機(jī)組變工況運(yùn)行分析

　　1.工況分析
　　機(jī)組的變工況運(yùn)行與正常范圍內(nèi)的參數(shù)變化運(yùn)行是不同的。機(jī)組運(yùn)行中的參數(shù)變化主要來自反應(yīng)崗的控制信號(hào)，即PRCA1201／A調(diào)節(jié)器的輸出變化。而富氣壓縮機(jī)入口參數(shù)如溫度、壓力主要由分餾塔頂部溫度、壓力及分餾塔到機(jī)組之間的工藝管線和冷換設(shè)備的溫度降、壓力降所決定。機(jī)組壓縮機(jī)的原設(shè)計(jì)工況與變工況的參數(shù)對(duì)比見表2。

表2　機(jī)組壓縮機(jī)原設(shè)計(jì)與變工況參數(shù)對(duì)比

圖1　葉柵入口速度圖

　　當(dāng)壓縮機(jī)入口流量Q減少、沖角增大到一定程度時(shí)，沿葉片的非工作面將發(fā)生氣流脫離現(xiàn)象。由于實(shí)際葉柵中各葉片的幾何參數(shù)、工作條件不會(huì)完全相同，實(shí)際流動(dòng)的氣流也非完全軸對(duì)稱。因此，這種氣流脫離現(xiàn)象并非同時(shí)產(chǎn)生于所有的葉片槽道中，而是在某一個(gè)或某幾個(gè)葉柵中產(chǎn)生。假設(shè)氣體繞流葉柵時(shí)3號(hào)葉片首先失速，由于其葉柵槽道堵塞，流向葉片2上的氣流沖角增大，致使此葉片非工作面失速。而流向4號(hào)葉片上的氣流沖角減小，因此4號(hào)葉片不會(huì)失速。3號(hào)葉片葉背上失速的結(jié)果使槽道的有關(guān)寬度減小，流量減少，迫使流向葉片3的氣流向相鄰兩側(cè)的葉片2和4流動(dòng)，從而進(jìn)一步增大葉片2 的氣流沖角，減小3號(hào)葉片的沖角，結(jié)果2號(hào)葉片的失速趨勢(shì)加劇，3號(hào)葉片的失速趨于緩和。從整體上觀察，相當(dāng)于失速由3號(hào)葉片轉(zhuǎn)移到2號(hào)葉片。這種失速將沿著葉片的升力方向在葉柵中移動(dòng)，即形成旋轉(zhuǎn)失速。失速可發(fā)生在一個(gè)葉片，也可發(fā)生在幾個(gè)葉片甚至十幾個(gè)葉片。失速區(qū)沿葉高旋轉(zhuǎn)分離的產(chǎn)生和不斷擴(kuò)展，就有可能引起壓縮機(jī)的另一種不穩(wěn)定工況，即喘震。
　　 由旋轉(zhuǎn)失速引起的流量變化達(dá)到壓縮機(jī)的流量最小值時(shí)，壓縮機(jī)和管路中全部氣體流量和壓力將周期性地低頻率、大振幅上下波動(dòng)。這種氣流脈動(dòng)一旦產(chǎn)生，整個(gè)壓縮機(jī)的連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)將被徹底破壞，隨之而來是機(jī)組的震動(dòng)和異音，即發(fā)生喘震。
　　流量小會(huì)引起旋轉(zhuǎn)失速和喘震，而當(dāng)流量沿著等轉(zhuǎn)速線增大時(shí)速度在Z方向的分量C_1Z增大，氣流相對(duì)速度W₁的馬赫數(shù)M_W1將隨之增大，流入工作輪葉柵的負(fù)沖角也增大。當(dāng)流量接近壓縮機(jī)最大流量時(shí)，M_W1有可能達(dá)到最大馬赫數(shù)。如圖2所示，此時(shí)工作葉輪葉柵進(jìn)口最小截面F_min上的平均氣流速度將達(dá)到音速W_Fmin=Am/s, M_WFmin=1; Q=Q_max, 即發(fā)生“堵塞”。

圖2　工作葉輪葉柵進(jìn)口“堵塞”特征圖

　　2.變工況對(duì)機(jī)組性能曲線的影響
　　(1)轉(zhuǎn)速改變對(duì)機(jī)組性能曲線的影響　對(duì)于汽輪機(jī)拖動(dòng)的機(jī)組來說，利用改變汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速從而改變壓縮機(jī)的工作點(diǎn)，即改變壓縮機(jī)的工況，是容易做到的。改變汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速可以得到許多工況。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，有

　　(1)

ε₀＝σ［1＋（N₀／N）（ε－1）］　　(2)

η₀＝（N₀／N）η　　(3)

ε₀－1≌N₀／N（ε－1）　　(4)

式中　Q₀——當(dāng)轉(zhuǎn)速為N₀時(shí)的流量，m³/s；
　　　ε₀——當(dāng)轉(zhuǎn)速為N₀時(shí)的壓比；
　　　σ——壓比修正系數(shù)；
　　　N——機(jī)組轉(zhuǎn)速，r/min；
　　　η₀——當(dāng)轉(zhuǎn)速為N₀時(shí)的效率；
　　　η——當(dāng)轉(zhuǎn)速為N時(shí)的效率；
　　　Q——當(dāng)轉(zhuǎn)速為N時(shí)的流量，m³/s；
　　　ε——當(dāng)轉(zhuǎn)速為N時(shí)的壓比。
　　根據(jù)以上公式可知：當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速降低時(shí)，流量減小，壓比也相應(yīng)減少，相當(dāng)于p－Q曲線向左移動(dòng)，使機(jī)組的穩(wěn)定工況區(qū)增大。圖3為不同轉(zhuǎn)速的p－Q曲線。因此采取降低機(jī)組轉(zhuǎn)速的方法來達(dá)到改變機(jī)組運(yùn)行工況是安全、可行的。

圖3　機(jī)組不同轉(zhuǎn)速的p－Q曲線
1—5870r/min；2—6708r/min；3—7547r/min；4—8070r/min;5—8804r/min

　　(2)壓比改變對(duì)機(jī)組性能曲線的影響　壓比的改變除了改變轉(zhuǎn)速以外，還改變機(jī)組后部的工藝操作壓力。改變吸收塔的操作壓力相當(dāng)于改變壓縮機(jī)出口壓力，達(dá)到改變壓比的目的。吸收塔的操作壓力直接影響干氣的質(zhì)量。在滿足工藝要求和產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，降低吸收塔的壓力，可達(dá)到降低壓比的目的(見表2)。
　　煉油一分廠壓縮機(jī)共有6級(jí)，根據(jù)連續(xù)方程有

m=FρC_1z=FρC_2z=…=FρC_6z(5)

式中　m——質(zhì)量流量，kg/s；
　　　F——進(jìn)氣面積，m²；
　　　ρ——?dú)怏w密度，kg/m³。
　　由式(5)有

C_1z/C_6z＝F₆ρ₆/F₁ρ₁(6)

C_z為絕對(duì)速度在Z方向上的分量，m/s。下標(biāo)1～6代表壓縮機(jī)各級(jí)序號(hào)。
　　因?yàn)?a class=keylink href="http://www./" target=_blank>壓縮機(jī)各部件尺寸已定，所以有

F₁/F₆＝常數(shù)　　(7)

ρ₁/ρ₆＝常數(shù) 　　(8)

Φ=C_z/u　　(9)

u₁/u₆＝r₁/r₆＝常數(shù)　　(10)

C_1z/C_6z=(p_z/p₁)^1/n(11)

式中　Φ—流量系數(shù)；
　　　u——圓周速度，m/s；
　　　r——坐標(biāo)系徑向坐標(biāo)半徑，m；
　　　p——壓力，Pa。
　　假設(shè)改變工況時(shí)多變指數(shù)n為常數(shù)，則把式(7)、(8)、(9)和(10)代入式(6)有

　　(12)

　　由式(12)可知，當(dāng)機(jī)組壓比p₆／p₁減小，Φ₆／Φ₁將增大，相當(dāng)于I＜0 時(shí)I為氣流負(fù)沖角，進(jìn)入工作葉輪葉柵的β角增大(如圖4)，使機(jī)組運(yùn)行遠(yuǎn)離“旋轉(zhuǎn)失速”區(qū)。

圖4　速度矢量圖

　　根據(jù)文獻(xiàn)［1］，為保證壓縮機(jī)有足夠的安全裕度，原設(shè)計(jì)喘震點(diǎn)壓比必須大于工作點(diǎn)壓比。

(ε^*_SURG－ε^*₀)/ε^*₀＝12%～17％　　(13)

式中　ε^*_SURG——喘震點(diǎn)壓比；
　　　ε^*₀——設(shè)計(jì)點(diǎn)壓比。
　　由式(13)有：當(dāng)工作點(diǎn)壓比降低時(shí)比值將增大。由表2可知，實(shí)際工作點(diǎn)壓比比原工作點(diǎn)壓比降低了2.7。由此證明降低壓縮機(jī)的壓比會(huì)加大機(jī)組的穩(wěn)定工作區(qū)。
　　(3)溫度改變對(duì)機(jī)組性能曲線的影響　表2中富氣壓縮機(jī)原設(shè)計(jì)入口溫度為40℃，現(xiàn)在操作溫度為32℃。根據(jù)文獻(xiàn)［2］有

ε₂＝［T₁/T₂ (ε^m-1₁-1)+1］^m-1(14)

　　由式(14)可知，當(dāng)溫度降低時(shí)壓比增大，曲線變陡，相當(dāng)于該曲線左移，使穩(wěn)定工作區(qū)增大。壓比的降低不是無限度的，既要考慮工藝需要，又要考慮壓縮機(jī)的效率問題，因?yàn)閷?duì)于壓縮機(jī)本身來說，效率、壓比、流量有一個(gè)最佳相關(guān)值，機(jī)組的壓比不能小于4.8。
　　由式(12)可知，當(dāng)壓比增大時(shí)，Φ₆／Φ₁將減小，使機(jī)組的“失速”線右移，機(jī)組易進(jìn)入“旋轉(zhuǎn)失速”區(qū)。
　　3.變工況對(duì)能耗的影響
　　(1)壓比改變對(duì)能耗的影響　在保證工藝條件允許、干氣質(zhì)量合格，同時(shí)不降低壓縮機(jī)效率的前提下，可以適當(dāng)降低吸收塔的壓力，相當(dāng)于降低富氣壓縮機(jī)出口的壓力，從而降低壓比。由文獻(xiàn)［3］有

h=［m/(m-1)］z r t［ε^m-1/m－1］　　(15)

式中　h——能量頭，即單位質(zhì)量氣體在葉輪中獲得的能量，J/kg；
　　　r——?dú)怏w常數(shù)；
　　　t——?dú)怏w初始溫度，℃；
　　　ε——壓縮比；
　　　m——多變指數(shù)；
　　　z——壓縮性系數(shù)。
　　由式(15)可知,當(dāng)壓比ε降低時(shí)，能量頭h減小，汽輪機(jī)對(duì)壓縮機(jī)所做功也減少，從而達(dá)到節(jié)能之目的。
　　(2)轉(zhuǎn)速改變對(duì)能耗的影響　轉(zhuǎn)速的改變同樣要保證產(chǎn)品質(zhì)量合格、壓縮機(jī)效率不降低。根據(jù)文獻(xiàn)［3］有

(16)

式中　ε₀——初始設(shè)計(jì)壓比；
　　　n——汽輪機(jī)變工況后的轉(zhuǎn)速，r/min；
　　　n₀——汽輪機(jī)變工況前的轉(zhuǎn)速，r/min。
　　由式(15)可知，降低壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)壓比相應(yīng)減小。降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速就是降低汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，即減少其耗汽量，達(dá)到節(jié)能之目的。
　　(3)溫度改變對(duì)能耗的影響　對(duì)于工藝設(shè)備已定的裝置來說，改變壓縮機(jī)入口溫度只能改變工藝設(shè)備的換熱量。欲改變換熱量只能調(diào)節(jié)E1201A—F冷卻器和E1201A—L干濕聯(lián)合空冷器。加大E1201A—F、E1202A—L兩者的換熱量即可以降低壓縮機(jī)入口溫度。同樣由式(15)可知，降低壓縮機(jī)入口溫度可減少汽輪機(jī)的能耗。機(jī)組改變工況運(yùn)行前后汽輪機(jī)所用蒸汽對(duì)比見表3。

表3　機(jī)組改變工況前后汽輪機(jī)蒸汽耗量對(duì)比

結(jié)　束　語

　　筆者對(duì)富氣壓縮機(jī)的變工況運(yùn)行只是做了初步嘗試。在論述中未考慮汽輪機(jī)的運(yùn)行工況，主要原因是汽輪機(jī)的運(yùn)行工況是多變的，只要在汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)性能范圍內(nèi)變化，汽輪機(jī)即是安全的。
　　機(jī)組的變工況運(yùn)行對(duì)蒸汽參數(shù)的要求降低，從而減少了動(dòng)力車間的能耗，總體上能源的消耗也相應(yīng)降低。機(jī)組變工況運(yùn)行3個(gè)月，不計(jì)降低蒸汽參數(shù)帶來的效益，僅以每小時(shí)10t的蒸汽節(jié)能量計(jì)算，就獲經(jīng)濟(jì)效益12.96萬元。

侯曙光，工程師，生于1996年，1991年畢業(yè)于撫順石油學(xué)化機(jī)械系，現(xiàn)從事油催化裂化車間的設(shè)備管理工作。
侯曙光（錦州石油化工公司）

參　考　文　獻(xiàn)

1，樂志成，呂　燦.軸流壓縮機(jī).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980：138～146
2，王世厚.泵和壓縮機(jī).北京：中國石化出版社，1986：191～217
3，汪云瑛，張湘亞. 泵和壓縮機(jī).北京：石油工業(yè)出版社，1989：106～207