丙烷制冷壓縮機的補氣室結構改進設計研究

戚驥 潘晨光 常香珺

1.松下冷鏈（大連）有限公司 遼寧大連 116600

2.大連海爾空調器有限公司 遼寧大連 116600

關鍵字丙烷制冷壓縮機；補氣室；結構改進

1 引言

調查表明，大型離心壓縮機用電量占我國工業用電總量30～40%，提升離心壓縮機設計性能、運行效率的重要性可見一斑，為了實現這一目標，本文圍繞丙烷制冷壓縮機的補氣室結構改進設計開展具體研究。

2 丙烷制冷技術及工藝現狀

2.1 丙烷制冷技術

HFC、HCFC、天然工質為制冷劑替代的重點方向，丙烷屬于其中天然工質的代表。作為天然的制冷劑，丙烷具備對自然環境沒有危害、熱力學性能優秀等優勢，臭氧破壞潛能值（ODP）、全球變暖潛能值（GWP）均為0。在筆者的實際調研中發現，丙烷制冷劑早已在我國石油化工等領域實現廣泛應用。以應用于天然氣凝液回收的丙烷制冷技術為例，“膨脹制冷+輔助制冷（丙烷制冷）”的工藝形式可較好服務于油氣田冷凝分離法的應用，其中丙烷制冷技術在其中的應用可細分為淺冷回收法、深冷回收法，兩種方法的應用必須權衡輕烴回收率和裝置能耗關系，由此方可合理選擇工藝參數[1]。

2.2 丙烷制冷工藝及現狀

丙烷制冷技術實質上屬于液體相變制冷，圖1為其典型制冷工藝簡圖及壓焓圖，但在筆者的實際調研中發現，機組運行時制冷系數變化差別較大、自然冷源未得到有效利用的情況在我國極為常見，丙烷制冷技術的效用發揮因此受到了較為負面影響，而為了盡可能化解這種影響，便需要進行工藝的改進設計。

3 丙烷制冷壓縮機的補氣室結構改進設計

結合工程實踐，可確定丙烷制冷壓縮機在第二級葉輪和第三級葉輪間有一次加氣，該部位因此需要進行補氣室結構設計，該設計的目的是為了降低加氣損失，整個丙烷制冷系統的整體性能也會因此受到較為積極影響。因此，筆者結合圖2（左）所示的丙烷制冷壓縮機改進前的補氣結構，結合該圖開展分析不難發現，改進前的丙烷制冷壓縮機補氣室結構屬于典型的傳統補氣結構，圖2（右）則為改進后的丙烷制冷壓縮機補氣室結構。對比改進前的補氣結構、改進后的結構不難發現，改進后的丙烷制冷壓縮機加氣室結構的加氣口更靠近前一級葉輪回流器出口，改進前的丙烷制冷壓縮機加氣室結構則更靠近下一級葉輪進口。深入分析不難發現，回流器在丙烷制冷系統中發揮著改變氣流方向的作用，葉輪則屬于丙烷制冷壓系統中氣體做功部件，由此圍繞改進后的丙烷制冷壓縮機補氣室結構設計開展分析不難發現，改進后的設計使得回流器與加氣口的距離大幅縮短，氣流在進入下一級葉輪前將實現均勻混合，下一級葉輪損失減少、丙烷制冷壓縮機效率提升均將由此實現[2]。

4 數值模擬

4.1 模擬思路

為明確丙烷制冷壓縮機補氣室結構改進設計帶來的影響，需進行相鄰兩級及補氣室的整體三維流場數值模擬，這一模擬是為了對比補氣室改進前后丙烷制冷壓縮機、丙烷制冷系統性能受到的影響。具體來說，數值模擬需圍繞丙烷制冷壓縮機的第二級、第三級、補氣室結構展開，但由于環形補氣室上的壓縮機客體存在補氣孔，這就使得丙烷制冷壓縮機補氣室的補氣結構并非軸向均勻的幾何體，周期性單通道在這種情況下無法滿足流場的研究需要，而為了在這種情況下準確把握丙烷制冷壓縮機性能、流場受到的補氣室結構變化影響，必須開展包括補氣室、相鄰兩級的整場網格建立，并以此進行數值模擬。在具體的模擬過程中，假設丙烷制冷壓縮機環形補氣室均勻補氣，由此開展丙烷制冷壓縮機變工況流場時的計算，計算采用單通道流場計算[3]。

4.2 網格劃分

在基于丙烷制冷壓縮機補氣室結構改進設計帶來影響的數值模擬中，需首先進行丙烷制冷壓縮機補氣室結構的三維建模，這一建模需使用Solid works工程軟件，第二級、補氣室結構、第三級的整場流場計算網格的生成則需要得到Autogrid5的支持，由此即可得出第二級、補氣室結構、第三級的整場三維模型圖，以及第二級、補氣室結構、第三級的整場網格模型。

4.3 結果分析

在獲取第二級、補氣室結構、第三級的整場三維模型圖，以及第二級、補氣室結構、第三級的整場網格模型后，即可使用FINE軟件進行網格的加載，并同時進行條件設置，由此即可真正開展丙烷制冷壓縮機補氣室結構改進設計性能模擬計算。在具體的丙烷制冷壓縮機補氣室結構改進設計性能模擬計算中，計算需分別圍繞改進前的丙烷制冷壓縮機補氣室結構與改進后結構展開，并分別進行相鄰兩級流場模擬計算，由此可確定改進前丙烷制冷壓縮機加氣室結構的損失為6449Pa，改進后的損失則為1048Pa，由此可直觀發現丙烷制冷壓縮機補氣室結構改進設計所取得的優秀成果，加氣室損失的下降也使得改進后的丙烷制冷壓縮機補氣室結構溫度出現了一定下降，進入第三級葉輪的氣流也因此變得更為均勻，這使得丙烷制冷壓縮機第三級的效率提高了5.32%。

圖1 典型丙烷制冷工藝簡圖及壓焓圖

圖2 改進前的補氣結構（左）、改進后的補氣結構（右）

對比改進前、改進后丙烷制冷壓縮機加氣室留道子午相對速度分布不難發現，改進后的丙烷制冷壓縮機補氣室結構的第三級葉輪內流動較為均勻，這種均勻性較改進前的第三級葉輪內流動存在明顯優勢，這同樣能夠證明改進后丙烷制冷壓縮機第三級效率更高；而進行改進前后丙烷制冷壓縮機加氣室縱剖面流動情況的對比不難發現，改進前的丙烷制冷壓縮機加氣室縱剖面流動情況不容樂觀，存在的較大漩渦對加氣室兩側造成了極為負面的影響，速度變化大也使得第二級回流器出來的氣流與丙烷制冷壓縮機加氣室加進的氣流混合極為不均勻，這種混合的不均勻導致丙烷制冷壓縮機第三級葉輪進口處的氣體損失增大，改進前丙烷制冷壓縮機第三級葉輪的效率因此偏低，但改進設計后上述問題基本得到了解決，丙烷制冷壓縮機第三級葉輪進口處的氣體損失因此大幅減少，第三級葉輪效率也因此實現了長足提升。

5 丙烷制冷流程模擬

5.1 模型建立

圖3 丙烷制冷模擬流程

為解釋丙烷制冷系統的內在運行規律，丙烷制冷流程模擬的開展具備較高必要性，而為了在實際生產中不影響丙烷制冷壓縮機正常運行，丙烷制冷流程模擬也可應用PRO/Ⅱ烴類工藝模擬軟件，該軟件由美國SimSci公司出品，圖3為應用該軟件的丙烷制冷模擬流程。結合丙烷壓縮制冷系統標定數據機數表不難發現，丙烷制冷系統的制冷劑流量、壓縮機排氣壓力、冷凝溫度、蒸發溫度、環境溫度、冷卻水流量、電機運行電流、電機運行電壓、電機功率因數、電機效率分別為12065kg/h、1436kPa、40.6℃、-34.7℃、28.5℃、214.7m3/h、53A、6300V、0.92、81%，而結合丙烷壓縮機標定核算結果不難發現，其輸入功率、軸功率、壓縮機效率、機組效率、有效制冷量、制冷系數分別為534.1kW、456.25kW、64%、58%、733kW、1.61。

5.2 具體模擬

應用PRO/Ⅱ烴類工藝模擬軟件的丙烷制冷模擬環節主要包括制冷系統物流成分選擇、制冷系統熱力學狀態方程選擇、標準計量單位選擇、使用物流線連接建立工藝流程圖、定義能力參數與物流狀態（流程單體設備）、定義觀察到的運行結果內容（物流線上）、運行操作（RUN指令），而在View Excel Result命令的支持下，技術人員可應用excel軟件進行換熱能力、做功能力、分子量、焓值、總摩爾組成、汽相摩爾組成、液相摩爾組成、總流量、液相流量、汽相流量、壓力、各物流、設備溫度等詳細結果的查看。對比主要操作點的實際參數與工藝運行參數不難發現，實際參數與模擬求得的工藝運行參數相差不大，如制冷劑丙烷模擬流程的循環質量為12065kg/h，實際流程的循環質量同樣為12065kg/h；丙烷壓縮機模擬流程的出口壓力、出口溫度分別為1438kPa與70℃其實際流程的出口壓力、出口溫度分別為1440kPa與70℃；模擬流程冷凝器出口壓力、出口溫度分別為1435kPa與40.8℃，其實際流程的出口壓力、出口溫度分別為1440kPa與-34.3℃；模擬流程蒸發器出口壓力、出口溫度分別為-116.6kPa與40.8℃，其實際流程的出口壓力、出口溫度分別為115kPa與-35℃，由此可確定PRO/Ⅱ烴類工藝模擬軟件的應用價值，物流工藝模擬質量也能夠由此得到證明，圍繞PRO/Ⅱ烴類工藝模擬軟件開展的更進一步丙烷制冷壓縮機改進設計則將成為筆者下一步研究的方向。

6 結論

綜上所述，丙烷制冷壓縮機的補氣室結構改進設計具備較高現實意義，在此基礎上，本文應用數值模擬CFD技術開展的數值驗證，則直觀證明了丙烷制冷壓縮機的補氣室結構改進設計能夠降低損失、提升加氣室流場理想程度，而為了更好發揮丙烷制冷技術的優勢，丙烷制冷系統的總體改造、各地廉價自然冷源的應用必須得到重點關注。