大型尿素裝置CO2 壓縮機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)研究

宋立強(qiáng)

（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(jī)是最重要的設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)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(yán)格的要求。目前，CO2壓縮機(jī)組問題頻發(fā)，在后期維護(hù)方面，因機(jī)組對外部工況條件反應(yīng)非常敏感，一旦出現(xiàn)一點(diǎn)變化都會對運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益造成非常嚴(yán)重的影響。因此，對CO2壓縮機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 CO2 壓縮機(jī)組概況

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，CFD（計算流體力學(xué)）技術(shù)在不同領(lǐng)域都有所應(yīng)用，在理論和實(shí)踐方面都有著非常重要的作用。在數(shù)值模擬過程中，由于CO2氣體在不同溫度壓力范圍內(nèi)所滿足的狀態(tài)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(zhǔn)確率。

以往CO2壓縮機(jī)更多是在原有工藝基礎(chǔ)上完成設(shè)計并提高效率，但是在實(shí)際運(yùn)行過程中工況條件往往發(fā)生改變。因此，這就需要調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉開度來調(diào)節(jié)流量，保證時序效應(yīng)。由于其內(nèi)部流動較為復(fù)雜，一旦流場發(fā)生變化，會危及相關(guān)工作人員的人身安全。

2 CO2 壓縮機(jī)組常見故障

2.1 葉片斷裂

葉片斷裂是目前CO2壓縮機(jī)最常見的故障，會引發(fā)CO2壓縮機(jī)各種事故，輕則停機(jī)檢修，重則機(jī)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(yùn)行過量，葉片排之間產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致葉輪葉片承載過量出現(xiàn)斷裂。在壓縮機(jī)設(shè)計起步時或者在日常運(yùn)行過程中，葉片表面上的斷裂問題也不容小覷。

2.2 口環(huán)密封問題

口環(huán)密封是影響離心壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作的主要原因，口環(huán)密封具有密封氣體，提高機(jī)組工作效率的作用。同時，密封氣流時產(chǎn)生的氣流振動影響機(jī)組轉(zhuǎn)子的運(yùn)行，從而引發(fā)失穩(wěn)事故。只有研究好口環(huán)密封后內(nèi)部產(chǎn)生的氣流運(yùn)動規(guī)律，設(shè)計新型的密封結(jié)構(gòu)，才能更高效地確保機(jī)組轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作，避免發(fā)生高頻事故。

2.3 葉輪振動問題

在機(jī)組運(yùn)行過程中，機(jī)組振動等問題也是造成事故的原因。造成機(jī)組振動的原因有轉(zhuǎn)子不對中、轉(zhuǎn)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(jié)果。

3 CO2 壓縮機(jī)組研究現(xiàn)狀

3.1 離心式壓縮機(jī)內(nèi)部流動研究

一般認(rèn)為離心式壓縮機(jī)內(nèi)部流動的規(guī)律是穩(wěn)定的，但在初期針對離心式壓縮機(jī)內(nèi)部流動的研究活動中證實(shí)，葉輪出口處速度是不規(guī)律的，進(jìn)入擴(kuò)壓器的氣流分布也不穩(wěn)定。隨之，學(xué)者針對控制離心式壓縮機(jī)內(nèi)部流動氣場的穩(wěn)定性做了許多研究。通過實(shí)驗(yàn)證明，在不同條件下，離心式壓縮機(jī)內(nèi)部氣場流動的規(guī)律也大不相同，解決影響離心式壓縮機(jī)內(nèi)部氣場流動的因素仍然是當(dāng)前未解之謎。

3.2 葉輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究

以往對于葉輪強(qiáng)度的研究，我國主要還是只停留在離心力對于葉輪強(qiáng)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(xué)者從氣流激振力的角度出發(fā)，針對葉輪結(jié)構(gòu)及其振動特性方面展開研究。研究表明，改變靜轉(zhuǎn)子之間的位置會產(chǎn)生壓縮機(jī)機(jī)能上的變化，專家學(xué)者稱為時序效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)最終表明，時序效應(yīng)能有效減少氣流對葉片的沖擊力，提高壓縮機(jī)的機(jī)能性。時序效應(yīng)對離心式壓縮機(jī)組有著重要影響，如果改變時序位置可能導(dǎo)致壓縮機(jī)葉輪振動，造成葉片斷裂的嚴(yán)重事故。

3.3 密封性對轉(zhuǎn)子影響的研究

對于密封性，人們通常只會關(guān)注兩個方面：一方面是泄漏問題；一方面是氣流動蕩對轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的影響。離心式壓縮機(jī)的密封構(gòu)造是每一位設(shè)計師主要關(guān)注的一點(diǎn)。以往多數(shù)學(xué)者就一方面或者一個密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，針對密封性對轉(zhuǎn)子影響的研究不多。在今后研究中，專家學(xué)者可以從不同的角度出發(fā)對其進(jìn)行研究，以此來探索密封性優(yōu)劣對于轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作的影響。

3.4 離心式壓縮機(jī)模型設(shè)計研究

離心式壓縮機(jī)依靠?；ā⒘鞯椒ㄒ约靶史橹饕O(shè)計方法。使用頻率上?；ㄗ罡撸涮攸c(diǎn)主要有整機(jī)性能比較高，設(shè)計周期較短。書籍中對于離心式壓縮機(jī)?；O(shè)計介紹較為詳細(xì)，但運(yùn)用到實(shí)踐中的卻較少。利用所知所學(xué)快速選擇離心式壓縮機(jī)模型，是當(dāng)前各大生產(chǎn)商以及設(shè)計師較為關(guān)注的一點(diǎn)。

4 離心式壓縮機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)研究

4.1 CO2 實(shí)際氣體對壓縮機(jī)的影響

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的進(jìn)步，科學(xué)家的研究水平不斷加深，先后研究實(shí)際氣體在不同領(lǐng)域和不同材料的狀態(tài)方程式。理想氣體是研究氣體性質(zhì)的一個物理模型，這種氣體的狀態(tài)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(tài)方程式為PV=ZRT。

4.2 機(jī)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(jī)的汽輪機(jī)動組織，結(jié)果顯示，壓縮機(jī)在壓縮CO2氣體狀態(tài)時變化曲線代表氣體飽和程度，折線代表壓縮機(jī)在正常工作狀態(tài)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(shí)際氣體對實(shí)驗(yàn)的影響

為證實(shí)CO2理想氣體與實(shí)際氣體兩種數(shù)值對壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行的影響，研究時選取幾組不同質(zhì)量的壓縮機(jī)作為研究對象。結(jié)果表明在入口數(shù)值不變的情況下，參數(shù)變化如下，P01為8.03 MPa，T 為

328 K，Z 為0.631，質(zhì)量為18～48 kg/h。

兩種氣體的不同工作質(zhì)量對應(yīng)的壓力比逐漸縮小，其效率先大后小，符合離心式壓縮機(jī)機(jī)能分布規(guī)律。實(shí)際氣體的參數(shù)比理想氣體更加接近壓縮機(jī)運(yùn)行工作點(diǎn)，參考價值較高。

4.4 葉輪流道內(nèi)流運(yùn)動實(shí)驗(yàn)研究

為探尋葉輪流道內(nèi)流運(yùn)動變化，選取3 種工作狀態(tài)下的壓縮機(jī)，當(dāng)體積流量和質(zhì)量流量相同時，理想氣體和實(shí)際氣體的性能差異對葉輪的影響。研究結(jié)果表明，在相同條件下實(shí)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(shí)際氣體密度，在相同條件下的沖擊力大于實(shí)際氣體，這將會對準(zhǔn)確運(yùn)算造成偏差。

5 離心式壓縮機(jī)問題分析

5.1 葉輪葉片振動斷裂分析

分析結(jié)果由某化工廠離心式壓縮機(jī)低壓缸單項(xiàng)流固耦合提供，在定額工作情況下，分析結(jié)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(shí)驗(yàn)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(jī)內(nèi)篩選導(dǎo)出，利用ANSYS Workbcnch 平臺生成數(shù)據(jù)，考慮對氣流運(yùn)動的承載力，最后進(jìn)行組合。

此次研究均來自某化工廠離心式壓縮機(jī)定量運(yùn)行工作狀況下的數(shù)值，通過ANSYS Workbcnch 平臺進(jìn)行分析檢測。由此分析得出的結(jié)論為：上一級回流器的遠(yuǎn)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(jī)穩(wěn)定性能影響分析

離心式壓縮機(jī)穩(wěn)定工作的主要保證是轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行。引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動失衡的因素較多，其中，密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣對轉(zhuǎn)子運(yùn)行穩(wěn)定的影響相對較大。在離心式壓縮機(jī)的密封設(shè)計中，運(yùn)用頻繁的結(jié)構(gòu)為阻尼密封結(jié)構(gòu)，本小節(jié)分析阻尼密封結(jié)構(gòu)。

依據(jù)轉(zhuǎn)子動力學(xué)理論，當(dāng)轉(zhuǎn)子在密封縫隙中運(yùn)動時，密封結(jié)構(gòu)中氣體作用力和位置會發(fā)生變化。離心式壓縮機(jī)的密封結(jié)構(gòu)主要有梳齒、蜂窩、孔型、袋型以及組合型，其中運(yùn)用較為廣泛的是梳齒、蜂窩和孔型。研究表明在阻尼密封結(jié)構(gòu)中，蜂窩型密封以及孔型密封對轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性有較大影響，梳齒型密封效果差強(qiáng)人意，組合型密封結(jié)構(gòu)結(jié)合了蜂窩型和孔型的優(yōu)點(diǎn)，可用于離心式壓縮機(jī)的改造。

6 結(jié)束語

分析影響離心式壓縮機(jī)穩(wěn)定性的各種因素，分析離心式壓縮機(jī)存在的諸多問題，為實(shí)踐提供理論依據(jù)。