提高CO2壓縮機排氣量

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(河南心連心化肥有限公司,河南 新鄉 453731)

提高CO2壓縮機排氣量

位朋,梁斐,付祥喜,顧朝暉

(河南心連心化肥有限公司,河南 新鄉 453731)

在二段入口緩沖器前添加小型水冷器，進一步降低壓縮機二段入口溫度是提高壓縮機排氣量行之有效的方法之一。通過理論分析與計算，得到降低二段入口溫度后排氣量的理論增加值，并進行現場改造，驗證了此效果。結果表明：溫度由34 ℃降至24 ℃，排氣量提升3%左右。此方法設備投入費用低，安裝簡便，經濟效益可觀。

壓縮機;排氣量;提高方法;二段入口溫度

0 前言

CO2壓縮機是尿素生產中的關鍵設備之一。隨著河南心連心化肥有限公司(以下簡稱心連心公司)尿素產量的逐年增加，壓縮機現有排氣量已經不能滿足高負荷生產的需求，尤其在夏季高溫時段，這種矛盾更為突出。因此，如何提高壓縮機排氣量成為提高尿素產量的關鍵因素。

提高壓縮機排氣量的常見途徑有兩種：①減少壓縮機的間隙(包括活塞與氣缸蓋之間的空隙、活塞環與氣缸之間的空隙)，可以使壓縮的氣體泄漏減少(但對于固有的壓縮機來說，改變間隙大小顯然不易實現)；②提高壓縮機的進口壓力、降低進口溫度，按伯努利方程，單位時間內壓縮機可以容納的氣體與壓縮機排氣量成正比。考慮到公司生產實際，增加一段入口壓力，涉及變脫等其他工段，難度較大；降低一段入口溫度，需要變脫工段在CO2氣總管外添加大型水冷器，設備投入較大，安裝不便。

為此我們做了新的嘗試：在二段入口緩沖器前再添加小型水冷器，通過進一步降低二段入口溫度來提高排氣量。此方法為提高壓縮機排氣量提供了一種新途徑。

1 理論分析與計算

心連心公司M85/206C型CO2壓縮機的設備技術參數如下：排氣量，5 100 m3/h；一段入口壓力，≤35 kPa；一段入口溫度，≤40 ℃；壓縮級數，5；行程，320 mm；轉速，330 r/min；軸功率，1 100 kW；電壓，10 000 V；一至五段缸徑，850、450、250、155、155 mm。

在二段入口緩沖器前再添加小型水冷器，二段入口CO2氣溫度的降低必然伴隨著一段出口壓力的降低，即一段壓縮比的降低，對提高排氣量是有利的。我們可以通過調節1回1(一段出口部分氣體返回一段入口，對于這部分氣體，壓縮機做了無用功)閥門開度，保持一段出口壓力不變，即維持現階段一段壓縮比不變。我們可以通過壓縮比的降低來計算排氣量的增加值。

由于壓縮機余隙的存在，使壓縮機的生產能力比理論值偏低。實際的排氣量為：

Vmin=λd·Vmin

式中：Vmin——理論排氣量，m3/min；

Vmin——實際排氣量，m3/min；

λd——排氣系數，其值為(0.8～0.95)λ0；λ0為容積系數。

1.1 余隙系數ε

有余隙存在的實際壓縮循環p-V關系如圖1所示。圖中1-2-3-4-1代表一個壓縮循環過程。

圖1 實際壓縮循環的p-V

余隙體積V3與活塞一次掃過的體積(V1-V3)之比稱為余隙系數，我們用ε表示。公司壓縮機的余隙長度按11 mm計，沖程為320 mm，且氣缸直徑處處相等，我們得到：

ε=V3/(V1-V3)×100%

= 余隙長度/沖程×100%

=11/320×100%

=3.44%

1.2 原工況容積系數λ0

壓縮機一個循環吸入氣體的體積(V1-V4)與活塞一次掃過的體積(V1-V3)之比稱為容積系數，用λ0表示，再將V4=V3·(p2/p1)1/m代入容積系數式，整理即可得到容積系數與余隙系數之間的關系為

λ0= 1-ε[(p2/p1)1/m-1]

式中：m——多變壓縮指數。

那么我們將現場生產工藝參數代入上式，即可得到原工況下容積系數λ0

λ0=1-ε[(p2/p1)1/m-1]= 0.910

1.4 排氣量增加值ΔVh

根據以上計算，我們得到排氣量影響大小：

那么：ΔVh= 1.03×5 100 -5 100=153 m3/h

即單臺機排氣量增加值約為153 m3/h，增量為3%。

2 實施方案

在二段入口緩沖器前添加一個小型水冷器，設備安裝位置示意圖如2所示，圖中新水冷器為添加新設備。冷卻介質采用公司一次水(溫度約19 ℃，壓力為0.08 MPa)，經冷卻器后直接給尿素循環水崗位補水。

圖2 新水冷器添加示意圖

利用4#壓縮機單體大修時機，在壓縮機二段入口緩沖器前、中間水冷器后區域增加一臺直管式水冷器，換熱面積為45 m2，換熱方式采用間壁式逆流換熱。項目實施后，二段入口溫度由原來的34 ℃降至24 ℃。數據顯示，單臺機每小時增加了151 m3的排氣量，提高近3%，可有效解決高負荷生產條件下壓縮機排氣量不能滿足要求的現狀。

3 改造前后對比

在壓縮機一段入口前添加水冷器，根據蓋·呂薩克定律，在氣體壓力不變的情況下，其體積和絕對溫度成正比，壓縮機氣缸的容積恒定不變，進氣溫度的降低，必然帶來氣體密度的增大，即提高了壓縮機的排氣量。

通過簡單計算得到，一段入口溫度降低10 ℃(從35 ℃降至25 ℃)，大型水冷器的換熱面積需要400 m2，此時4臺壓縮機排氣量增加值為688 m3/h。若將4臺機二段入口緩沖器前全部添加上述小型水冷器，增加的排氣量約為612 m3/h(理論值)。兩種改造方案對比結果如表1所示。

表1 一段入口前和二段入口前添加水冷器對比

從表1可以看出：在一段入口前和在二段入口緩沖器前添加水冷器提高排氣量效果相差不大，但在一段入口前添加水冷器在換熱面積、設備費用投入、占用空間、冷卻水消耗和動力消耗等方面都比在二段入口緩沖器前添加大得多，所以在二段入口緩沖器前添加水冷器優勢更為明顯。

4 小結

①通過理論分析與計算以及現場改造的實施，得到在二段入口緩沖器前添加小型水冷器可顯著提高壓縮機排氣量，二段入口溫度下降10 ℃時，壓縮機排氣量增加約3%，可有效緩解現有排氣量不能滿足生產擴大需求的矛盾。②在二段入口緩沖器前添加水冷器，換熱面積小，設備費用投入低，施工方便，占用空間小，冷卻水、動力消耗少，較傳統改造方法(在一段入口前添加水冷器)更好。

5 經濟效益分析

根據4#壓縮機改造效果，若將4臺壓縮機二段入口緩沖器前全部添加小型水冷器，實際總排氣量可從20 400 m3/h增加至21 004 m3/h，增長率約3%。每年按照330天運轉，那么每年壓縮機增加的氣量為：4.78×106m3。

相當于全年多產8 702 t尿素，而4套設備費用投入僅20萬元左右，經濟效益相當可觀。

2014-01-21

位 朋(1987-)，男，碩士，從事化工設備管理工作，電話：15090059784。

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