化學(xué)雜質(zhì)對(duì)CO2 輸送管道中壓縮機(jī)尺寸的影響

劉宏彬

（山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030000）

引言

在管道輸送中，CO2以氣態(tài)、液態(tài)、稠密態(tài)或超臨界態(tài)輸送。在單位質(zhì)量管道摩擦壓降低的情況下，單位時(shí)間內(nèi)在超臨界狀態(tài)可以比氣態(tài)或液態(tài)輸送更多的CO2。因此，CO2在長(zhǎng)距離管道中以密相或超臨界相輸送效果最好。由于輸送中CO2通常含有CH4、H2、H2O、H2S、N2、CO、O2、Ar 等雜質(zhì)[1]，這些雜質(zhì)即使是微量也影響管網(wǎng)的整體性能，導(dǎo)致壓縮機(jī)和泵的能量需求升高。為了避免這種風(fēng)險(xiǎn)，需要提高機(jī)器效率以節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本。現(xiàn)有的壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)[2]沒(méi)有針對(duì)超臨界或致密相條件下的不純CO2流開(kāi)發(fā)的壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)。因此，實(shí)現(xiàn)了包含離心機(jī)械幾何結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部流體流動(dòng)過(guò)程的準(zhǔn)維模型,詳細(xì)研究了各種化學(xué)雜質(zhì)對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行和選型的影響。

1 模型建立與驗(yàn)證

1.1 建模方法

如圖1 所示準(zhǔn)維模型[3]使用機(jī)器參數(shù)進(jìn)行工作模擬離心壓縮機(jī)內(nèi)部流體流動(dòng)和工作過(guò)程的幾何形狀、工作流體和工作條件，并產(chǎn)生輸出結(jié)果。EoS[4]在臨界點(diǎn)附近，壓力和溫度的微小變化會(huì)導(dǎo)致CO2熱力學(xué)性質(zhì)的根本變化。當(dāng)這些關(guān)聯(lián)關(guān)系被用來(lái)預(yù)測(cè)焓和比熱容時(shí)，困難更加明顯。相反，EoS 相關(guān)性預(yù)測(cè)流體密度的誤差更小。

圖1 模型的功能的流程圖

1.2 壓縮機(jī)性能研究的建立

為了研究各種雜質(zhì)對(duì)壓縮機(jī)性能的影響及其對(duì)壓縮機(jī)尺寸的影響，選擇純CO2和含有N2、H2、CO和CH4的二元混合物作為工作液。對(duì)于不純CO2混合，設(shè)定兩組場(chǎng)景，CO2純度固定在90%（摩爾分?jǐn)?shù)），另一組中固定在80%。表1 顯示了使用的壓縮機(jī)的輸入運(yùn)行條件。

表1 模擬離心壓縮機(jī)的輸入工況

2 結(jié)果與討論

2.1 雜質(zhì)對(duì)壓縮機(jī)性能的影響

如第82 頁(yè)圖2 和圖3 所示。對(duì)于給定的工作流體，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（N）增加會(huì)使壓縮機(jī)出氣口的壓力（P2）相應(yīng)增大。

圖2 雜質(zhì)對(duì)90%純度CO2 出口壓力的影響

圖3 雜質(zhì)對(duì)80%純度CO2 出口壓力的影響

本研究中所涉及的雜質(zhì)N2、H2、CH4和CO 的分子量均低于CO2。將它們引入將立即導(dǎo)致由壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸扭矩產(chǎn)生的流體角動(dòng)量的下降，流體角動(dòng)量的減少將導(dǎo)致排放壓力的降低。這些雜質(zhì)也增加了能量損失，導(dǎo)致等熵效率的降低。

壓縮機(jī)性能退化的嚴(yán)重程度取決于在機(jī)器中流動(dòng)的CO2雜質(zhì)的類(lèi)型和濃度。由圖2、圖3 可知，CO2中的氫雜質(zhì)含量明顯增加，使得出口壓力（P2）在壓縮機(jī)擴(kuò)散器內(nèi)積聚。

2.2 增加排氣壓力對(duì)壓縮機(jī)尺寸和能量需求的影響

在離心式壓縮機(jī)中，可以通過(guò)增加軸轉(zhuǎn)速（N）或增大葉輪直徑來(lái)提高排氣壓力（P2）[5]。在保持機(jī)器尺寸不變的情況下，增加軸速來(lái)產(chǎn)生特定的排氣壓力將需要更多的工作輸入（WINPUT）。

對(duì)于給定的溫度和壓力，流體密度隨著工作流體從純CO2轉(zhuǎn)化為CO2/CH4、CO2/N2、CO2/CO，最后是CO2/H2混合物。因此，壓縮機(jī)處理CO2/H2混合流體（密度最低的混合物）將需要最高的能量（WINPUT）來(lái)維持產(chǎn)生規(guī)定的12 MPa 出口壓力,壓縮機(jī)尺寸將增加7.95%，工作輸入將增加18.08%，如圖4 和圖5，當(dāng)壓縮機(jī)從處理純CO2轉(zhuǎn)換為CO2/H2混合物時(shí)，需要的能量最少，成本最低。工作投入將增加5.23%，機(jī)器尺寸將增加。當(dāng)壓縮機(jī)從處理純CO2轉(zhuǎn)換為CO2/CH4混合物時(shí)，增加1.88%。所以一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于一個(gè)給定的軸轉(zhuǎn)速和排氣壓力，壓縮機(jī)尺寸和功輸入成正比關(guān)系，與總體流體密度成反比。

圖4 提高P2 對(duì)不同CO2 流壓縮機(jī)尺寸相對(duì)變化的影響

圖5 提高P2 對(duì)不同CO2 流功輸入相對(duì)變化的影響

3 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，排氣壓力是工作流體的密度和速度的函數(shù)。CO2中的雜質(zhì)流體對(duì)整體流體密度有很強(qiáng)的影響，雜質(zhì)降低了流體的總體密度，導(dǎo)致排放壓力降至工作流體的臨界壓力以下。為了提高排氣壓力，在軸的轉(zhuǎn)速保持不變的情況下，壓縮機(jī)軸的轉(zhuǎn)速將增加或壓縮機(jī)尺寸重新調(diào)整，無(wú)論哪種方式，能量需求的增加是排放壓力向上調(diào)整所必須付出的代價(jià)。壓縮機(jī)調(diào)整尺寸與能量需求成正比，能量需求與流體密度成反比。因此，工作流體中雜質(zhì)的類(lèi)型和濃度在決定壓縮機(jī)的最佳尺寸方面起著很大的作用，壓縮機(jī)的最佳尺寸將提供最佳的單位功率利用率，并減少CO2的能量消耗和運(yùn)營(yíng)成本。