大型尿素裝置CO2 壓縮機組的關鍵技術研究

宋立強

（中國石油大慶石化公司化肥廠，黑龍江大慶 163714）

0 引言

大型尿素裝置中CO2壓縮機是最重要的設備。隨著科學技術水平不斷提高，無論是對性能方面還是安全方面都提出了非常嚴格的要求。目前，CO2壓縮機組問題頻發，在后期維護方面，因機組對外部工況條件反應非常敏感，一旦出現一點變化都會對運行效率和經濟效益造成非常嚴重的影響。因此，對CO2壓縮機組關鍵技術的研究具有非常重要的現實意義。

1 CO2 壓縮機組概況

隨著計算機技術的不斷發展，CFD（計算流體力學）技術在不同領域都有所應用，在理論和實踐方面都有著非常重要的作用。在數值模擬過程中，由于CO2氣體在不同溫度壓力范圍內所滿足的狀態不一致，特別是跨臨界過程中，更沒有合適的方程來描述氣體的變化，因此在一定程度上降低了準確率。

以往CO2壓縮機更多是在原有工藝基礎上完成設計并提高效率，但是在實際運行過程中工況條件往往發生改變。因此，這就需要調節進口導葉開度來調節流量，保證時序效應。由于其內部流動較為復雜，一旦流場發生變化，會危及相關工作人員的人身安全。

2 CO2 壓縮機組常見故障

2.1 葉片斷裂

葉片斷裂是目前CO2壓縮機最常見的故障，會引發CO2壓縮機各種事故，輕則停機檢修，重則機毀人亡。主要原因一方面是制造上存在問題，另一方面是在使用過程中，葉輪在非工期時間下的運行過量，葉片排之間產生干擾，導致葉輪葉片承載過量出現斷裂。在壓縮機設計起步時或者在日常運行過程中，葉片表面上的斷裂問題也不容小覷。

2.2 口環密封問題

口環密封是影響離心壓縮機組轉子穩定工作的主要原因，口環密封具有密封氣體，提高機組工作效率的作用。同時，密封氣流時產生的氣流振動影響機組轉子的運行，從而引發失穩事故。只有研究好口環密封后內部產生的氣流運動規律，設計新型的密封結構，才能更高效地確保機組轉子穩定工作，避免發生高頻事故。

2.3 葉輪振動問題

在機組運行過程中，機組振動等問題也是造成事故的原因。造成機組振動的原因有轉子不對中、轉子不平衡、氣流沖擊等，這些或多或少都是相互作用造成的結果。

3 CO2 壓縮機組研究現狀

3.1 離心式壓縮機內部流動研究

一般認為離心式壓縮機內部流動的規律是穩定的，但在初期針對離心式壓縮機內部流動的研究活動中證實，葉輪出口處速度是不規律的，進入擴壓器的氣流分布也不穩定。隨之，學者針對控制離心式壓縮機內部流動氣場的穩定性做了許多研究。通過實驗證明，在不同條件下，離心式壓縮機內部氣場流動的規律也大不相同，解決影響離心式壓縮機內部氣場流動的因素仍然是當前未解之謎。

3.2 葉輪結構強度研究

以往對于葉輪強度的研究，我國主要還是只停留在離心力對于葉輪強度造成的影響，對于氣流激振力對葉輪造成的影響所做的研究少之又少。我國學者從氣流激振力的角度出發，針對葉輪結構及其振動特性方面展開研究。研究表明，改變靜轉子之間的位置會產生壓縮機機能上的變化，專家學者稱為時序效應。實驗最終表明，時序效應能有效減少氣流對葉片的沖擊力，提高壓縮機的機能性。時序效應對離心式壓縮機組有著重要影響，如果改變時序位置可能導致壓縮機葉輪振動，造成葉片斷裂的嚴重事故。

3.3 密封性對轉子影響的研究

對于密封性，人們通常只會關注兩個方面：一方面是泄漏問題；一方面是氣流動蕩對轉子穩定的影響。離心式壓縮機的密封構造是每一位設計師主要關注的一點。以往多數學者就一方面或者一個密封結構進行研究，針對密封性對轉子影響的研究不多。在今后研究中，專家學者可以從不同的角度出發對其進行研究，以此來探索密封性優劣對于轉子穩定工作的影響。

3.4 離心式壓縮機模型設計研究

離心式壓縮機依靠模化法、流到法以及效率法為主要設計方法。使用頻率上模化法最高，其特點主要有整機性能比較高，設計周期較短。書籍中對于離心式壓縮機模化設計介紹較為詳細，但運用到實踐中的卻較少。利用所知所學快速選擇離心式壓縮機模型，是當前各大生產商以及設計師較為關注的一點。

4 離心式壓縮機模擬實驗研究

4.1 CO2 實際氣體對壓縮機的影響

隨著科學技術發展的進步，科學家的研究水平不斷加深，先后研究實際氣體在不同領域和不同材料的狀態方程式。理想氣體是研究氣體性質的一個物理模型，這種氣體的狀態方程式為PV=nRT。隨著研究水平加深，為減少誤差，對其做了少量修改，添加壓縮因子Z，這時候氣體的狀態方程式為PV=ZRT。

4.2 機組算例模型研究

通過研究某化工廠中任意一臺抽凝氣式壓縮機的汽輪機動組織，結果顯示，壓縮機在壓縮CO2氣體狀態時變化曲線代表氣體飽和程度，折線代表壓縮機在正常工作狀態下對氣體的壓縮過程，虛線顯示為氣體安全邊界線。

4.3 理想氣體與實際氣體對實驗的影響

為證實CO2理想氣體與實際氣體兩種數值對壓縮機實際運行的影響，研究時選取幾組不同質量的壓縮機作為研究對象。結果表明在入口數值不變的情況下，參數變化如下，P01為8.03 MPa，T 為

328 K，Z 為0.631，質量為18～48 kg/h。

兩種氣體的不同工作質量對應的壓力比逐漸縮小，其效率先大后小，符合離心式壓縮機機能分布規律。實際氣體的參數比理想氣體更加接近壓縮機運行工作點，參考價值較高。

4.4 葉輪流道內流運動實驗研究

為探尋葉輪流道內流運動變化，選取3 種工作狀態下的壓縮機，當體積流量和質量流量相同時，理想氣體和實際氣體的性能差異對葉輪的影響。研究結果表明，在相同條件下實際氣體與理想氣體的流動角度不同，由于理想氣體密度小于實際氣體密度，在相同條件下的沖擊力大于實際氣體，這將會對準確運算造成偏差。

5 離心式壓縮機問題分析

5.1 葉輪葉片振動斷裂分析

分析結果由某化工廠離心式壓縮機低壓缸單項流固耦合提供，在定額工作情況下，分析結果僅作為參考。目的是找出造成葉輪葉片斷裂和影響葉輪葉片損壞的主要因素。實驗參考計算由ANSYS Workbcnch 平臺提供，為保障流固耦合的匹配程度，匹配模型也從計算機內篩選導出，利用ANSYS Workbcnch 平臺生成數據，考慮對氣流運動的承載力，最后進行組合。

此次研究均來自某化工廠離心式壓縮機定量運行工作狀況下的數值，通過ANSYS Workbcnch 平臺進行分析檢測。由此分析得出的結論為：上一級回流器的遠近是影響葉片前緣氣流激振力的主要原因。

5.2 密封對離心式壓縮機穩定性能影響分析

離心式壓縮機穩定工作的主要保證是轉子穩定運行。引起轉子轉動失衡的因素較多，其中，密封結構的優劣對轉子運行穩定的影響相對較大。在離心式壓縮機的密封設計中，運用頻繁的結構為阻尼密封結構，本小節分析阻尼密封結構。

依據轉子動力學理論，當轉子在密封縫隙中運動時，密封結構中氣體作用力和位置會發生變化。離心式壓縮機的密封結構主要有梳齒、蜂窩、孔型、袋型以及組合型，其中運用較為廣泛的是梳齒、蜂窩和孔型。研究表明在阻尼密封結構中，蜂窩型密封以及孔型密封對轉子的穩定性有較大影響，梳齒型密封效果差強人意，組合型密封結構結合了蜂窩型和孔型的優點，可用于離心式壓縮機的改造。

6 結束語

分析影響離心式壓縮機穩定性的各種因素，分析離心式壓縮機存在的諸多問題，為實踐提供理論依據。