氨压缩机采用空气试车的可行性分析

董金国

（贵州开阳化工有限公司，贵州 开阳 550300）

贵州开阳化工有限公司氨压缩机为沈阳鼓风机厂产品，主要由 MCL907与2MCL907离心压缩机、驱动汽轮机、气体冷却器及润滑油站等组成。压缩机由三段十四级组成，轴端密封采用干气密封。原动机为杭州中能汽轮机厂产品，压缩机与汽轮机之间采用膜片联轴器联接。

压缩机参数如下：

型号 MCL907＆2MCL907

吸入温度 －33℃

进口流量 51437m3／h

吸入压力 0.068MPa（绝压，下同）

排出压力 1.697MPa

轴功率 7934kW

主轴转速 5833r／min（正常）

汽轮机技术参数：

型号 N50／01

进汽温度 400℃

进汽流量 42000kg／h（额定）

进汽压力 3.6MPa

排汽压力 0.017MPa

额定功率 9702kW

额定转速 5936r／min

压缩机工艺气流程如图1所示。

从净化界区来的气氨（0.068MPa、温度－33℃、流量51437m3／h）进入一级入口分离器分离，气氨进入压缩机的一段压缩。出一段压力升至0.407MPa，经一段出口冷却器冷却后与闪蒸分离罐来的闪蒸气（压力0.4MPa、温度－2℃、流量7892m3／h）混合后进入二段压缩，压力升至0.76MPa，再经二段出口冷却器冷却至40℃进入三段压缩，压力升至1.697MPa。最后经三段冷却器冷却，再进入冷凝器冷凝，大部分气氨被冷凝成液氨，进入液氨贮罐。液氨再经减压阀减压闪蒸后，进入省功器，从省功器出来的液氨温度为－2℃、压力为0.4MPa，送往净化界区，闪蒸后的气氨送至闪蒸分离罐。

压缩机安装后由于没有液氨，考虑采用空气试车。两种工作介质物性参数比较如表1。

表1 物性参数对比

图1 压缩机工艺气流程图

由于分子量和多变指数的不同，造成排气温度和排气压力也不同。要保证这两项指标在可接受的范围内，就要对整个压缩过程进行分析。为此，我们进行认真研究，确认过程如下。

1 空气压缩后会不会产生冷凝水

空气压缩后，一方面由于总压升高，空气中的水蒸气分压随之升高，若水蒸气分压达到相应温度下的饱和蒸汽压，将会有水分析出，危及压缩机的安全运行。另一方面，空气在压缩过程中，温度也会升高，水的饱和蒸汽压也会升高，水的蒸发趋势显著。最终会不会产生冷凝水，可通过下式计算确定：

式中：

ΔT实际——压缩后气体温度，K；

T1——进气温度，K；

p1——进气压力，kPa；

p2——排气压力，kPa；

ηis——多变效率，取0.8；

k——多变指数。

取贵州当地大气压87.5kPa，空气温度5℃，饱和水蒸气分压为0.8725kPa，相对湿度经检测为90%，则空气中水蒸气实际分压为0.7852kPa，空气中水蒸气含量为0.9%，其余组分N278%，O221.1%。空气压缩前后的温度压力变化如表2。

表2 空气压缩前后的温度压力

从以上计算结果来看，随着排气压力的升高，排气的露点温度也在升高，但升高的幅度远远低于排气温度升高幅度，也就是排气的水蒸气饱和度越来越低，水凝结的可能性越来越小。空气中的水不会在压缩机内冷凝。

随着压缩过程的进行，排气温度也在升高。从表2可以看出，当排气压力达到300kPa时，排气温度已达146℃。一段压缩排气压力可控制在280kPa，以防止排气温度过高造成事故。

一段排气进入一段水冷器，应控制冷却后的气体温度不低于22℃，以免形成液态冷凝水进入二段压缩。试车过程中可以控制循环水量，来保证冷却后温度。因为在一段水冷器后没有水分离器，冷凝水只能通过导淋排出，如果排放不及时，会对压缩机二段有所损害。

二段从0.28MPa、30℃开始压缩，相应的机内温度与对应的饱和温度如表3。

表3 二段压力、温度及对应的饱和温度

压缩机二段出口气体经二段冷却器后，入水分离器，分离掉冷凝水后，进入三段压缩。由于二段出口气体在排气压力下露点已达30℃，而且由于循环水温度较低，出二段冷却器后的气体已含有液态冷凝水，经过分离器后，即使把生成的冷凝水全部分离掉，也必然是饱和了水蒸气的空气，在机内也有冷凝的可能，可以通过计算确认这种可能性，见表4。

表4 三段压力、温度及对应的饱和温度

结果同样表明，随着压缩的进行，气体越来越远离饱和温度。

上述计算表明，当地气压87.5kPa，温度5℃、相对湿度90%的空气在压缩过程中不会产生冷凝水，在这一点上，可以说，压缩空气是安全的。

2 排气温度的限制

空气的主要成分为N2、O2，均为双原子气体，而正常运行的工质为气氨，是四原子气体，两者之间的绝热压缩指数相差较大。设计工况下，氨气在压缩过程中的参数变化如表5。

表5 氨在压缩过程中的参数变化

当地大气压0.0875MPa，如果同样压缩到0.407MPa，那么压缩后的温度将达到190℃，这显然是不允许的。要避免一段压缩出口温度过高，必须降低排气压力。通过计算，排气压力降到0.3MPa时，排气温度可降低到146℃，基本满足要求。

计算要达到0.3MPa出口压力，所需的多变能量头。

式中：

hp——多变能量头；

从钱币之路形成的背景和条件来看，钱币的流动乃是中外经济文化交流的产物。钱币主要是伴随着中外经济贸易关系的发展而作为国际货币流动到异国的，并在异国继续作为货币流通。如中国宋代铜钱在日本和东南亚就曾经作为主要货币在其国内流通使用。又如波斯萨珊王朝的银币和拜占庭金币，既是中亚一带的国际货币，又曾经在我国西北部分区域作货币使用。再如东南亚、南亚贝币，也曾在我国云南作为主要货币流通过。

m——多变指数；

T——吸气温度；

M——分子量；

pd——排气压力；

ps——吸气压力。

在设计工况下，被压缩介质为气氨，在低压段压缩，各参数如下：

m＝1.3

T＝240K

pd＝0.407

ps＝0.068

M＝17

将上述数值代入（2）式中，得到

hp＝26610N·m／kg

根据（2）式计算空气从0.0875MPa、5℃压缩到0.30MPa，需要的多变能量头为12012N·m／kg。又因为对于压缩机来说，多变能量头与叶轮转速的平方成正比，如下式：

式中：

h——压缩机能量头，N·m／kg；

ψ——常数，0.45～0.68；

U——压缩机叶轮轮周速度，m／s；

g——重力加速度，kg·m／s2。

从（3）式可得：

压缩机的轮周速度与转速成正比。又因为在正常工况下，氨压缩机的转速为5833r／min，所以压缩空气所需要的转速可根据（4）式计算得到，为3920r／min。

由于汽轮机与压缩机各段采用直联的方式，没有增速箱，因此三段压缩都只能采取同一转速，以最低转速运行。

二段压缩进口压力假定为0.28MPa（考虑一段排气温度限制和管路阻力），又知道氨压缩机二段的多变能量头在正常工况下为11253N·m／kg，根据（3）式，压缩机的多变能量头在3920r／min时只能达到5079N·m／kg。根据公式（2）以3920r／min转速运行，在压缩空气时，进口压力为0.28MPa的情况下，反算二段出口压力pd＝0.48MPa。排气温度97℃。

三段压缩进口压力假定为0.45MPa（考虑管路阻力），又知道氨压缩机三段在正常工况时的多变能量头为13880N·m／kg，在3920r／min时只能达到6266N·m／kg，根据公式（2）反算，得pd＝0.86MPa。排气温度112℃。

由以上计算及分析结果来看，压缩机控制在3920r／min，可以保证各段排气温度不超标。

根据压缩机使用说明书，低压缸的一阶临界转速为2571r／min，二阶临界转速为8039r／min；中压缸和高压缸一阶临界转速为3478r／min，二阶临界转速为12847r／min。

压缩机运行在3920r／min，与临界转速有足够的安全距离。

3 所需轴功率

总能量头为三段能量头之和，经计算约23000N·m／kg，又因为

式中：

G——某工况时的质量流量，kg／h；

n——某工况下的转速，r／min；

n0——原工况时的转速，r／min；

γ入——某工况时介质密度，kg／m3；

γ入0——原工况时介质密度，kg／m3；

G0——原工况时质量流量，kg／h。

上式表明，在变工况情况下，压缩机的质量流量与转速成正比，与介质密度成正比。由于本压缩机为三段串联，各段流量相等，计算第一段流量即可。

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

轴功率计算公式如下：

将h＝23000N·m／kg，G＝60809kg／h，η＝0.8代入（6）式，得N＝5020kW。而汽轮机最大功率为8078kW，可以满足要求。

4 防喘振控制

喘振本质上是因为进入压缩机的流量不足以使压缩机产生足够的压力，以至于外部系统（外部管路）的压力大于压缩机内部的压力，导致压缩机出口止逆阀关闭，这时，压缩机没有输出，空气在压缩机内部积累，压力不断增加，直到积蓄的压力大于外部系统的压力时，压缩机内部压力冲开逆止阀排出。气体排出后由于没有足够的气体使压缩机维持连续的输出，压缩机内部压力下降，逆止阀关闭，空气重新在空压机内部积累，直到积累的压力足够时，再次排出。如此反复，导致输出的压力和电机负荷剧烈波动、止逆阀频繁动作，机器发出异常的声音，这种现象就叫喘振。

从以上分析来看，喘振是由于压缩机排气压力和管网背压相对大小交替变化。如果压缩机出口直接排空，那么排气压力始终大于管网背压，压缩机就不会发生喘振。但这时要注意防止阻塞工况的出现。在空负荷试车后，可以把氨压缩机三段进出口管道都拆开，各段不再串联，分别吸气和排气，进行部分负荷试车。

部分负荷试车后，可将各段压缩机进出口管道连接，进行带负荷试车，此时各段防喘振控制回路投入使用。在此之前，须联系制造厂提供空气工况防喘振控制曲线。

可变转速压缩机的基本喘振特性如下：

上式表明压缩机的喘振流量与转速成正比，即转速越高，喘振流量越大。如果制造厂不能提供空气试车特性曲线，也可以通过喘振试验根据（7）式来计算确定转速和喘振流量的关系，或者通过（8）式确定喘振条件下压缩比和转速的关系

式中，H＝p2／p1，即压缩比

从而制定出空气试车情况下防喘振的控制方案。

由于空气开车，将压缩机入口管短节卸掉，通过入口过滤器吸入空气，因此有充足的气量保证，喘振的危险性和正常生产相比并没有增加。

5 试车时的密封问题

空气试车时，轴端密封可采用试车密封。试车密封为迷宫式密封，试车时通入隔离气防止润滑油进入压缩机。隔离气采用普通压缩空气即可。

6 结 语

通过以上分析可知，我公司MCL907＋2MCL907离心式氨压缩机用空气试车是完全可行的，但试车过程中除正常的监控外，还要特别注意转速、排气温度等参数。由于各段压缩后只有冷却器，没有分离器，所以要控制出冷却器的气体温度高于露点。为了压缩机的运行安全，除了控制冷却温度外，还要加强导淋冷凝水排放。

上述分析仅针对工质改变对操作的影响。实际试车过程中，有关汽轮机驱动离心压缩机其他操作注意事项同样要遵照执行。

只要做好了试车的各项技术准备，用空气代替氨气进行试车是可行的。

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