丙烷制冷压缩机的补气室结构改进设计研究

戚骥 潘晨光 常香珺

1.松下冷链（大连）有限公司 辽宁大连 116600

2.大连海尔空调器有限公司 辽宁大连 116600

关键字丙烷制冷压缩机；补气室；结构改进

1 引言

调查表明，大型离心压缩机用电量占我国工业用电总量30～40%，提升离心压缩机设计性能、运行效率的重要性可见一斑，为了实现这一目标，本文围绕丙烷制冷压缩机的补气室结构改进设计开展具体研究。

2 丙烷制冷技术及工艺现状

2.1 丙烷制冷技术

HFC、HCFC、天然工质为制冷剂替代的重点方向，丙烷属于其中天然工质的代表。作为天然的制冷剂，丙烷具备对自然环境没有危害、热力学性能优秀等优势，臭氧破坏潜能值（ODP）、全球变暖潜能值（GWP）均为0。在笔者的实际调研中发现，丙烷制冷剂早已在我国石油化工等领域实现广泛应用。以应用于天然气凝液回收的丙烷制冷技术为例，“膨胀制冷+辅助制冷（丙烷制冷）”的工艺形式可较好服务于油气田冷凝分离法的应用，其中丙烷制冷技术在其中的应用可细分为浅冷回收法、深冷回收法，两种方法的应用必须权衡轻烃回收率和装置能耗关系，由此方可合理选择工艺参数[1]。

2.2 丙烷制冷工艺及现状

丙烷制冷技术实质上属于液体相变制冷，图1为其典型制冷工艺简图及压焓图，但在笔者的实际调研中发现，机组运行时制冷系数变化差别较大、自然冷源未得到有效利用的情况在我国极为常见，丙烷制冷技术的效用发挥因此受到了较为负面影响，而为了尽可能化解这种影响，便需要进行工艺的改进设计。

3 丙烷制冷压缩机的补气室结构改进设计

结合工程实践，可确定丙烷制冷压缩机在第二级叶轮和第三级叶轮间有一次加气，该部位因此需要进行补气室结构设计，该设计的目的是为了降低加气损失，整个丙烷制冷系统的整体性能也会因此受到较为积极影响。因此，笔者结合图2（左）所示的丙烷制冷压缩机改进前的补气结构，结合该图开展分析不难发现，改进前的丙烷制冷压缩机补气室结构属于典型的传统补气结构，图2（右）则为改进后的丙烷制冷压缩机补气室结构。对比改进前的补气结构、改进后的结构不难发现，改进后的丙烷制冷压缩机加气室结构的加气口更靠近前一级叶轮回流器出口，改进前的丙烷制冷压缩机加气室结构则更靠近下一级叶轮进口。深入分析不难发现，回流器在丙烷制冷系统中发挥着改变气流方向的作用，叶轮则属于丙烷制冷压系统中气体做功部件，由此围绕改进后的丙烷制冷压缩机补气室结构设计开展分析不难发现，改进后的设计使得回流器与加气口的距离大幅缩短，气流在进入下一级叶轮前将实现均匀混合，下一级叶轮损失减少、丙烷制冷压缩机效率提升均将由此实现[2]。

4 数值模拟

4.1 模拟思路

为明确丙烷制冷压缩机补气室结构改进设计带来的影响，需进行相邻两级及补气室的整体三维流场数值模拟，这一模拟是为了对比补气室改进前后丙烷制冷压缩机、丙烷制冷系统性能受到的影响。具体来说，数值模拟需围绕丙烷制冷压缩机的第二级、第三级、补气室结构展开，但由于环形补气室上的压缩机客体存在补气孔，这就使得丙烷制冷压缩机补气室的补气结构并非轴向均匀的几何体，周期性单通道在这种情况下无法满足流场的研究需要，而为了在这种情况下准确把握丙烷制冷压缩机性能、流场受到的补气室结构变化影响，必须开展包括补气室、相邻两级的整场网格建立，并以此进行数值模拟。在具体的模拟过程中，假设丙烷制冷压缩机环形补气室均匀补气，由此开展丙烷制冷压缩机变工况流场时的计算，计算采用单通道流场计算[3]。

4.2 网格划分

在基于丙烷制冷压缩机补气室结构改进设计带来影响的数值模拟中，需首先进行丙烷制冷压缩机补气室结构的三维建模，这一建模需使用Solid works工程软件，第二级、补气室结构、第三级的整场流场计算网格的生成则需要得到Autogrid5的支持，由此即可得出第二级、补气室结构、第三级的整场三维模型图，以及第二级、补气室结构、第三级的整场网格模型。

4.3 结果分析

在获取第二级、补气室结构、第三级的整场三维模型图，以及第二级、补气室结构、第三级的整场网格模型后，即可使用FINE软件进行网格的加载，并同时进行条件设置，由此即可真正开展丙烷制冷压缩机补气室结构改进设计性能模拟计算。在具体的丙烷制冷压缩机补气室结构改进设计性能模拟计算中，计算需分别围绕改进前的丙烷制冷压缩机补气室结构与改进后结构展开，并分别进行相邻两级流场模拟计算，由此可确定改进前丙烷制冷压缩机加气室结构的损失为6449Pa，改进后的损失则为1048Pa，由此可直观发现丙烷制冷压缩机补气室结构改进设计所取得的优秀成果，加气室损失的下降也使得改进后的丙烷制冷压缩机补气室结构温度出现了一定下降，进入第三级叶轮的气流也因此变得更为均匀，这使得丙烷制冷压缩机第三级的效率提高了5.32%。

图1 典型丙烷制冷工艺简图及压焓图

图2 改进前的补气结构（左）、改进后的补气结构（右）

对比改进前、改进后丙烷制冷压缩机加气室留道子午相对速度分布不难发现，改进后的丙烷制冷压缩机补气室结构的第三级叶轮内流动较为均匀，这种均匀性较改进前的第三级叶轮内流动存在明显优势，这同样能够证明改进后丙烷制冷压缩机第三级效率更高；而进行改进前后丙烷制冷压缩机加气室纵剖面流动情况的对比不难发现，改进前的丙烷制冷压缩机加气室纵剖面流动情况不容乐观，存在的较大漩涡对加气室两侧造成了极为负面的影响，速度变化大也使得第二级回流器出来的气流与丙烷制冷压缩机加气室加进的气流混合极为不均匀，这种混合的不均匀导致丙烷制冷压缩机第三级叶轮进口处的气体损失增大，改进前丙烷制冷压缩机第三级叶轮的效率因此偏低，但改进设计后上述问题基本得到了解决，丙烷制冷压缩机第三级叶轮进口处的气体损失因此大幅减少，第三级叶轮效率也因此实现了长足提升。

5 丙烷制冷流程模拟

5.1 模型建立

图3 丙烷制冷模拟流程

为解释丙烷制冷系统的内在运行规律，丙烷制冷流程模拟的开展具备较高必要性，而为了在实际生产中不影响丙烷制冷压缩机正常运行，丙烷制冷流程模拟也可应用PRO/Ⅱ烃类工艺模拟软件，该软件由美国SimSci公司出品，图3为应用该软件的丙烷制冷模拟流程。结合丙烷压缩制冷系统标定数据机数表不难发现，丙烷制冷系统的制冷剂流量、压缩机排气压力、冷凝温度、蒸发温度、环境温度、冷却水流量、电机运行电流、电机运行电压、电机功率因数、电机效率分别为12065kg/h、1436kPa、40.6℃、-34.7℃、28.5℃、214.7m3/h、53A、6300V、0.92、81%，而结合丙烷压缩机标定核算结果不难发现，其输入功率、轴功率、压缩机效率、机组效率、有效制冷量、制冷系数分别为534.1kW、456.25kW、64%、58%、733kW、1.61。

5.2 具体模拟

应用PRO/Ⅱ烃类工艺模拟软件的丙烷制冷模拟环节主要包括制冷系统物流成分选择、制冷系统热力学状态方程选择、标准计量单位选择、使用物流线连接建立工艺流程图、定义能力参数与物流状态（流程单体设备）、定义观察到的运行结果内容（物流线上）、运行操作（RUN指令），而在View Excel Result命令的支持下，技术人员可应用excel软件进行换热能力、做功能力、分子量、焓值、总摩尔组成、汽相摩尔组成、液相摩尔组成、总流量、液相流量、汽相流量、压力、各物流、设备温度等详细结果的查看。对比主要操作点的实际参数与工艺运行参数不难发现，实际参数与模拟求得的工艺运行参数相差不大，如制冷剂丙烷模拟流程的循环质量为12065kg/h，实际流程的循环质量同样为12065kg/h；丙烷压缩机模拟流程的出口压力、出口温度分别为1438kPa与70℃其实际流程的出口压力、出口温度分别为1440kPa与70℃；模拟流程冷凝器出口压力、出口温度分别为1435kPa与40.8℃，其实际流程的出口压力、出口温度分别为1440kPa与-34.3℃；模拟流程蒸发器出口压力、出口温度分别为-116.6kPa与40.8℃，其实际流程的出口压力、出口温度分别为115kPa与-35℃，由此可确定PRO/Ⅱ烃类工艺模拟软件的应用价值，物流工艺模拟质量也能够由此得到证明，围绕PRO/Ⅱ烃类工艺模拟软件开展的更进一步丙烷制冷压缩机改进设计则将成为笔者下一步研究的方向。

6 结论

综上所述，丙烷制冷压缩机的补气室结构改进设计具备较高现实意义，在此基础上，本文应用数值模拟CFD技术开展的数值验证，则直观证明了丙烷制冷压缩机的补气室结构改进设计能够降低损失、提升加气室流场理想程度，而为了更好发挥丙烷制冷技术的优势，丙烷制冷系统的总体改造、各地廉价自然冷源的应用必须得到重点关注。