離心壓縮機(jī)運(yùn)行效率的計(jì)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(fā)電有限公司，天津 300452）

氣體的壓縮是指通過(guò)容積型壓縮機(jī)或速度型壓縮機(jī)對(duì)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(jī)效率是重要的節(jié)能手段。在生產(chǎn)中，大流量高壓比場(chǎng)合應(yīng)用的多級(jí)離心壓縮機(jī)由多個(gè)葉輪和級(jí)間冷卻器將氣體進(jìn)行逐級(jí)壓縮冷卻，使壓縮過(guò)程接近等溫壓縮來(lái)降低壓縮機(jī)能耗。選擇設(shè)計(jì)制造精良的高效離心壓縮機(jī)是節(jié)能降耗的基礎(chǔ)，在設(shè)備定型的情況下，應(yīng)開(kāi)展離心壓縮機(jī)運(yùn)行效率分析工作，評(píng)估離心壓縮機(jī)運(yùn)行水平，找出影響運(yùn)行效率的問(wèn)題所在并進(jìn)行針對(duì)性的處置，使離心壓縮機(jī)維持高效運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

1 氣體壓縮過(guò)程

在氣體壓縮過(guò)程中，氣體壓力升高的同時(shí)溫度升高，這是由于壓縮功轉(zhuǎn)化為熱量導(dǎo)致的。氣體壓縮過(guò)程根據(jù)有無(wú)和外界換熱情況，有無(wú)摩擦損失、流動(dòng)損失、漏氣損失等機(jī)械損失情況可分為等溫壓縮、絕熱壓縮、多變壓縮，相應(yīng)的壓縮機(jī)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(wú)機(jī)械損失，產(chǎn)生的熱量被外界連續(xù)性帶走，氣體溫度恒定，最省功；絕熱壓縮無(wú)機(jī)械損失，壓縮過(guò)程與外界無(wú)熱交換，絕熱壓縮功居中；級(jí)的多變壓縮有機(jī)械損失，壓縮過(guò)程與外界無(wú)熱交換，多變壓縮功最大[1]。

氣體在離心壓縮機(jī)的葉輪壓縮過(guò)程中不能進(jìn)行熱交換，葉輪壓縮完畢后氣體可以在換熱器中進(jìn)行冷卻。氣體在離心壓縮機(jī)中進(jìn)行壓縮時(shí)有機(jī)械損失，單級(jí)離心壓縮機(jī)的壓縮過(guò)程是多變壓縮，壓縮功最大。在大流量高壓比參數(shù)下，為了降低壓縮功，應(yīng)用多級(jí)離心壓縮機(jī)，氣體經(jīng)葉輪壓縮、擴(kuò)壓器擴(kuò)壓，進(jìn)入冷卻器降溫，循環(huán)水把氣體熱量帶走、氣體溫度降低，再進(jìn)入下一級(jí)繼續(xù)壓縮，經(jīng)過(guò)多級(jí)壓縮、冷卻達(dá)到所需要的壓比。多級(jí)離心壓縮機(jī)進(jìn)行級(jí)間冷卻，由于每級(jí)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(nèi)而沒(méi)有升高太多，有級(jí)間冷卻的多級(jí)離心壓縮機(jī)可類(lèi)似的看成是等溫壓縮。為什么是類(lèi)似等溫壓縮而不是等溫壓縮，一是因?yàn)檎鎸?shí)氣體壓縮時(shí)有機(jī)械損失；二是因?yàn)殡x心壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)不是無(wú)限多的，即使進(jìn)行級(jí)間冷卻，在壓縮過(guò)程中氣體溫度也是升高的。

離心壓縮機(jī)的葉輪數(shù)是有限的，這是由設(shè)備的可及性和制造成本所決定的，同時(shí)離心壓縮機(jī)級(jí)數(shù)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的阻力過(guò)大。離心壓縮機(jī)廠商綜合設(shè)備的可及性、制造成本和能耗水平，合理確定離心壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)，使設(shè)備在市場(chǎng)上具有競(jìng)爭(zhēng)力。

2 離心壓縮機(jī)效率的計(jì)算方法

2.1 級(jí)的多變效率

離心壓縮機(jī)級(jí)的多變效率直接反映離心壓縮機(jī)某級(jí)的效率性能，級(jí)的多變效率高是離心壓縮機(jī)整機(jī)等溫效率高的基礎(chǔ)，多級(jí)離心壓縮機(jī)由多級(jí)葉輪組成，離心壓縮機(jī)級(jí)的多變效率一般在75%～90%。級(jí)的多變效率是離心壓縮機(jī)性能的重要設(shè)計(jì)指標(biāo)，也是分析離心壓縮機(jī)運(yùn)行效率的重要方法。

通過(guò)離心壓縮機(jī)某一級(jí)葉輪的進(jìn)氣壓力pi（Pa）、進(jìn)氣溫度Ti（K）、排氣壓力po（Pa）、排氣溫度To（K），即可按式（1）計(jì)算出這級(jí)的多變效率ηpol[2]：

式中：k為絕熱指數(shù)，與氣體性質(zhì)有關(guān)，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(jī)整機(jī)的等溫效率直接反映壓縮機(jī)的整體能耗水平，決定壓縮機(jī)的運(yùn)行成本，是設(shè)備選型非常重要的指標(biāo)。多級(jí)離心壓縮機(jī)的等溫效率高有兩個(gè)前提條件：一是級(jí)的多變效率高，這是基礎(chǔ)；二是壓縮機(jī)進(jìn)行級(jí)間冷卻的級(jí)數(shù)多，級(jí)數(shù)越多，越接近等溫壓縮。等溫效率越高，設(shè)備越先進(jìn)，造價(jià)越高，成本回收期需要綜合考慮運(yùn)行成本和設(shè)備成本。多級(jí)離心壓縮機(jī)的等溫效率一般在65%～80%。

通過(guò)離心壓縮機(jī)的等溫功率Ws（W）、軸功率N（W）可計(jì)算出離心壓縮機(jī)整機(jī)的等溫效率ηis，計(jì)算公式見(jiàn)式（2）：

2.2.1 等溫功率的計(jì)算

等溫功率為理論計(jì)算值，可通過(guò)進(jìn)氣溫度Ti、進(jìn)氣壓力pi、排氣壓力po等參數(shù)計(jì)算，見(jiàn)式（3）：

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

2.2.2 軸功率的計(jì)算

（1）用焓差法算軸功率

離心壓縮機(jī)對(duì)氣體做功，轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w經(jīng)過(guò)葉輪壓縮后的焓值增量，氣體動(dòng)能的變化很小，可忽略。離心壓縮機(jī)的軸功率可通過(guò)氣體在離心壓縮機(jī)各級(jí)葉輪壓縮前后的焓值之差的和進(jìn)行計(jì)算。

已知?dú)怏w的溫度、壓力，查物性參數(shù)可得氣體在該狀態(tài)下對(duì)應(yīng)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(jīng)過(guò)該級(jí)葉輪氣體的質(zhì)量流量，即為離心壓縮機(jī)這級(jí)葉輪的軸功率，各級(jí)葉輪的軸功率之和即為多級(jí)離心壓縮機(jī)的軸功率，見(jiàn)式（4）。

式中：F為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積流量（m3/h）；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的密度（kg/m3）。

（2）用電機(jī)功率算軸功率

離心壓縮機(jī)的軸功率也可通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)的功率進(jìn)行計(jì)算，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的可根據(jù)電機(jī)功率計(jì)算，由蒸汽輪機(jī)或者燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的可根據(jù)相關(guān)驅(qū)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)計(jì)算，本文不展開(kāi)敘述。

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

3 影響離心壓縮機(jī)運(yùn)行效率的因素

3.1 運(yùn)行參數(shù)偏離設(shè)計(jì)工況

在離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)根據(jù)壓縮機(jī)預(yù)期進(jìn)氣溫度、壓力、流量和排氣壓力等運(yùn)行條件進(jìn)行其選型設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)工況下離心壓縮機(jī)運(yùn)行效率最高，運(yùn)行參數(shù)偏離設(shè)計(jì)工況后會(huì)造成離心壓縮機(jī)效率降低。

3.1.1 負(fù)荷率的影響

一般離心壓縮機(jī)效率最高點(diǎn)設(shè)計(jì)在100%負(fù)荷。由于生產(chǎn)需要離心壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，離心壓縮機(jī)負(fù)荷率越低，級(jí)的多變效率和整機(jī)等溫效率越低，如IGCC電廠增壓機(jī)負(fù)荷率由100%降至75%時(shí)，等溫效率降低5個(gè)百分點(diǎn)，造成單位能耗上升6.4%。

離心壓縮機(jī)負(fù)荷率可以由進(jìn)氣體積流量體現(xiàn)，進(jìn)氣參數(shù)偏離設(shè)計(jì)工況造成離心壓縮機(jī)效率降低，實(shí)際上是進(jìn)氣狀態(tài)對(duì)離心壓縮機(jī)氣動(dòng)性能的影響，氣體體積流量和氣體的溫度、壓力參數(shù)有關(guān)，在相同的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量下：溫度相同、壓力越高、密度越大，實(shí)際體積流量越?。粔毫ο嗤?、溫度越高、密度越小，實(shí)際體積流量越大。

運(yùn)行參數(shù)偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，應(yīng)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，盡量讓離心壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)參數(shù)下運(yùn)行。生產(chǎn)情況發(fā)生較大變化，造成離心壓縮機(jī)負(fù)荷率嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況的，應(yīng)對(duì)離心壓縮機(jī)進(jìn)行全面分析，對(duì)離心壓縮機(jī)進(jìn)行改造甚至更換來(lái)提高效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

應(yīng)用在變負(fù)荷條件下的離心壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮各種負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間占比，將離心壓縮機(jī)效率最高點(diǎn)落在合適的負(fù)荷率上，以期使離心壓縮機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在最佳效率點(diǎn)附近，在全壽命中能耗最低。

3.1.2 壓比的影響

離心壓縮機(jī)壓比降低會(huì)造成等溫效率顯著降低。離心壓縮機(jī)降壓運(yùn)行是導(dǎo)致效率降低的重要因素，降壓運(yùn)行時(shí)雖然能耗會(huì)有一定的降低，但是效率顯著下降，這種情況下應(yīng)考慮改造或更換離心壓縮機(jī)以提高效率，進(jìn)一步降低能耗。

離心壓縮機(jī)入口濾網(wǎng)堵塞、入口閥門(mén)開(kāi)度過(guò)小造成入口壓力降低，偏離設(shè)計(jì)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(jī)在小流量、高壓比工況下運(yùn)行有喘振風(fēng)險(xiǎn)，在大流量工況下運(yùn)行有滯止風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.3 進(jìn)氣溫度的影響

離心壓縮機(jī)的能耗和進(jìn)氣溫度成正比，進(jìn)氣溫度升高，離心壓縮機(jī)能耗升高，這時(shí)應(yīng)降低進(jìn)氣溫度。級(jí)間冷卻器冷卻效果不好會(huì)造成級(jí)間進(jìn)氣溫度高，離心壓縮機(jī)能耗升高，可以通過(guò)降低循環(huán)水溫度來(lái)降低氣體冷卻后進(jìn)入下一級(jí)前的溫度，或用物理、化學(xué)方法清洗級(jí)間冷卻器，提高傳熱系數(shù)，改善冷卻效果。

3.2 漏氣損失增大

離心壓縮機(jī)存在合理的漏氣損失，漏氣損失越小，整機(jī)等溫效率越高。但是合理漏氣有其正常的泄漏量，設(shè)備存在缺陷會(huì)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(jī)存在漏氣，導(dǎo)致進(jìn)氣量增大，能耗升高。

3.2.1 級(jí)間漏氣

由于離心壓縮機(jī)動(dòng)靜間隙的存在，氣體會(huì)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(huì)升高，葉輪出口壓力降低，葉輪級(jí)的效率降低，離心壓縮機(jī)整機(jī)效率降低。設(shè)備精密度越高，動(dòng)靜間隙越小，級(jí)間漏氣損失越小。拆檢離心壓縮機(jī)發(fā)現(xiàn)葉輪間隙增大時(shí)，需要更換級(jí)間密封[3]。

3.2.2 軸封泄漏

離心壓縮機(jī)軸封也有合理的漏氣量。軸封漏氣可使氣體通過(guò)潤(rùn)滑油回油管至潤(rùn)滑油箱，若漏氣量增大，會(huì)造成潤(rùn)滑油箱負(fù)壓降低，導(dǎo)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(jī)軸封漏氣量增大，會(huì)使整機(jī)等溫效率降低，末級(jí)和入口壓力高于大氣壓的首級(jí)多變效率下降。齒輪型多軸離心壓縮機(jī)軸封漏氣量增大，會(huì)使整機(jī)等溫效率和軸封損壞的級(jí)的多變效率降低。軸封損壞導(dǎo)致泄漏量增大的應(yīng)更換軸封。

3.2.3 閥門(mén)內(nèi)漏

離心壓縮機(jī)放空閥、回流閥等所有閥門(mén)有泄漏等級(jí)，存在合理的泄漏量。閥門(mén)由于密封面沖刷、磨損等原因造成內(nèi)漏，或由于定位器、閥門(mén)限位、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等存在缺陷造成內(nèi)漏，都是不正常的，需要在合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行消缺處理。閥門(mén)內(nèi)漏會(huì)導(dǎo)致離心壓縮機(jī)整機(jī)等溫效率下降。常溫氣體的閥門(mén)內(nèi)漏有明顯的節(jié)流效應(yīng)，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(mén)內(nèi)漏。高溫氣體的閥門(mén)內(nèi)漏由于氣體的熱傳導(dǎo)會(huì)使閥門(mén)變熱。

3.2.4 靜設(shè)備泄漏

離心壓縮機(jī)管道、法蘭等存在漏點(diǎn)時(shí)，壓縮氣體漏到大氣中會(huì)造成離心壓縮機(jī)等溫效率下降。若漏點(diǎn)明顯，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可察覺(jué)到，也可以借助聲波查漏工具排查漏點(diǎn)，位置明確后應(yīng)設(shè)法消除漏點(diǎn)。離心壓縮機(jī)氣體冷卻器泄漏時(shí)，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(jī)整機(jī)等溫效率下降，應(yīng)盡快消除冷卻器漏點(diǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

壓縮機(jī)是化工行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一，尤其是大型的多級(jí)離心壓縮機(jī)，在全廠能耗里占有較大比重，提高離心壓縮機(jī)運(yùn)行效率是改善運(yùn)營(yíng)效益的重點(diǎn)。壓縮機(jī)在長(zhǎng)年運(yùn)行后由于設(shè)備老化、運(yùn)行方式調(diào)整、用戶(hù)需求改變等，效率勢(shì)必逐漸下降，甚至大幅偏離設(shè)計(jì)工況，探討分析影響運(yùn)行效率的因素，再權(quán)衡成本對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行改造或更換是節(jié)能降耗必不可少的項(xiàng)目。