離心壓縮機運行效率的計算方法和影響因素探討

宋石磊，桂玉坤，賈東升

（華能（天津）煤氣化發電有限公司，天津 300452）

氣體的壓縮是指通過容積型壓縮機或速度型壓縮機對氣體做功，將氣體壓縮到所需要的壓力。壓縮氣體需要消耗大量的功，提升壓縮機效率是重要的節能手段。在生產中，大流量高壓比場合應用的多級離心壓縮機由多個葉輪和級間冷卻器將氣體進行逐級壓縮冷卻，使壓縮過程接近等溫壓縮來降低壓縮機能耗。選擇設計制造精良的高效離心壓縮機是節能降耗的基礎，在設備定型的情況下，應開展離心壓縮機運行效率分析工作，評估離心壓縮機運行水平，找出影響運行效率的問題所在并進行針對性的處置，使離心壓縮機維持高效運行，從而達到節能的目的。

1 氣體壓縮過程

在氣體壓縮過程中，氣體壓力升高的同時溫度升高，這是由于壓縮功轉化為熱量導致的。氣體壓縮過程根據有無和外界換熱情況，有無摩擦損失、流動損失、漏氣損失等機械損失情況可分為等溫壓縮、絕熱壓縮、多變壓縮，相應的壓縮機效率也分為等溫效率、絕熱效率、多變效率。

在理想情況下，等溫壓縮無機械損失，產生的熱量被外界連續性帶走，氣體溫度恒定，最省功；絕熱壓縮無機械損失，壓縮過程與外界無熱交換，絕熱壓縮功居中；級的多變壓縮有機械損失，壓縮過程與外界無熱交換，多變壓縮功最大[1]。

氣體在離心壓縮機的葉輪壓縮過程中不能進行熱交換，葉輪壓縮完畢后氣體可以在換熱器中進行冷卻。氣體在離心壓縮機中進行壓縮時有機械損失，單級離心壓縮機的壓縮過程是多變壓縮，壓縮功最大。在大流量高壓比參數下，為了降低壓縮功，應用多級離心壓縮機，氣體經葉輪壓縮、擴壓器擴壓，進入冷卻器降溫，循環水把氣體熱量帶走、氣體溫度降低，再進入下一級繼續壓縮，經過多級壓縮、冷卻達到所需要的壓比。多級離心壓縮機進行級間冷卻，由于每級壓縮后氣體的熱量都被冷卻水帶走，氣體的溫度始終在一定的范圍內而沒有升高太多，有級間冷卻的多級離心壓縮機可類似的看成是等溫壓縮。為什么是類似等溫壓縮而不是等溫壓縮，一是因為真實氣體壓縮時有機械損失；二是因為離心壓縮機的級數不是無限多的，即使進行級間冷卻，在壓縮過程中氣體溫度也是升高的。

離心壓縮機的葉輪數是有限的，這是由設備的可及性和制造成本所決定的，同時離心壓縮機級數過多會導致產生的阻力過大。離心壓縮機廠商綜合設備的可及性、制造成本和能耗水平，合理確定離心壓縮機的級數，使設備在市場上具有競爭力。

2 離心壓縮機效率的計算方法

2.1 級的多變效率

離心壓縮機級的多變效率直接反映離心壓縮機某級的效率性能，級的多變效率高是離心壓縮機整機等溫效率高的基礎，多級離心壓縮機由多級葉輪組成，離心壓縮機級的多變效率一般在75%～90%。級的多變效率是離心壓縮機性能的重要設計指標，也是分析離心壓縮機運行效率的重要方法。

通過離心壓縮機某一級葉輪的進氣壓力pi（Pa）、進氣溫度Ti（K）、排氣壓力po（Pa）、排氣溫度To（K），即可按式（1）計算出這級的多變效率ηpol[2]：

式中：k為絕熱指數，與氣體性質有關，一般情況下，單原子氣體k取1.667，雙原子氣體k取1.400，三原子氣體k取1.333[1]。

2.2 等溫效率

離心壓縮機整機的等溫效率直接反映壓縮機的整體能耗水平，決定壓縮機的運行成本，是設備選型非常重要的指標。多級離心壓縮機的等溫效率高有兩個前提條件：一是級的多變效率高，這是基礎；二是壓縮機進行級間冷卻的級數多，級數越多，越接近等溫壓縮。等溫效率越高，設備越先進，造價越高，成本回收期需要綜合考慮運行成本和設備成本。多級離心壓縮機的等溫效率一般在65%～80%。

通過離心壓縮機的等溫功率Ws（W）、軸功率N（W）可計算出離心壓縮機整機的等溫效率ηis，計算公式見式（2）：

2.2.1 等溫功率的計算

等溫功率為理論計算值，可通過進氣溫度Ti、進氣壓力pi、排氣壓力po等參數計算，見式（3）：

式中：R為氣體常數，8.314 J/（mol·K）；n為物質的量，可用氣體體積流量F（m3/h）進行換算，n=1 000F/（22.4×3 600）[1]。

2.2.2 軸功率的計算

（1）用焓差法算軸功率

離心壓縮機對氣體做功，轉變為氣體經過葉輪壓縮后的焓值增量，氣體動能的變化很小，可忽略。離心壓縮機的軸功率可通過氣體在離心壓縮機各級葉輪壓縮前后的焓值之差的和進行計算。

已知氣體的溫度、壓力，查物性參數可得氣體在該狀態下對應的比焓值，用葉輪出口氣體的比焓值ho（kJ/kg）減去入口氣體的比焓值hi（kJ/kg），再乘以經過該級葉輪氣體的質量流量，即為離心壓縮機這級葉輪的軸功率，各級葉輪的軸功率之和即為多級離心壓縮機的軸功率，見式（4）。

式中：F為標準狀態下的氣體體積流量（m3/h）；ρ為標準狀態下氣體的密度（kg/m3）。

（2）用電機功率算軸功率

離心壓縮機的軸功率也可通過驅動機的功率進行計算，由電動機驅動的可根據電機功率計算，由蒸汽輪機或者燃氣輪機驅動的可根據相關驅動機數據計算，本文不展開敘述。

用電機的有功功率P（W）減去電機損耗Pl（W）可視為離心壓縮機的軸功率[見式（5）]。電機損耗是電機的性能參數，額定功率在1 000 kW以上的大電機的損耗通常按3%～5%考慮，大功率電機可考慮使用同步電機，同步電機效率高于異步電機。

3 影響離心壓縮機運行效率的因素

3.1 運行參數偏離設計工況

在離心壓縮機設計階段，應根據壓縮機預期進氣溫度、壓力、流量和排氣壓力等運行條件進行其選型設計。在設計工況下離心壓縮機運行效率最高，運行參數偏離設計工況后會造成離心壓縮機效率降低。

3.1.1 負荷率的影響

一般離心壓縮機效率最高點設計在100%負荷。由于生產需要離心壓縮機運行參數偏離設計工況時，離心壓縮機負荷率越低，級的多變效率和整機等溫效率越低，如IGCC電廠增壓機負荷率由100%降至75%時，等溫效率降低5個百分點，造成單位能耗上升6.4%。

離心壓縮機負荷率可以由進氣體積流量體現，進氣參數偏離設計工況造成離心壓縮機效率降低，實際上是進氣狀態對離心壓縮機氣動性能的影響，氣體體積流量和氣體的溫度、壓力參數有關，在相同的標準狀態體積流量下：溫度相同、壓力越高、密度越大，實際體積流量越小；壓力相同、溫度越高、密度越小，實際體積流量越大。

運行參數偏離設計工況時，應調整運行參數，盡量讓離心壓縮機在設計參數下運行。生產情況發生較大變化，造成離心壓縮機負荷率嚴重偏離設計工況的，應對離心壓縮機進行全面分析，對離心壓縮機進行改造甚至更換來提高效率，達到節能降耗的目的。

應用在變負荷條件下的離心壓縮機，設計時應充分考慮各種負荷運行的時間占比，將離心壓縮機效率最高點落在合適的負荷率上，以期使離心壓縮機較長時間運行在最佳效率點附近，在全壽命中能耗最低。

3.1.2 壓比的影響

離心壓縮機壓比降低會造成等溫效率顯著降低。離心壓縮機降壓運行是導致效率降低的重要因素，降壓運行時雖然能耗會有一定的降低，但是效率顯著下降，這種情況下應考慮改造或更換離心壓縮機以提高效率，進一步降低能耗。

離心壓縮機入口濾網堵塞、入口閥門開度過小造成入口壓力降低，偏離設計工況，在維持出口壓力不變的情況下壓比變大，能耗變大。另外，離心壓縮機在小流量、高壓比工況下運行有喘振風險，在大流量工況下運行有滯止風險。

3.1.3 進氣溫度的影響

離心壓縮機的能耗和進氣溫度成正比，進氣溫度升高，離心壓縮機能耗升高，這時應降低進氣溫度。級間冷卻器冷卻效果不好會造成級間進氣溫度高，離心壓縮機能耗升高，可以通過降低循環水溫度來降低氣體冷卻后進入下一級前的溫度，或用物理、化學方法清洗級間冷卻器，提高傳熱系數，改善冷卻效果。

3.2 漏氣損失增大

離心壓縮機存在合理的漏氣損失，漏氣損失越小，整機等溫效率越高。但是合理漏氣有其正常的泄漏量，設備存在缺陷會造成泄漏量增大，效率降低。在供給下游氣量不變的情況下，由于離心壓縮機存在漏氣，導致進氣量增大，能耗升高。

3.2.1 級間漏氣

由于離心壓縮機動靜間隙的存在，氣體會從葉輪出口漏到葉輪入口，造成葉輪入口溫度升高，隨之葉輪出口溫度也會升高，葉輪出口壓力降低，葉輪級的效率降低，離心壓縮機整機效率降低。設備精密度越高，動靜間隙越小，級間漏氣損失越小。拆檢離心壓縮機發現葉輪間隙增大時，需要更換級間密封[3]。

3.2.2 軸封泄漏

離心壓縮機軸封也有合理的漏氣量。軸封漏氣可使氣體通過潤滑油回油管至潤滑油箱，若漏氣量增大，會造成潤滑油箱負壓降低，導致回油不暢。有的軸封漏氣直接排到大氣中，可直觀觀察到漏氣量增大。單軸離心壓縮機軸封漏氣量增大，會使整機等溫效率降低，末級和入口壓力高于大氣壓的首級多變效率下降。齒輪型多軸離心壓縮機軸封漏氣量增大，會使整機等溫效率和軸封損壞的級的多變效率降低。軸封損壞導致泄漏量增大的應更換軸封。

3.2.3 閥門內漏

離心壓縮機放空閥、回流閥等所有閥門有泄漏等級，存在合理的泄漏量。閥門由于密封面沖刷、磨損等原因造成內漏，或由于定位器、閥門限位、執行機構等存在缺陷造成內漏，都是不正常的，需要在合適的時機進行消缺處理。閥門內漏會導致離心壓縮機整機等溫效率下降。常溫氣體的閥門內漏有明顯的節流效應，使氣體溫度降低，閥后溫度較閥前溫度低5℃以上即可判斷閥門內漏。高溫氣體的閥門內漏由于氣體的熱傳導會使閥門變熱。

3.2.4 靜設備泄漏

離心壓縮機管道、法蘭等存在漏點時，壓縮氣體漏到大氣中會造成離心壓縮機等溫效率下降。若漏點明顯，在生產現場可察覺到，也可以借助聲波查漏工具排查漏點，位置明確后應設法消除漏點。離心壓縮機氣體冷卻器泄漏時，在氣體壓力高于水壓的情況下，換熱器頂部可能排出氣體，造成離心壓縮機整機等溫效率下降，應盡快消除冷卻器漏點。

4 結 語

壓縮機是化工行業的關鍵設備之一，尤其是大型的多級離心壓縮機，在全廠能耗里占有較大比重，提高離心壓縮機運行效率是改善運營效益的重點。壓縮機在長年運行后由于設備老化、運行方式調整、用戶需求改變等，效率勢必逐漸下降，甚至大幅偏離設計工況，探討分析影響運行效率的因素，再權衡成本對壓縮機進行改造或更換是節能降耗必不可少的項目。