二氧化碳壓縮機(jī)組氣動性能試驗探究

邢明磊 張瑞 史吉隆(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110869)

0 引言

尿素合成的原料是氨和二氧化碳，主要分為兩步進(jìn)行：①氨與二氧化碳作用生成氨基甲酸銨(簡稱甲銨)；②甲銨脫水生成尿素，其反應(yīng)式為：

① 2NH3+CO2→NH2COONH4+159.47kJ

② NH2COONH4→CO(NH2)2+H2O-28.49kJ。

其中CO2通過分離器后進(jìn)入二氧化碳壓縮機(jī)入口，經(jīng)過壓縮機(jī)的加壓和分離罐的脫硫脫氫，將CO2增壓至140MPa(A)以上，送到尿素合成塔，尿素裝置中二氧化碳壓縮機(jī)組入口壓力大約在0.13MPa(A)左右，出口壓力大約為15MPa(A)左右，機(jī)組本身具有壓比高、壓差大、溫度高、轉(zhuǎn)速高等特點，該類壓縮機(jī)多使用為多缸、多段、多級的形式進(jìn)行設(shè)計，為了保證壓縮機(jī)組可以在用戶現(xiàn)場長期穩(wěn)定運行，在壓縮機(jī)制造廠進(jìn)行氣動性能試驗有很大的意義。

1 氣動性能試驗的意義

壓縮機(jī)氣動性能試驗是壓縮機(jī)廠檢驗自身壓縮機(jī)組生產(chǎn)制造工藝是否滿足用戶氣動性能要求所進(jìn)行的模擬試驗，也是用戶對壓縮機(jī)組在投產(chǎn)前進(jìn)行的考核，通過對壓縮機(jī)組的流量、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測量與計算，檢測壓縮機(jī)的(流量、能量頭、功率、效率)等熱力學(xué)性能指標(biāo)，目的是考核壓縮機(jī)是否滿足API617—2014《石油、化學(xué)和氣體工業(yè)用軸流、離心壓縮機(jī)及膨脹機(jī)-壓縮機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)要求，證明壓縮機(jī)設(shè)計和制造水平的可靠性，為用戶提供可靠的壓縮機(jī)組。

2 壓縮機(jī)設(shè)計參數(shù)復(fù)算

以某化肥裝置中二氧化碳壓縮機(jī)為例，壓縮機(jī)入口壓力為0.1275MPa(A)，出口壓力為15.206MPa(A)，總壓比119.26。壓縮機(jī)按照兩缸、四段進(jìn)行設(shè)計。首先將設(shè)計參數(shù)進(jìn)行復(fù)算，復(fù)算結(jié)果見表1。

表1 設(shè)計參數(shù)復(fù)算表

3 試驗參數(shù)確定

3.1 試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

ASME PTC10—1997《壓縮機(jī)和排氣機(jī)試驗規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有兩種試驗型式，Ⅰ型試驗是用設(shè)計狀態(tài)的氣體所做的性能試驗，并且性能試驗參數(shù)(如轉(zhuǎn)速、進(jìn)口壓力、進(jìn)口溫度等)與壓縮機(jī)的設(shè)計參數(shù)差別極小。借此用于考核壓縮機(jī)流量、功率、出口壓力等。

在不能滿足第Ⅰ類試驗的條件下ASME PTC10—1997《壓縮機(jī)和排氣機(jī)試驗規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了Ⅱ類型試驗，Ⅱ型試驗采用相當(dāng)于一個用不同測試氣體(二氧化碳、氮氣、R134a、空氣等)或不同于設(shè)計運轉(zhuǎn)條件的試驗。

即試驗氣體或運轉(zhuǎn)條件與設(shè)計不同的試驗，但是必須滿足試驗條件與設(shè)計運轉(zhuǎn)條件之間允許的偏差范圍。

ASME PTC10—1997標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Ⅱ類型試驗，試驗運轉(zhuǎn)條件與設(shè)計運轉(zhuǎn)條件之間參數(shù)允許偏差值如表2所示。

表2 試驗值允許偏差范圍

3.2 試驗參數(shù)

本裝置二氧化碳壓縮機(jī)采用第Ⅱ類型試驗。具體試驗參數(shù)見表3。

表3 壓縮機(jī)試驗參數(shù)

根據(jù)以上計算結(jié)果分析，以CO2為氣體進(jìn)行的試驗，滿足ASME PTC10—1997《壓縮機(jī)和排氣機(jī)試驗規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)的相似條件，試驗壓力和溫度不超過壓縮機(jī)最大允許的壓力和溫度、試驗的轉(zhuǎn)速不超過壓縮機(jī)安全運行轉(zhuǎn)速，在此條件下的性能試驗，將會得到可靠的試驗結(jié)果。

4 試驗方法及結(jié)果

4.1 測點的布置

進(jìn)、出氣試驗管路上應(yīng)分別設(shè)有供測量壓力和溫度的測量孔，在管路指定的同一截面壁上，沿圓周方向均布鉆4個孔。

壓力、溫度測點位置嚴(yán)格按照ASME PTC10-1997《壓縮機(jī)和排氣機(jī)試驗規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)布置，流量孔板嚴(yán)格按照孔板安裝要求進(jìn)行安裝。

4.2 測量參數(shù)

氣動性能試驗按ASME PTC10—1997標(biāo)準(zhǔn)采用閉式回路試驗方法。觀測并記錄的數(shù)據(jù)主要包括：進(jìn)口壓力、出口壓力，進(jìn)口溫度、出口溫度，流量(壓差)，上游壓力，上游溫度，轉(zhuǎn)速等。

4.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

(1)全面應(yīng)用計算機(jī)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時記錄，有助于獲得準(zhǔn)確、可靠的試驗數(shù)據(jù)，有利于試驗過程中出現(xiàn)問題的分析。

(2)采集系統(tǒng)的構(gòu)建：通過現(xiàn)場轉(zhuǎn)速、溫度、差壓、壓力傳感器將物理信號轉(zhuǎn)換到電信號，通過現(xiàn)場PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的電信號通過數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，排除現(xiàn)場各種電信號的干擾，從而得到準(zhǔn)確測試數(shù)據(jù)，將電信號轉(zhuǎn)換到數(shù)字量進(jìn)行記錄，從而得到準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)。

4.4 試驗程序

(1)氮氣打壓，高于試驗條件下的最高壓力，檢查系統(tǒng)密閉性能。

(2)置換氣體：試驗前需對管路內(nèi)氣體進(jìn)行置換，保證試驗氣體純度。

(3)試驗前和試驗期間用氣相色譜分析儀進(jìn)行管路取樣成份分析。

(4)確認(rèn)機(jī)組正常平穩(wěn)運轉(zhuǎn)30分鐘后，經(jīng)檢查證明機(jī)械運轉(zhuǎn)和測量儀表正常后，進(jìn)入氣動性能試驗。

(5)在保證進(jìn)口條件下，用出口閥來調(diào)節(jié)工況，工況點包括滯止流量點、設(shè)計點和喘振點等五個工況。

(6)其中最小流量工況為喘振工況，通過改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，對不同轉(zhuǎn)速情況下進(jìn)行喘振點測試，進(jìn)而確定其喘振線。

(7)試驗完畢將出口調(diào)節(jié)閥門打開，并緩慢打開放空閥，并停機(jī)。

4.5 試驗結(jié)果

通過對進(jìn)口壓力、出口壓力，進(jìn)口溫度、出口溫度，流量(壓差)，上游壓力，上游溫度，轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測量。按照ASME PTC10—1997《壓縮機(jī)和排氣機(jī)試驗規(guī)程》進(jìn)行換算考核。性能試驗曲線見圖1。

圖1 性能試驗曲線

5 結(jié)語

通過對大型尿素生產(chǎn)裝置二氧化碳壓縮機(jī)在制造廠內(nèi)性能試驗的測試，不僅驗證了壓縮機(jī)設(shè)計和制造水平的可靠性，有效的降低了能源浪費和停車率，同時也保證了壓縮機(jī)組的長期安全穩(wěn)定運行。