喷水湿压缩对空压机性能的影响*

张鹏飞 赵志玲 姚云汉/沈阳鼓风机集团股份有限公司

喷水湿压缩对空压机性能的影响*

张鹏飞 赵志玲 姚云汉/沈阳鼓风机集团股份有限公司

0 引言

近年来，湿压缩技术做为一种简单有效、易于实现的改进压缩机性能的方法，逐步应用于离心压缩机中。所谓湿压缩就是在压缩机进口或级间向被压缩气体喷入液体，利用液体蒸发吸收气体介质的热量，降低压缩气体的温度，使压缩过程趋向于等温过程，减少压缩过程所需要的压缩功，从而提高压缩机的效率。理论上喷入的液体可以是水、乙醇、苯等，但是由于水的冷却效果最好，且从成本上考虑价廉易得，因此到目前为止，所有关于湿压缩的研究都是围绕喷水进行的。随着湿压缩技术的逐渐成熟，国外多家公司已把喷水技术应用于离心压缩机中，在适当的优化条件下，可使压缩机效率提高3％～4％。在国内空分行业的空压机装置中，已在十多台压缩机上成功采用了喷水湿压缩技术，不仅有效降低了压缩过程的温升，使整机效率得到一定的提高，而且避免了因叶轮积灰造成的机组振动[1-2]。在乙烯裂解生产中的离心式压缩机中，通过使用喷水系统，裂解气压缩机的聚合反应问题得到了控制，从根本上解决了裂解气的结焦问题，达到了标本兼治的效果，避免了聚合物对压缩机的不良影响，保证了机组的安全平稳运转[3]。

1 空压机的喷水装置

空压机的喷水装置主要由水泵、过滤器、流量计、止回阀、安全阀、压力表、调节阀、连接管路、喷嘴等部件组成（图1）。

图1 喷水系统流程图

2 空压机的喷水类型

根据压缩机喷水位置和喷水方式的不同，可大致分为三类：

1）压缩机进口喷水

压缩机进口喷水通常是在靠近压缩机机壳的进气管路上安装喷嘴（图2），向空气流中喷入雾化水滴。进入压缩机机壳前，会有少量水汽化，起到进气冷却的作用，未蒸发的水进入压缩机实现湿压缩。采用压缩机进口喷水技术无需对压缩机本体进行改动，简单易行。为了防止进气口结冰，这种喷水方式只有在环境温度较高时才能使用。

图2 叶轮进口喷水喷嘴安装图

2）回流器绝热加湿

回流器绝热加湿通常是将喷嘴安装在压缩机的弯道处（图3），空气经过压缩机低压级压缩后，温度升高，相对湿度降低。在弯道处向气流喷入雾化水，由于传质驱动势较大，水滴在回流器中蒸发非常迅速，减小了喷水引起的摩擦和可能对叶片造成的损伤。同时，由于蒸发迅速，喷水量可以适当增大，在回流器出口未汽化完毕的水滴可进入下一级叶轮进行湿压缩。这种方式不受环境温度的限制，使湿压缩的应用范围大大扩展。这种喷水方式需在压缩机机壳和隔板上安装喷嘴，安装操作较进口喷水复杂。目前压缩机装置中大多采用这种喷水方式[4]。

图3 回流器绝热加湿喷嘴安装图

3）叶轮注水

这种喷水方式是通过压缩机叶轮叶片上的小孔将水注入到被压缩工质中。显然，叶片注水湿压缩更有效，但对工艺和设计的要求也更高，实现的难度很大。目前，关于叶轮的叶片注水方面的研究文献很少。

3 喷水技术的热力学过程

3.1 湿压缩热力学过程[5]

在热力学上，压缩过程在图4上表示如下。其中，1-2t为等温压缩过程；1-2s为等熵压缩过程；1-2为干压缩过程；1-2w为湿压缩过程。

从图4可以看出，向压缩机通流部分喷入雾化水，就是通过水滴的蒸发吸热来冷却压缩机内的空气使其比容降低，减少热阻损失，以减少压缩过程所需的压缩功，并趋向于等温压缩过程。

图4 压缩过程的T-S图

3.2 回流器绝热加湿的热力学过程

在离心压缩机中，未饱和的湿空气（参数为t，d1，h1）经过第一级叶轮压缩后通过扩压器、弯道、回流器送入下一级叶轮，在弯道处喷入软化水与空气混合进入回流器，由于空气尚未饱和，水分不断汽化进入湿空气，此过程可视为绝热过程，水分汽化所需的潜热只能来自于空气的显热，致使过程中空气温度逐渐降低，含湿量逐渐增大，如果有足够长的接触时间，最终湿空气达到饱和，空气温度不再下降。此稳定状态的温度湿空气的绝热饱和温度，以t'w表示[6]：

由式（1）可知，通过在弯道处应用喷水技术，下一级叶轮进口的温度由t1降低至t'w。如果气流经过回流器出口后，未完全汽化的水滴将与气流一起进入下一级叶轮进行湿压缩过程。

4 喷水湿压缩空压机气动性能分析

4.1 主要参数的确定

以势差（如密度差、压力差等）作为传质驱动势的水滴蒸发模型来计算湿压缩过程中的水滴的蒸发量。

假定空气流过叶轮的时间为0.1s，气体在回流器中的存留时间为：

湿空气中水蒸气的分压力采用Buck[1996]公式[7-8]。

当t＆gt;0℃时：

水的汽化潜热的计算采用修正的Pitzer对比态关联式[9]：

4.2 实际湿压缩过程的计算[10]

空气的实际湿压缩是变温变压过程，将湿压缩过程分为若干个微元段进行计算（图5），利用液滴蒸发时间和蒸发速率计算出在每个微元段内所蒸发的水量，从而计算出每个微元段出口处湿空气的温度和耗功。

图5 湿压缩过程按等压线分段示意图

假定对1kg干空气进行的湿压缩计算，每一个微元段内空气和水蒸气的增压比都等于湿空气的增压比π0，对第一个微元段1→2：

压缩机理想耗功：

压缩机实际耗功：

对第m个微元段m→m+1：

式中，Wm,c,s为在第m个微元段压缩湿空气所需的理想功，kJ；Wm（实际）为在第m个微元段压缩湿空气所需的实际功，kJ；cpa为空气的定压比热容，kJ/（kg·K）；k为空气的绝热指数；k'为该微元段内水蒸气的绝热指数；cpv为该微元段内水蒸气的定压比热容，kJ/（kg·K）；d为进口湿空气的含湿量，kg（水）/kg（干空气）；mvm为到第m个微元段后水滴蒸发形成的水蒸气总量，kg；Tm'为m'点处湿空气的温度，K；Tm+1为（m+1）点处湿空气的温度，K。

叶轮压缩单位空气量的实际所需功：

式中，d+mv（n+1）为叶轮出口处1kg干空气中所含水蒸气量。

4.3 喷水湿压缩空压机气动计算

本文以D900-3型离心压缩机为例，分别对回流器加湿和叶轮进口加湿两种方案进行整机的气动计算，压缩机采用三级叶轮压缩，剖面图见图6。

图6 D900-3空压机剖面图

压缩机进口条件为：压力0.98kgf/cm2；进口温度28℃；进口空气流量940m3/min；相对湿度80％；出口设计压力3.263kgf/cm2。回流器绝热加湿、叶轮进口加湿的水滴直径均为10μm，喷水量为360kg/h。干压缩、回流器绝热加湿、叶轮进口喷水加湿计算结果见表1～表3（假定压缩机可变转速）。

表1 干压缩离心压缩机气动计算结果表

表2 回流器绝热加湿离心压缩机气动计算结果表

表3 进口喷水湿压缩离心压缩机气动计算结果表

在进口喷水湿压缩压缩机气动计算过程中，叶轮进口加湿的一级扩压器出口（即弯道）处，经过一级湿压缩后的水滴没有完全汽化，这使剩余的水滴在回流器中继续汽化，为绝热加湿降温过程[11-14]。回流器绝热加湿、叶轮进口加湿与干压缩的性能曲线对比见图7。

图7 离心压缩机流量-功率特性曲线比较图

5 结论

喷水湿压缩技术在离心压缩机中的应用主要有两种方案，第一种是在弯道处设置喷水装置，水滴通过蒸发吸收空气中的热量，使空气的温度显著的降低，从而减少下一级的压缩功；第二种是在叶轮进口设置喷水装置，水滴蒸发吸收周围压缩空气的热量，使压缩空气的温度降低，从而减少压缩过程所需要的压缩功。通过对采用两种喷水类型的离心式空压机的整机气动性能计算，与干压缩的空压机性能曲线加以比较，较干压缩来说，加湿后，在达到压缩机出口压力的条件下，压缩功有所减少，整机性能得到明显的提高，通过对整机气动性能的分析，回流器绝热加湿可使整机功耗比不应用喷水时降低2.6％，叶轮进口加湿可使整机功耗比干压缩时降低5.2％。

[1]刘桂艳，于德梅，强红，等.喷水除垢技术在DH型空压机中的应用[J].风机技术，2008（6）：45-46.

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[3]汪创华，薛宇飞，马志宏.裂解气压缩机的注水技术[J].风机技术，2002（3）：3-4,7.

[4]刘桂艳，于德梅，强红，等.一种压缩机的喷水冲洗系统[P].2012.

[5]史玉恒.两级离心式压气机湿压缩特性的实验研究[D].哈尔滨工程大学，2007.

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[9]林萃.活塞式压缩机水蒸发内冷却过程的热力学研究[D].西安:西安交通大学，1985.

[10]李辉，付林，朱颖心.燃气轮机入口空气冷却系统的技术经济性能[J].热能动力工程，2006（5）：231-234.

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介绍了喷水湿压缩技术在离心式空压机中的应用和喷水类型，分析了喷水技术的热力学过程，对采用喷水湿压缩技术的空压机进行了整机气动性能计算，并与干压缩空压机加以比较，显著降低了压缩机的功耗。

喷水；空压机；湿压缩

Influence of Water Spray Wet Compression on Air Compressor Performance

Zhang Pengfei,Zhao Zhiling，Yao Yunhan/ Shenyang Blower Works Group Corporation

water spray;air compressor; wet compression

TH452；TK05

A

1006-8155（2015）02-0032-05

10.16492/j.fjjs.2015.02.006

*国家资助项目：国家科技支撑计划（2013BAF01B03）课题名称：大型离心式压缩机节能关键技术及应用

2014-10-21辽宁沈阳110869

Abstract:The application of wet compression in centrifugal air compressor and the type of water spray is introduced，and the thermodynamic process of water spray technology is analyzed in this paper. Through thermodynamic calculating of the centrifugal air compressor with wet compression，compare with the result of dry compression,the power consumption of the compressor is significantly reduced.