式压缩机组多变效率ηpol计算公式如下:
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式中,cp为比定压热容,J/(kgK);mT为温度多变指数;R为摩尔气体常数,MJ/(kmolK);X为可压缩性系数。
由式(2)可以看出,天然气压缩因子计算的精度将直接影响离心式压缩机组多变效率的计算精度,因此必须对Z进行精确求解。计算天然气压缩因子Z的方法有多种。文献对3种天然气压缩因子计算方法,即经典热力学法、SGERG88法和SY/T61431996法进行了介绍并对计算结果进行了对比,证明SGERG88法具有较高的精度,因此采用SGERG88法计算天然气压缩因子。SGERG88方程是以物性数据为基础计算天然气压缩因子的三维维利方程,具体形式为:
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式中,p为压力,MPa;T为温度,K;为摩尔密度,kmol/m3;B为第二维利系数,C为第三维利系数,m3/kmol;Hs为高位发热量,MJ/m3;D为相对密度;xCO2为二氧化碳的摩尔分数,xH2为氢气的摩尔分数。
天然气是一种混合气体,其物理化学性质与其中各种不同气体所占的组分密切相关。因此,Z的精确计算必须以天然气组分为基础,故在相应的计算程序中加入了与天然气组分相关的计算模块。
2.2喘振裕度
某压缩站压缩机组排气压力-体积流量曲线特性图见图1,图中曲线X为压缩机组的喘振边界线。该线右边是正常工作区,左边是喘振区。喘振边界可近似地视为通过原点的一条抛物线,其方程为:
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式中,W为燃气轮机热力循环的有效功,Q为燃气轮机消耗的燃料燃烧所产生的热量,J。在该压缩站,燃气轮机带动压缩机组进行天然气管道增压。有效功表现为压缩机组消耗的轴功率(包含机械损失)和附件设备消耗的功率。对应一定的工作状态,压缩机组的轴功率特性可表示为如下形式:
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式中,P为轴功率,kW;n为转速,r/s;M为压缩机组轴的扭矩,N·m。
在压缩机组运行过程中,附件设备消耗的功率相对稳定,有效功的变化主要体现为压缩机组轴功率的变化。压缩机组轴功率-体积流量特性曲线见图2。
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3、算例分析
3.1多变效率
笔者以欧洲燃气研究集团(GERG)提出的SGERG88方程为基础,利用压缩因子、比热比和压缩性函数开发了相应的多变效率计算程序(程序从略)。按笔者开发程序计算求得的该压缩站离心式压缩机组多变效率见表1。如图1所示,A、B、C、D、E、F这6个工作点为外方测试工况数据,这6组测试数据中天然气压缩机组进口压力、温度条件完全相同,A、B、C、D、E这5组数据的出口压力也全部相同,但是出口温度不同,最后1组出口压力与温度均与前5组不同。数值模拟结果表明,计算得到的多变效率与外方提供的多变数据非常接近,二者最大相对误差为0.138%,其余均小于0.05%。因此,笔者开发的程序具有很高的计算精度,可以满足工程需要,能够对压缩机组的多变效率进行评估。
表 1 压缩机组多变效率数值模拟结果
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3.2喘振裕度
喘振是压缩机在某一转速下工作时流量减小所致。由图1可以看出,在相同的进、排气压力下,A、B、C、D、E这5个工作点中,进口流量较小的工作状态A点由于喘振裕度小而更接近喘振边界。利用笔者开发的程序对压缩机组的6个状态进行数值模拟,得到的模拟结果以及外方测试结果见表2。从表2可以看出,文中数值模拟结果与外方测试结果误差均不到0.05%,表明程序的计算精度已经能够满足工程上的应用。
表 2 压缩机组喘振裕度数值模拟结果以及外方测试结果
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3.3燃气轮机效率
结合该压缩站提供的实际运行参数,对6种不同工况下的燃气轮机效率进行数值模拟,得到的燃气轮机效率特性结果见表3。文中计算所得效率值均在厂家的标定范围内,说明燃气轮机效率特性评估结果合理。
表3燃气轮机效率数值模拟结果
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4、结语
文中建立了天然气离心式压缩机组特性包括多变效率、喘振裕度以及燃气轮机效率的数学模型,使用Fortran语言编制开发了相应的特性计算程序。开发的特性计算程序可实现离心式压缩机组特性的数值模拟。通过对比实际离心式压缩机组特性和数值模拟结果,表明开发的程序计算精度能够满足工程需要,能够对压缩机组的特性进行分析和评估。
参考文献：
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