工況變化對透平式壓縮機性能的影響

鄧劍

摘要：介紹壓縮機入口進氣狀態和工作元件的變化，對壓縮機性能的影響，掌握學習壓縮機性能；通過改變壓縮機的運行工況，以適應變化后的運行條件，防止壓縮機進入喘振區域，使壓縮機能夠安全、平穩和經濟運行。

關鍵詞：壓縮機；進氣狀態；工況變化

引言

壓縮機組在石油化工生產中，發揮著無可替代的作用，壓縮機組運行狀況的好壞，對石油化工生產裝置有很大的影響，是生產裝置能否長周期運行的關鍵設備。然而壓縮機組在實際的運行中，為了滿足工藝的要求，需要經常調節壓縮機負荷或由于工藝參數的波動，導致壓縮機運行工況的變化，致使壓縮機在非設計條件運行，為了使壓縮機平穩安全運行，必須掌握壓縮機的性能特點。壓縮機在運行過程中，進入不穩定運行區域，輕則導致裝置生產波動，重則導致裝置緊急停工，甚至設備損壞。

一、 壓縮機進氣狀態和工作元件變化對特性的影響

壓縮機的運行工況常常發生變化，為了反映不同工況下壓縮機的性能，通常把在一定進氣狀態下對應各種轉速、進氣流量與壓縮機的排氣壓力（或壓比）、功率及效率的關系用曲線形式表示出來，這些曲線就稱為壓縮機的流量特性線或性能曲線[1]。壓縮機常按一種工況條件設計作為最佳工作點，但在實際生產中，卻往往在非設計條件下運行，工況變了，壓縮機的性能會發生很大變化。

1、 進氣狀態與設計條件不同對性能的影響

（1） 進氣溫度的影響

在轉速（或靜葉角度）不變和容積流量不變的情況下，進氣溫度的變化直接影響到進氣質量流量、壓比和功率。

質量流量由于進氣壓力和分子量不變，對同一進氣容積流量有：

G1/G=T/T1

式中，G1、T1表示新工況。此式說明質量流量和溫度成反比。

b、壓比轉速（或靜葉角度）不變時，葉輪對氣體做的功不變，此時效率一般不變。根據公式 ，說明溫度降低，壓比將升高，反之，壓比將降低。

C、根據公式 ，說明h_pol與進氣溫度T成正比。由于質量流量一樣，功率與進氣溫度成正比。

因此進氣溫度的變化，將改變壓縮機性能曲線，如果溫度升高，性能曲線向左下方向移動。如果溫度減小，性能曲線向右上方向移動。例如：催化裂化裝置主風機組在其他條件相同的情況下，主風機組在夏天時，消耗的功率要比冬天要大，而且夏天靜葉角度也要大一些。

（2） 進氣分子量的影響

根據公式 ，說明氣體相對分子質量M越小，氣體常數R就越大，因此壓縮比ε就越小，說明相對分子質量越小的輕組分氣體往往越難壓縮。[2]

進氣分子量的變化，將改變壓縮機性能曲線，如果分子量變小，性能曲線向左下方向移動。如果溫度變大，性能曲線向右上方向移動。

（3）進氣壓力的影響

質量流量將和進氣壓力成正比，即G1/G=P1/P；由于進氣壓力不影響壓比，根據公式 ，說明，壓縮機功率和進氣壓力成正比。

2、壓縮機葉輪、通流部分流道結垢和輪蓋、級間密封的磨損對性能的影響

壓縮機入口進氣狀態與原始設計進氣狀態變化很大時，將導致壓縮機性能曲線的變化，致使影響壓縮機性能指標。如果壓縮機運行條件與原始設計運行條件不變，壓縮機做功能力下降，并且功率消耗也曾加，可能是壓縮機本身出了問題，如壓縮機通流部分有沉積夾雜物、或級間密封損壞、或葉輪有腐蝕磨損等問題。例如乙烯裂解氣壓縮機運行一段時間后，壓縮機內部容易結垢，導致壓縮機嚴重偏離工況點，增加壓縮機的功率消耗，甚至導致壓縮機振動持續增大，影響壓縮機長周期運行。

二、壓縮機發生喘振的原因

對于壓縮機操作，在實際生產中，面對更多的是如何防止喘振，因此分析發生喘振的原因非常重要，在實際運行中引起喘振的原因很多，壓縮機發生喘振的根本原因是壓縮機入口流量減小，導致壓縮機沖角（i=β1A-β1）變大，壓縮機發生旋轉失速，同時壓縮機出口管網容積足夠大，壓縮機就會發生喘振。由于壓縮機的流量和轉速（或靜葉角度）都會導致沖角變化，因此壓縮機的轉速（或靜葉角度）變化，會導致壓縮機喘振點變化。

那么除了內部流動情況因失速區的產生與發展結果引起喘振外，從外部條件來分析，即從壓縮機與管網的運行工作點來分析，管網流量、阻力的變化與壓縮機工作不協調，應是引起壓縮機喘振的重要原因。這種工作的不協調可以分為兩點：第一，壓縮機的流量等于或小于喘振流量；第二，壓縮機排氣壓力低于管網壓力。

由于壓縮機工作點是由壓縮機性能曲線和官網曲線的交點確定的，只要壓縮機工作點在喘振區，壓縮機就發生喘振，凡是運行中使壓縮機性能曲線下移或管網曲線上移，或兩者同時發生，或減量過多，都會使壓縮機喘振。例如軸流壓縮機開機時，是先調靜葉角度，再關放空閥。軸流壓縮機停機時，是先開放空閥，再關小靜葉角度，來防止軸流壓縮機發生喘振。

三、防喘振控制方法

1、操作條件優化

通過了解掌握性能曲線，就要明白性能曲線是在一定進氣狀態下對應的性能曲線，因此在分析壓縮機控制和防喘振方法時，一定要注意進氣狀態的變化，優化操作條件。

（1）增大進氣分子量。

由于分子量減少所引起的操作變化，使喘振線移到右邊，從而使得壓縮機更容易發生喘振，所以增大進氣分子量，可以改變喘振點，使壓縮機不易進入喘振區域。例如某煉油廠催化裂化裝置，開工提前噴石腦油，石腦油裂化生成的氣體比瓦斯氣體分子量大，富氣壓縮機不易喘振，可以保持富氣壓縮機平穩運行。可以實現提前開富氣壓縮機，減少開工損失。

（2）降低進氣溫度。

進氣溫度的影響同分子量的影響相類似，提高進氣溫度會使喘振線向右下方移動，這就促使壓縮機更易于發生喘振。由于在實際生產過程中，壓縮機入口溫度不能調節，受環境溫度影響，例如催化裂化裝置主風機壓縮的介質為空氣，入口溫度就是大氣溫度，由于入口溫度變化很大，主風機組防喘振控制增加了入口溫度補償。

2、分析獨立變量對壓縮機的影響，優化操作

獨立變量指的是過程的輸入量，它并不受所研究的特定控制系統控制（也稱為干擾因數），一個過程或操作單元的獨立變量，通常是另外一工藝過程或操作單元的調節變量。例如催化裂化裝置反再系統壓差控制，是通過大小旁路和煙機入口調節閥分程控制，那么對于再生器壓差控制，再生器出口煙氣流量是調節變量，那么對于主風機來說就是獨立變量，再生器出口煙氣流量減小，導致再生器壓力升高，主風機工作點向左上方移動，容易進入喘振區域。通過控制循環水量來控制分餾塔頂冷凝器冷后溫度，冷后溫度的改變，將導致富氣壓縮機入口介質分子量大小和介質流量的改變，嚴重時，甚至使機組進入喘振區，循環水量也就是富氣壓縮機的獨立變量。這些獨立變量，通常都是另外一個工藝過程或操作單元的調節量。因此操作人員在實際操作過程中，一定要多了解工藝流程和工藝原理，以便更多的學習理解對機組造成影響的獨立變量，才能使壓縮機組安全平穩運行。

總結

在實際操作過程中，機組都是在穩定狀態下運行，都是因為獨立變量的變化或工藝要求的變化，才對壓縮機機組進行調節。然而有些獨立變量的變化是很突然的或者操作很難察覺到。因此操作人員對壓縮機機組的性能要非常熟悉，理解進氣狀態與設計條件不同對性能的影響，以及能夠分析壓縮機性能下降，是由于壓縮機本身出了問題，還是因為運行工況嚴重偏移設計工況，使壓縮機做功能力下降，功率消耗升高。

參考文獻：

[1]黃鐘岳王曉放等編著.透平壓縮機【M】.北京.化學工業出版社.2004.-

[2]王福利.石油化工廠設備檢修手冊壓縮機組【M】.北京.中國石化出版社.2007.123