基于UNISIM的压缩机组带压启动研究

费启智 林峰宝 张家瑞/沈阳鼓风机集团股份有限公司

基于UNISIM的压缩机组带压启动研究

费启智 林峰宝 张家瑞/沈阳鼓风机集团股份有限公司

0 引言

压缩机广泛应用于石油、冶金、化工等工业领域，随着科学技术的快速发展，压缩机组越来越趋于大型化、复杂化。由于压缩机组运行工况越来越复杂，压缩机组在启动时所处的平衡压力不再是单一情况，对压缩机组的驱动设备及启动方案都提出更为苛刻的要求。

以电机驱动的某大型乙烷制冷压缩机为例，由于工艺气实际是处在露点温度，受环境温度因素影响，当停车以后，压缩机组平衡压力往往会达到很高的程度[1]。此时，若直接启动压缩机，即带高压启动压缩机组，电机需要很大的启动功率才能将压缩机驱动至额定转速。一旦启动负荷超过电机所能承受的最大启动功率，压缩机组将因电机电流过载保护而联锁停车，不仅影响了开车进度，还对后续工艺和电机自身造成很大伤害[2]。以往通常采用泄压方法降低压缩机进口压力，即将大量工艺气放火炬以降低启动压力和功率，这样做会造成大量的能源浪费和环境污染，与绿色、安全及高效的生产理念相悖。

目前，由于压缩机组带压启动过程很难估算，没有科学依据的实际尝试，会给机组开车带来很大风险。希望利用先进的数学模型模拟并核算此过程，在工厂投产甚至设计选型之前就模拟出压缩机组在不同平衡压力下启动所需要的启动力矩，并量化不同平衡压力下的启动力矩，通过大量的模拟数据去分析启动过程，并制定启动方案。

UniSim软件是Honeywell公司收购AspenTech公司的HYSYS软件后，重新改写HYSYS内核原代码和动态连接库而推出的新一代过程模拟平台，具有强大的流程模拟功能。UniSim软件普遍应用于化工过程的研究开发与设计，生产操作的控制和优化[3]。利用UniSim流程模拟软件建立的工艺模型，不仅能够对整个工艺过程进行动态跟踪，还能为实际设备的设计参数和方案优化提供依据。本文描述了利用UniSim软件平台对压缩机组的启动过程进行模拟，通过对模拟结果的讨论和分析，找出以往启动方法的不足之处。为制定带压启动方案提供参考依据，亦可作为压缩机组驱动电机选型的依据,是未来压缩机组工艺分析和控制方案优化的重要工具。

1 制冷原理及工艺流程

乙烷制冷是利用乙烷液体汽化时的吸热效应实现制冷，乙烷制冷系统利用压缩机把蒸气抽出压缩，然后将其冷却凝结成液体返回到容器中，完成一个制冷循环[4]。

图1所示为闭式循环乙烷制冷系统，装置正常生产时，压缩机从缓冲罐中吸入乙烷气体，气体乙烷经压缩机后，气体压力升为1.049MPa，温度为96.15℃。压缩后的乙烷气体进入乙烷冷凝器中，被冷却至42℃。冷却介质为循环冷却水，循环冷却水进口温度为35℃，出口温度为40℃。继续经过冷凝器，被冷却至-31.31℃，此时乙烷被冷凝成液体状态。冷凝器的冷却介质为丙烷气体。丙烷气体在冷凝器进口温度-13.3℃，压力0.21MPa；出口温度-33.63℃，压力0.043MPa。液态乙烷靠重力排入乙烷贮槽中。-31.31℃的液态乙烷经过节流阀节流，为用户提供提供-52℃左右的制冷剂。液体乙烷用作制冷剂被换热后，乙烷的温度变为-35.18℃，压力变为0.045MPa，呈气体状态，气态乙烷又被输送到缓冲罐中，完成一个制冷循环。

图1 工艺流程示意图

基于工艺流程图建立UniSim软件平台的动态仿真模型。建立UniSim模型时，首先根据设计院提供的典型PFD组分表，定义压缩机工艺气体组分，见表1。定义单位、大气压力、相对高度、模型特性等基础数据。以换热器出口作为制冷压缩机上游的平衡点压力设定，按照压缩机组相关设备资料分别设置模拟范围内的压缩机、电机、罐、阀门、管道等设备参数。

表1 压缩机工艺气体组分表

UniSim软件的流体包包括执行闪蒸和物性计算必须的所有信息。选择了合适的流体包，就是选择了合适的热力学计算法，是得出准确模拟结果的基础。由于该模型中所涉及的组分都是小分子烃，所以状态方程适合选择Peng-Robinson方程。Peng-Robinson方程在计算饱和蒸汽压及饱和液体密度等方面有很好的准确度，其在解决二元交互作用参数方面有很强的优势,是工程相平衡计算中最常用的方程之一[5-7]。

定义模型中所有设备结构、尺寸和参数。主要模型设计所需数据为：压缩机性能曲线，压缩机数据表，电机性能曲线，阀门参数，罐参数，冷却器参数，防喘振控制系统的相关参数等。压缩机组动态仿真模型如图2所示。在压缩机组动态模拟时首先需要验证设计选用的电机能否满足压缩机组正常启动需求；其次进一步验证压缩机组能否带压启动，量化带压启动时的最大平衡压力。

图2 压缩机组动态仿真模型图

2 流程模拟

模拟过程要实现压缩机组从零转速开始升速到额定转速并进入运行状态的过程[8]，所以先要分析压缩机动态性能，研究其转速变化规律以及压缩机组的时间响应规律，确定压缩机轴功率大小。压缩机轴功率计算公式为[9]：

式中，n为体积指数；CF为修正系数；p1为进口压力；p2为出口压力；ρ1为进口气体密度；F1为进口摩尔流量；MW为气体分子量。

对于多变功率，体积指数计算如下：

式中，ρ2为出口气体密度。

修正系数计算如下：

式中，h2'为与进口熵对应的出口焓；h1为进口焓。

研究压缩机的启动过程实际上就是电机的启动过程，电机功率主要是根据压缩机的轴功率并考虑一定的富裕系数来确定。电机能否驱动起压缩机，所体现的载体是转矩。压缩机停机后再次启动的负载转矩主要包括以下几部分[10]：

摩擦转矩：在启动开始瞬间，随着气体被压缩，运动部分从静摩擦转矩变为动摩擦转矩，转矩急剧增加；克服静摩擦后转子开始转动，摩擦转矩下降并变为某一恒定值。

加速转矩：具有一定质量的运动部件，启动加速时要得到所需要的转矩，转速恒定时，加速度为零，加速转矩也变为零。

压缩转矩：压缩转矩最初随出口压力的升高而增加，在吸气压力降低的同时，压缩转矩随之减小，即压缩转矩随吸气压力和出口压力比的增加而增加。

在压缩机组动态仿真过程中，将上述三类转矩视为启动压缩机所需要的转矩，启动转矩的大小决定压缩机组能否成功启动，压缩机转矩计算公式为：

式中，P为功耗，kW；T为转矩，Nm；ω为同步转速，r/min。

式中，f为电机频率，Hz；P为电机极数。

通过上面的公式，可以将压缩机在启动过程中所需要的功率核算成电机启动所需要的转矩。在UniSim仿真模型中定义压缩机的驱动电机性能曲线，电机生产厂家一般会提供转矩—转差率曲线，将其转化为电机的转矩—转速特性曲线，如图3所示。

图3 电机转矩—转速特性曲线图

UniSim仿真模型将利用压缩机功率计算出的电机转矩与模型输入的电机设计转矩值做比较，只有在机组启动全过程中，电机的启动转矩始终大于压缩机所需要启动转矩时，压缩机组才能够顺利完成启动。本模型中所选用的电机额定功率为3 000kW，额定转速为10 780r/min。利用UniSim仿真模型模拟压缩机组不同平衡压力情况下的启动过程，记录平衡压力—转速—功率数据表，如表2所示。

通过表2可知当平衡压力小于0.544MPa时，电机启动功率维持在2 840kW左右，这是由于此压力下压缩机启动后将部分乙烷气体压缩冷凝到乙烷贮槽中，致使压缩机启动后整个系统维持在相对平衡的压力环境下。当压力不断升高至0.991MPa以上，由于乙烷贮槽压力不断升高，不再接受压缩过来的冷凝乙烷液体，致使电机功率快速升高。当平衡压力达到1.028MPa时，电机功率达到3 005kW，恰能满足机组要求，当平衡压力继续升高达到1.060MPa以后，电机功率已经不能满足压缩机的功率需求，此时表现为电机能力不足，需要重新匹配机组启动的平衡压力和电机功率。

表2 模拟数据记录表Ⅰ

在电机选型过程中，若考虑压缩机带压启动工况，增加电机额定功率，就会相应增加成本投入。可通过仿真模型模拟尝试在不增加电机功率的情况下寻找其它能够降低机组启动功率的方法，进而对既定电机的压缩机组进行启动方案优化。通过改变进口节流阀和防喘振阀开度的方式，考核启动功率情况。以平衡压力为1.148MPa时为例，分别将进口阀开度调节到100％、40％、30％，防喘振阀开度调节到100％、90％、85％，记录模拟结果如表3。

表3 模拟数据记录表Ⅱ

通过表3可发现当平衡压力在1.148MPa时，进口节流阀和防喘振阀全开的情况下，电机无法将机组启动到额定转速。如果保持防喘振阀开度不变，关小进口节流阀至10％，电机能顺利启动带压为1.148MPa的压缩机；如果保持进口节流阀开度不变，关小防喘振阀开度至90％，电机也能顺利启动带压为1.148MPa的压缩机。可见关小进口节流阀或防喘振阀后，电机的启动功率都会减小，整个压缩机组装置更容易启动。在关闭防喘振阀模拟过程中，可以观察到随着防喘振阀开度减小，压缩机流量越小，启动后工作点离喘振线越近[11]。所以，在关闭防喘振阀时，不仅要考虑减小启动功率，首先应考虑压缩机喘振情况。只能在一定范围内适当关闭防喘振阀，避免压缩机发生喘振造成更大的损失。

3 结果及分析

通过对模拟结果的分析可知，为了满足电机3 000kW的额定功率要求，在不改变进口节流阀和防喘振阀开度的情况下，只有压缩机的平衡压力不超过1.028MPa时，压缩机组才能成功启动到额定转速。通过对模型模拟结果的分析，可验证设计所选用的电机能否将压缩机顺利地启动到要求工况，对于压缩机组带压启动时可估算最大平衡压力。

通过分析模拟结果得出影响压缩机带压启动的因素主要表现在以下几个方面:

1）启动时系统的平衡压力影响。在制冷压缩机（离心式）启动过程中，工艺装置的平衡压力是能否成功启动压缩机的重要因素，通常来说温度越高，平衡压力越大，压缩机组启动功率越大。

2）防喘振阀门开度影响。防喘振阀门的开度实际影响的是压缩机进口的流量。当减小防喘振阀开度时，压缩机进口流量相应减小，压缩机启动功率减小。

3）压缩机进口节流阀开度影响。压缩机进口节流阀开度影响压缩机的进口流量，当进口节流阀开度越大时，机组进口流量越大，压缩机运行所需功率相应越大。

4 结束语

通过对制冷压缩机启动过程的模拟研究，可以检验出不同平衡压力下，机组启动到额定转速所需要的电机功率大小，为电机选型提供数据参考依据；也可模拟出压缩机在既定电机情况下，启动到额定转速所能承受的最大平衡压力；模拟结果可以为现场压缩机组试车方案提供数据参考。另外，根据制冷压缩机仿真模拟结果，从优化压缩机组启动方案的角度分析并得出结论：在电机型号已选定的情况下，最优的压缩机带压启动方案是通过关小压缩机进口截流阀的方式来降低压缩机启动功率；在没有进口截流阀的情况下，可以通过适当关小防喘振阀的方式来降低启动功率，达到压缩机安全高压启动的目的。应用关闭防喘振阀的方法时应考虑工作点运行位置，避免压缩机组发生喘振。

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利用UniSim软件平台开发乙烷循环制冷压缩机组的动态仿真模型，基于仿真模型分析压缩机组的启动过程，研究压缩机组带压启动条件及特点。通过仿真模型的模拟验证能得到压缩机组启动时的最大平衡压力，为驱动电机的选型和制定压缩机组带压启动方案提供依据，为机组长期安全运行奠定良好的基础。

压缩机；带压启动；动态仿真；UniSim

Research on the Starting of Compressor Unitw ith Pressure Based on UNISIM

Fei Qi-zhi,Lin Feng-bao,Zhang Jia-rui/ Shenyang BlowerWorksGroup Co.,Ltd.

Abstract：By building a dynamic simulation model of refrigeration compressor units with UniSim software, engineers can analyze the starting process and research the starting conditions and characteristics of the compressor unitswith pressure.Themaximum balancing pressure while starting can be obtained according to the simulation model,which can provide a basis for selecting motors and making starting schemes.

compressor;starting with pressure;dynamic simulation;UniSim

TH452;TK05

A

1006-8155（2016）03-0089-05

10.16492/j.fjjs.2016.03.0012

2015-10-02辽宁沈阳110869