多級容積式壓縮機變工況計算及操作

陳旭華 冉東明 李 剛 鐘沅瀚

（1.中國石油西南油氣田公司成都天然氣化工總廠，四川 成都 610213；2.中國石油濟柴動力總廠成都壓縮機廠，四川 成都 610100；3.中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦，四川 安岳 642352）

0 引言

容積式壓縮機在工業(yè)化工行業(yè)中有大量的應(yīng)用，大體可分為往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式兩類，其中往復(fù)式應(yīng)用更為廣泛。壓縮機在安裝完成后，需要進行空載及負荷試車，檢驗機組是否符合要求。在裝置未投產(chǎn)時，通常需要用氮氣、空氣或其他氣體來代替設(shè)計介質(zhì)進行負荷試車；此外，這些壓縮機可能要在變工況下為試壓、檢漏提供高壓氣源。筆者擬就多級容積式壓縮機變工況計算及實際操作進行分析。

1 多級容積式壓縮機變工況計算

多級容積式壓縮機在介質(zhì)變化時，由于結(jié)構(gòu)尺寸和主要參數(shù)已經(jīng)確定，級間壓力、溫度值會有變化，試車時需要先進行計算，來指導(dǎo)試車工作。筆者以活塞式壓縮機為討論對象，討論多級容積式壓縮機的變工況計算及其實際操作。根據(jù)壓縮機的結(jié)構(gòu)參數(shù)得出壓縮機各級氣缸的行程容積為：

式中，Vh為各級氣缸的行程容積，m3／s；n為本級汽缸數(shù)（雙作用取2），個；D為氣缸直徑，m；S為本級活塞行程，m。

如果是雙作用的氣缸，計算中還須將活塞桿直徑考慮進去，否則計算會出現(xiàn)較大偏差［1］。

變工況計算的目的就是在結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的前提下，核算新的壓縮介質(zhì)或新的進排氣壓力下壓縮機的排氣量和各級之間的壓力分配、各級壓縮溫度以及各級軸功率等。這幾個計算值之間相互關(guān)聯(lián)，另外物性計算還需要調(diào)用物性庫（經(jīng)試驗，用PR方程和SRK方程自編的計算程序可滿足要求，也可調(diào)用Aspen property或HYSYS物性庫），直接計算比較困難，需要進行迭代計算。各個需要確定的參數(shù)有如下關(guān)系：

式中，Vs為各級實際體積流量，m3／s；λv、λp、λT分別為容積、壓力、溫度系數(shù)；a為各級的相對余隙容積，m3；ε為各級的壓力比；k為絕熱指數(shù)；F為各級進氣量，m3／s；ρ為各級進口的密度，kg／m3；pin為各級進氣壓力，Pa；η為各級的絕熱效率；W為各級軸功率，W。

各個物性參數(shù)可以通過第三方物性庫得到，各級的容積系數(shù)通過相對余隙容積和工況計算，壓力和溫度系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗選取，每級的壓縮最終溫度根據(jù)物性計算獲得。對工程計算來說，各級的泄漏系數(shù)、漏入系數(shù)、析水系數(shù)等可不考慮，因為工程實際操作需取較大的安全余量，可以不做精確的計算［2］。

由于要進行迭代計算，需要選取初始各級分配壓力，其他參數(shù)根據(jù)此計算獲得，壓力的初始分配可以按照下列算式選?。?/p>

式中，p為初始分配壓力，Pa；Z為壓縮機級數(shù)。

計算流程見圖1。

圖1 計算流程圖

2 某LNG廠壓縮機變工況計算分析

根據(jù)上述思路，編制計算程序，并對某LNG工廠五級壓縮的蒸發(fā)氣（BOG）壓縮機進行計算。

2.1 設(shè)計工況

設(shè)計工況為介質(zhì)BOG（CH485%、N215%，溫度-30℃），常壓進氣，背壓為9 600 kPa。廠家設(shè)計資料各級參數(shù)見表1，設(shè)計工況計算數(shù)據(jù)見表2。

表1 設(shè)計工況參數(shù)表

2.2 氮氣試車工況

氮氣試車工況為此壓縮機用在試車、裝置聯(lián)動調(diào)試時，介質(zhì)用氮氣的情況。進口微正壓，出口背壓約為5 400 kPa。預(yù)測數(shù)據(jù)及實際運行數(shù)據(jù)見表3和表4。

表2 設(shè)計工況計算數(shù)據(jù)表

表3 氮氣工況預(yù)測數(shù)據(jù)表

表4 氮氣工況實際運行數(shù)據(jù)表

2.3 實物料工況

實物料工況為此壓縮機用在試車、裝置聯(lián)動調(diào)試時，介質(zhì)用BOG的情況，進口為微正壓，出口背壓約為8 900 kPa。預(yù)測數(shù)據(jù)與實際運行數(shù)據(jù)分別見表5、表6。

通過3組數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，除排氣溫度因未考慮缸體循環(huán)水冷卻而有明顯誤差外，預(yù)測數(shù)據(jù)與實際運行數(shù)據(jù)基本吻合。在實際生產(chǎn)或試車工作中，遇到幾臺容積式壓縮機串聯(lián)、介質(zhì)改變、進排氣壓力改變、臨時級間加氣排氣等變工況情況，都可以用此計算進行預(yù)測，以指導(dǎo)生產(chǎn)和調(diào)試。

表5 實物料工況預(yù)測數(shù)據(jù)表

表6 實物料工況實際運行數(shù)據(jù)表

3 對LNG廠BOG壓縮機變工況操作分析

在新機組試車或工況改變的情況下，壓縮機組的現(xiàn)場操作中適用于正常工況的操作方法不一定適用于新工況，應(yīng)注意根據(jù)實際工況加以調(diào)整，仍以BOG壓縮機為例進行分析：

1）用氮氣試車。① 用常溫氮氣試車，BOG壓縮機一級氣缸冷卻水要開啟。② 用氮氣試車時，由于氮氣系統(tǒng)壓力為0.3～0.6 MPa，向壓縮機進口補氣要注意壓縮機的進口壓力，避免進口壓力過高引發(fā)壓縮自動保護停車。③ 氮氣試車時，由于是封閉系統(tǒng)試車，要注意出口至進口的回流氣量的控制（特別是排氣壓力超過4 MPa），避免氣流波動過大造成進氣壓力波動（低于-50 kPa或高于100 kPa）引發(fā)壓縮機保護停車。④ 啟動后在升壓過程中要緩慢運行，還要密切關(guān)注各級排氣溫度，因氮氣壓縮后排氣溫度較甲烷高，注意排氣溫度不要超過壓縮機的報警溫度。⑤ 出口壓力不能過高，實際試車過程中，超過8 MPa時會造成電機負荷超高。⑥ 在運行過程中要密切注意壓縮機的油溫，過高或過低會對壓縮機的潤滑造成影響，同時油溫低也可能造成潤滑油泵電流過大導(dǎo)致停機。⑦ 氮氣會使人窒息，試車時要注意觀察是否有泄漏，操作人員不可正對泄漏點，以免出現(xiàn)意外事故。⑧ 壓縮機啟動后其負荷調(diào)節(jié)從0到50%再到100%，在50%處不可停留太久，否則造成壓縮機缸體不平衡，會對機械性能有影響［3］。

2）用BOG試車。① 用BOG試車，要注意將進口流程走通，由于BOG進氣溫度剛開始很低，啟動前要注意關(guān)閉一級氣缸冷卻水。② 啟動后要將二級出口未冷卻氣體回流一部分到進口，使綜合進氣溫度高于-30℃，避免進口溫度過低。③ BOG氣壓縮啟動后要注意調(diào)節(jié)五返一調(diào)節(jié)閥，避免出口超壓以及進口壓力過低。④ 啟動后要密切注意壓縮機的各級壓力、溫度、油壓及油溫。⑤ 在升壓過程中，要與配電聯(lián)系，關(guān)注電機負荷。⑥ 要隨時注意LNG儲罐壓力，避免儲罐壓力過低，如BOG外輸要與配氣站聯(lián)系，注意排氣壓力。⑦ 由于BOG壓縮機各級排氣沒有吹除閥（有導(dǎo)淋閥直接排大氣中，停車時不能使用），在停車時要注意及時用各級安全閥的旁通閥缷壓。

3）惡劣工況。投料試車初期，BOG壓縮機進口為常溫天然氣，進口溫度隨系統(tǒng)制冷而逐步降低，應(yīng)適時關(guān)閉并排盡一級氣缸冷卻水，避免低溫下氣缸冷卻水結(jié)冰；BOG壓縮機全停后需重啟的情況，此時BOG溫度約-150℃（遠低于壓縮機進口溫度下限），但又無原料天然氣與之換熱，壓縮機無法直接利用BOG啟機，可用常溫氮氣啟機，再利用機組調(diào)溫管線緩慢調(diào)節(jié)BOG進氣溫度，最終緩慢調(diào)整至正常工況。

4 結(jié)束語

容積式壓縮機廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)，安裝完成后需要進行空載及負荷試車，在裝置未投產(chǎn)時，通常需要用氮氣、空氣或其他氣體來代替設(shè)計介質(zhì)進行負荷試車，在介質(zhì)發(fā)生變化時，由于多級容積式壓縮機結(jié)構(gòu)尺寸和主要參數(shù)已經(jīng)確定，級間壓力、溫度值會有變化，所以試車時需要先進行工況計算，來指導(dǎo)試車工作。筆者通過以活塞式壓縮機為研究對象，討論分析多級壓縮機的變工況計算及其實際操作情況，并指出在一些特殊惡劣工況下的正當操作方法，對多級容積式壓縮機試車及調(diào)試具有指導(dǎo)及借鑒作用。