氨壓縮機采用空氣試車的可行性分析

董金國

（貴州開陽化工有限公司，貴州 開陽 550300）

貴州開陽化工有限公司氨壓縮機為沈陽鼓風機廠產品，主要由 MCL907與2MCL907離心壓縮機、驅動汽輪機、氣體冷卻器及潤滑油站等組成。壓縮機由三段十四級組成，軸端密封采用干氣密封。原動機為杭州中能汽輪機廠產品，壓縮機與汽輪機之間采用膜片聯軸器聯接。

壓縮機參數如下：

型號 MCL907＆2MCL907

吸入溫度 －33℃

進口流量 51437m3／h

吸入壓力 0.068MPa（絕壓，下同）

排出壓力 1.697MPa

軸功率 7934kW

主軸轉速 5833r／min（正常）

汽輪機技術參數：

型號 N50／01

進汽溫度 400℃

進汽流量 42000kg／h（額定）

進汽壓力 3.6MPa

排汽壓力 0.017MPa

額定功率 9702kW

額定轉速 5936r／min

壓縮機工藝氣流程如圖1所示。

從凈化界區來的氣氨（0.068MPa、溫度－33℃、流量51437m3／h）進入一級入口分離器分離，氣氨進入壓縮機的一段壓縮。出一段壓力升至0.407MPa，經一段出口冷卻器冷卻后與閃蒸分離罐來的閃蒸氣（壓力0.4MPa、溫度－2℃、流量7892m3／h）混合后進入二段壓縮，壓力升至0.76MPa，再經二段出口冷卻器冷卻至40℃進入三段壓縮，壓力升至1.697MPa。最后經三段冷卻器冷卻，再進入冷凝器冷凝，大部分氣氨被冷凝成液氨，進入液氨貯罐。液氨再經減壓閥減壓閃蒸后，進入省功器，從省功器出來的液氨溫度為－2℃、壓力為0.4MPa，送往凈化界區，閃蒸后的氣氨送至閃蒸分離罐。

壓縮機安裝后由于沒有液氨，考慮采用空氣試車。兩種工作介質物性參數比較如表1。

表1 物性參數對比

圖1 壓縮機工藝氣流程圖

由于分子量和多變指數的不同，造成排氣溫度和排氣壓力也不同。要保證這兩項指標在可接受的范圍內，就要對整個壓縮過程進行分析。為此，我們進行認真研究，確認過程如下。

1 空氣壓縮后會不會產生冷凝水

空氣壓縮后，一方面由于總壓升高，空氣中的水蒸氣分壓隨之升高，若水蒸氣分壓達到相應溫度下的飽和蒸汽壓，將會有水分析出，危及壓縮機的安全運行。另一方面，空氣在壓縮過程中，溫度也會升高，水的飽和蒸汽壓也會升高，水的蒸發趨勢顯著。最終會不會產生冷凝水，可通過下式計算確定：

式中：

ΔT實際——壓縮后氣體溫度，K；

T1——進氣溫度，K；

p1——進氣壓力，kPa；

p2——排氣壓力，kPa；

ηis——多變效率，取0.8；

k——多變指數。

取貴州當地大氣壓87.5kPa，空氣溫度5℃，飽和水蒸氣分壓為0.8725kPa，相對濕度經檢測為90%，則空氣中水蒸氣實際分壓為0.7852kPa，空氣中水蒸氣含量為0.9%，其余組分N278%，O221.1%。空氣壓縮前后的溫度壓力變化如表2。

表2 空氣壓縮前后的溫度壓力

從以上計算結果來看，隨著排氣壓力的升高，排氣的露點溫度也在升高，但升高的幅度遠遠低于排氣溫度升高幅度，也就是排氣的水蒸氣飽和度越來越低，水凝結的可能性越來越小。空氣中的水不會在壓縮機內冷凝。

隨著壓縮過程的進行，排氣溫度也在升高。從表2可以看出，當排氣壓力達到300kPa時，排氣溫度已達146℃。一段壓縮排氣壓力可控制在280kPa，以防止排氣溫度過高造成事故。

一段排氣進入一段水冷器，應控制冷卻后的氣體溫度不低于22℃，以免形成液態冷凝水進入二段壓縮。試車過程中可以控制循環水量，來保證冷卻后溫度。因為在一段水冷器后沒有水分離器，冷凝水只能通過導淋排出，如果排放不及時，會對壓縮機二段有所損害。

二段從0.28MPa、30℃開始壓縮，相應的機內溫度與對應的飽和溫度如表3。

表3 二段壓力、溫度及對應的飽和溫度

壓縮機二段出口氣體經二段冷卻器后，入水分離器，分離掉冷凝水后，進入三段壓縮。由于二段出口氣體在排氣壓力下露點已達30℃，而且由于循環水溫度較低，出二段冷卻器后的氣體已含有液態冷凝水，經過分離器后，即使把生成的冷凝水全部分離掉，也必然是飽和了水蒸氣的空氣，在機內也有冷凝的可能，可以通過計算確認這種可能性，見表4。

表4 三段壓力、溫度及對應的飽和溫度

結果同樣表明，隨著壓縮的進行，氣體越來越遠離飽和溫度。

上述計算表明，當地氣壓87.5kPa，溫度5℃、相對濕度90%的空氣在壓縮過程中不會產生冷凝水，在這一點上，可以說，壓縮空氣是安全的。

2 排氣溫度的限制

空氣的主要成分為N2、O2，均為雙原子氣體，而正常運行的工質為氣氨，是四原子氣體，兩者之間的絕熱壓縮指數相差較大。設計工況下，氨氣在壓縮過程中的參數變化如表5。

表5 氨在壓縮過程中的參數變化

當地大氣壓0.0875MPa，如果同樣壓縮到0.407MPa，那么壓縮后的溫度將達到190℃，這顯然是不允許的。要避免一段壓縮出口溫度過高，必須降低排氣壓力。通過計算，排氣壓力降到0.3MPa時，排氣溫度可降低到146℃，基本滿足要求。

計算要達到0.3MPa出口壓力，所需的多變能量頭。

式中：

hp——多變能量頭；

從錢幣之路形成的背景和條件來看，錢幣的流動乃是中外經濟文化交流的產物。錢幣主要是伴隨著中外經濟貿易關系的發展而作為國際貨幣流動到異國的，并在異國繼續作為貨幣流通。如中國宋代銅錢在日本和東南亞就曾經作為主要貨幣在其國內流通使用。又如波斯薩珊王朝的銀幣和拜占庭金幣，既是中亞一帶的國際貨幣，又曾經在我國西北部分區域作貨幣使用。再如東南亞、南亞貝幣，也曾在我國云南作為主要貨幣流通過。

m——多變指數；

T——吸氣溫度；

M——分子量；

pd——排氣壓力；

ps——吸氣壓力。

在設計工況下，被壓縮介質為氣氨，在低壓段壓縮，各參數如下：

m＝1.3

T＝240K

pd＝0.407

ps＝0.068

M＝17

將上述數值代入（2）式中，得到

hp＝26610N·m／kg

根據（2）式計算空氣從0.0875MPa、5℃壓縮到0.30MPa，需要的多變能量頭為12012N·m／kg。又因為對于壓縮機來說，多變能量頭與葉輪轉速的平方成正比，如下式：

式中：

h——壓縮機能量頭，N·m／kg；

ψ——常數，0.45～0.68；

U——壓縮機葉輪輪周速度，m／s；

g——重力加速度，kg·m／s2。

從（3）式可得：

壓縮機的輪周速度與轉速成正比。又因為在正常工況下，氨壓縮機的轉速為5833r／min，所以壓縮空氣所需要的轉速可根據（4）式計算得到，為3920r／min。

由于汽輪機與壓縮機各段采用直聯的方式，沒有增速箱，因此三段壓縮都只能采取同一轉速，以最低轉速運行。

二段壓縮進口壓力假定為0.28MPa（考慮一段排氣溫度限制和管路阻力），又知道氨壓縮機二段的多變能量頭在正常工況下為11253N·m／kg，根據（3）式，壓縮機的多變能量頭在3920r／min時只能達到5079N·m／kg。根據公式（2）以3920r／min轉速運行，在壓縮空氣時，進口壓力為0.28MPa的情況下，反算二段出口壓力pd＝0.48MPa。排氣溫度97℃。

三段壓縮進口壓力假定為0.45MPa（考慮管路阻力），又知道氨壓縮機三段在正常工況時的多變能量頭為13880N·m／kg，在3920r／min時只能達到6266N·m／kg，根據公式（2）反算，得pd＝0.86MPa。排氣溫度112℃。

由以上計算及分析結果來看，壓縮機控制在3920r／min，可以保證各段排氣溫度不超標。

根據壓縮機使用說明書，低壓缸的一階臨界轉速為2571r／min，二階臨界轉速為8039r／min；中壓缸和高壓缸一階臨界轉速為3478r／min，二階臨界轉速為12847r／min。

壓縮機運行在3920r／min，與臨界轉速有足夠的安全距離。

3 所需軸功率

總能量頭為三段能量頭之和，經計算約23000N·m／kg，又因為

式中：

G——某工況時的質量流量，kg／h；

n——某工況下的轉速，r／min；

n0——原工況時的轉速，r／min；

γ入——某工況時介質密度，kg／m3；

γ入0——原工況時介質密度，kg／m3；

G0——原工況時質量流量，kg／h。

上式表明，在變工況情況下，壓縮機的質量流量與轉速成正比，與介質密度成正比。由于本壓縮機為三段串聯，各段流量相等，計算第一段流量即可。

n＝3920r／min

n0＝5833r／min

γ入＝1.18kg／m3

γ入0＝0.51kg／m3

G0＝45000kg／h

代入（5）式，得

G＝60809kg／h

軸功率計算公式如下：

將h＝23000N·m／kg，G＝60809kg／h，η＝0.8代入（6）式，得N＝5020kW。而汽輪機最大功率為8078kW，可以滿足要求。

4 防喘振控制

喘振本質上是因為進入壓縮機的流量不足以使壓縮機產生足夠的壓力，以至于外部系統（外部管路）的壓力大于壓縮機內部的壓力，導致壓縮機出口止逆閥關閉，這時，壓縮機沒有輸出，空氣在壓縮機內部積累，壓力不斷增加，直到積蓄的壓力大于外部系統的壓力時，壓縮機內部壓力沖開逆止閥排出。氣體排出后由于沒有足夠的氣體使壓縮機維持連續的輸出，壓縮機內部壓力下降，逆止閥關閉，空氣重新在空壓機內部積累，直到積累的壓力足夠時，再次排出。如此反復，導致輸出的壓力和電機負荷劇烈波動、止逆閥頻繁動作，機器發出異常的聲音，這種現象就叫喘振。

從以上分析來看，喘振是由于壓縮機排氣壓力和管網背壓相對大小交替變化。如果壓縮機出口直接排空，那么排氣壓力始終大于管網背壓，壓縮機就不會發生喘振。但這時要注意防止阻塞工況的出現。在空負荷試車后，可以把氨壓縮機三段進出口管道都拆開，各段不再串聯，分別吸氣和排氣，進行部分負荷試車。

部分負荷試車后，可將各段壓縮機進出口管道連接，進行帶負荷試車，此時各段防喘振控制回路投入使用。在此之前，須聯系制造廠提供空氣工況防喘振控制曲線。

可變轉速壓縮機的基本喘振特性如下：

上式表明壓縮機的喘振流量與轉速成正比，即轉速越高，喘振流量越大。如果制造廠不能提供空氣試車特性曲線，也可以通過喘振試驗根據（7）式來計算確定轉速和喘振流量的關系，或者通過（8）式確定喘振條件下壓縮比和轉速的關系

式中，H＝p2／p1，即壓縮比

從而制定出空氣試車情況下防喘振的控制方案。

由于空氣開車，將壓縮機入口管短節卸掉，通過入口過濾器吸入空氣，因此有充足的氣量保證，喘振的危險性和正常生產相比并沒有增加。

5 試車時的密封問題

空氣試車時，軸端密封可采用試車密封。試車密封為迷宮式密封，試車時通入隔離氣防止潤滑油進入壓縮機。隔離氣采用普通壓縮空氣即可。

6 結 語

通過以上分析可知，我公司MCL907＋2MCL907離心式氨壓縮機用空氣試車是完全可行的，但試車過程中除正常的監控外，還要特別注意轉速、排氣溫度等參數。由于各段壓縮后只有冷卻器，沒有分離器，所以要控制出冷卻器的氣體溫度高于露點。為了壓縮機的運行安全，除了控制冷卻溫度外，還要加強導淋冷凝水排放。

上述分析僅針對工質改變對操作的影響。實際試車過程中，有關汽輪機驅動離心壓縮機其他操作注意事項同樣要遵照執行。

只要做好了試車的各項技術準備，用空氣代替氨氣進行試車是可行的。

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