介質(zhì)泄漏對往復(fù)壓縮機(jī)性能的影響分析

劉 江

（中國石油四川石化設(shè)備檢修部，四川彭州 611930)

1 引言

往復(fù)壓縮機(jī)作為石化裝置核心動力設(shè)備，其密封部件多、故障維修率高，不僅影響壓縮機(jī)運(yùn)行效能，甚至還能導(dǎo)致級間壓比失衡、排氣溫度升高以及運(yùn)動部件失效。因此，研究介質(zhì)泄漏對往復(fù)壓縮機(jī)性能的影響，對優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行至關(guān)重要。

目前，國內(nèi)已有很多專家、學(xué)者對往復(fù)壓縮機(jī)泄漏進(jìn)行了大量的研究工作。文獻(xiàn)[1]考慮了多級往復(fù)壓縮機(jī)抽氣、凝析工藝等影響因素，改進(jìn)了各級泄漏系數(shù)計算方法；文獻(xiàn)[2]考慮了氣體泄漏和不穩(wěn)定傳熱耦合作用，建立了變質(zhì)量系統(tǒng)氣體壓縮熱力過程數(shù)學(xué)模型，研究了示功圖的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[3]研究了氣閥對往復(fù)壓縮機(jī)可靠性、容積流量、能耗的主要影響因素。

本文詳細(xì)梳理了壓縮機(jī)泄漏的各種形式，并通過建立數(shù)學(xué)計算模型，研究泄漏對壓縮機(jī)性能影響規(guī)律，為機(jī)組泄漏問題排查提供了分析思路。

2 介質(zhì)泄漏形式

筆者在總結(jié)前人工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，按系統(tǒng)界面、密封形式、失效形態(tài)，對壓縮機(jī)泄漏進(jìn)行了劃分。

2.1 按系統(tǒng)界面劃分

將壓縮機(jī)及其輔機(jī)系統(tǒng)視作一個封閉系統(tǒng)，可根據(jù)介質(zhì)泄漏后所處的位置，分為內(nèi)漏和外漏。例如，氣閥失效、活塞環(huán)失效即為內(nèi)漏；填料函失效、缸頭密封墊、緩沖罐等輔機(jī)密封墊失效、換熱器內(nèi)漏等即為外漏。工程實(shí)踐表明，氣閥失效和水冷器管束泄漏發(fā)生概率最大。

2.2 按密封形式劃分

按照密封部件的失效機(jī)理，可分為動密封失效泄漏和靜密封失效泄漏。例如，氣閥、活塞環(huán)、填料函等多為運(yùn)動副磨損而失效，即為動密封失效；各類法蘭墊、O型密封圈失效、螺栓松動或斷裂等即為靜密封失效。工程實(shí)踐表明，動密封失效最多。

2.3 按失效形態(tài)劃分

按照密封部件的失效形態(tài)，可分為強(qiáng)度失效泄漏和磨損失效泄漏。例如氣閥閥片斷裂、彈簧斷裂、活塞環(huán)斷裂、螺栓斷裂、焊縫開裂、換熱器管束穿孔、密封墊斷裂等，即為強(qiáng)度失效泄漏。氣閥、活塞環(huán)、填料環(huán)密封面機(jī)械運(yùn)動磨損，以及密封墊、氣閥流道、彎頭、變徑管因介質(zhì)夾帶液體或固體顆粒長期產(chǎn)生的腐蝕、沖蝕，這些均為磨損失效泄漏。

3 泄漏對壓縮機(jī)性能影響的規(guī)律研究

本文以某企業(yè)渣油加氫裝置三缸三級新氫壓縮機(jī)為對象建立了泄漏模型，機(jī)組參數(shù)如下：一級進(jìn)氣壓力19.6 kg/cm2G，三級排氣壓力205.6 kg/cm2G，各級進(jìn)氣溫度均為40 ℃，一至三級氣缸內(nèi)徑分別為495.3 mm、349.3 mm、254.0 mm，活塞桿外徑分別為110 mm、120 mm、114 mm，活塞行程均為323.9 mm。

借鑒文獻(xiàn)[4]提供的計算方法，筆者對其泄漏影響規(guī)律進(jìn)行了仿真計算，具體計算公式及復(fù)算過程，這里不再贅述。該模型的邊界及假設(shè)條件：（1） 不考慮氣閥、活塞環(huán)等內(nèi)漏情況導(dǎo)致的氣體溫升；（2） 不考慮泄漏時，壓比、溫升對過程指數(shù)的影響；（3） 壓縮機(jī)一級進(jìn)氣壓力、三級排氣壓力由系統(tǒng)提供，不受漏氣影響；（4） 復(fù)算精度大于等于0.99時，迭代計算結(jié)束。

容積流量作為壓縮機(jī)最核心的技術(shù)參數(shù)，API618[5]明確提出“允許的往復(fù)壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)偏差±3%適用于流量和壓縮機(jī)軸功率”，因此筆者將壓縮機(jī)泄漏率的研究范圍確定為該偏差的10倍，詳細(xì)研究隨著泄漏率從0～0.3逐漸變化，各級壓力、進(jìn)排氣壓力、排氣溫度的變化規(guī)律。

3.1 一級泄漏的熱力影響

圖1數(shù)據(jù)表明：當(dāng)一級泄漏時，一級壓比下降，二級壓比微升，三級壓力上升，其中三級壓比變化最大。圖2數(shù)據(jù)表明：二級、三級進(jìn)氣壓力均出現(xiàn)下降。圖3數(shù)據(jù)表明：一級排氣溫度下降，二級排氣溫度微升，三級排氣溫度上升，其中三級排氣溫度變化最大。這些現(xiàn)象說明壓縮機(jī)一級漏氣對三級的熱工況和傳動件受力影響很大。

3.2 二級泄漏的熱力影響

圖4數(shù)據(jù)表明：當(dāng)二級泄漏時，一級壓比上升，二級壓比下降，三級壓力微升，其中一級壓比變化最大。圖5數(shù)據(jù)表明：二級進(jìn)氣壓力上升。圖6數(shù)據(jù)表明：一級排氣溫度上升，二級排氣溫度下降，三級排氣溫度微升，其中一級排氣溫度變化最大。這些現(xiàn)象說明壓縮機(jī)二級漏氣對一級的熱工況和傳動件受力影響較大。

3.3 三級泄漏的熱力影響

圖1 一級泄漏各級壓比

圖2 一級泄漏各級壓力

圖3 一級泄漏各級排氣溫度

圖4 二級泄漏各級壓比

圖5 二級泄漏各級壓力

圖6 二級泄漏各級排氣溫度

圖7數(shù)據(jù)表明：當(dāng)三級泄漏時，一級壓比微升，二級壓比上升，三級壓力下降，其中二級壓比變化最大。圖8數(shù)據(jù)表明：三級進(jìn)氣壓力均出現(xiàn)上升。圖9數(shù)據(jù)表明：一級排氣溫度微升，二級排氣溫度上升，三級排氣溫度下降，其中一級排氣溫度變化最大。這些現(xiàn)象說明壓縮機(jī)三級漏氣對二級的熱工況和傳動件受力影響較大。

4 結(jié)語

（1）本文因未考慮氣閥、活塞環(huán)等內(nèi)漏情況導(dǎo)致的氣體溫升，其該級排氣溫度的數(shù)值計算結(jié)果與實(shí)際不相符合，但它符合外漏規(guī)律。

（2）雖其它數(shù)值計算結(jié)果與實(shí)際存在一定偏差，但其變化趨勢與實(shí)際基本吻合，能夠清晰解釋泄漏對往復(fù)壓縮機(jī)性能的影響，也為壓縮機(jī)及其輔機(jī)系統(tǒng)泄漏部位的快速診斷提供了新的分析思路。

圖7 三級泄漏各級壓比

圖8 三級泄漏各級壓力

圖9 三級泄漏各級排氣溫度