二氧化碳压缩机组气动性能试验探究

邢明磊 张瑞 史吉隆(沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869)

0 引言

尿素合成的原料是氨和二氧化碳，主要分为两步进行：①氨与二氧化碳作用生成氨基甲酸铵(简称甲铵)；②甲铵脱水生成尿素，其反应式为：

① 2NH3+CO2→NH2COONH4+159.47kJ

② NH2COONH4→CO(NH2)2+H2O-28.49kJ。

其中CO2通过分离器后进入二氧化碳压缩机入口，经过压缩机的加压和分离罐的脱硫脱氢，将CO2增压至140MPa(A)以上，送到尿素合成塔，尿素装置中二氧化碳压缩机组入口压力大约在0.13MPa(A)左右，出口压力大约为15MPa(A)左右，机组本身具有压比高、压差大、温度高、转速高等特点，该类压缩机多使用为多缸、多段、多级的形式进行设计，为了保证压缩机组可以在用户现场长期稳定运行，在压缩机制造厂进行气动性能试验有很大的意义。

1 气动性能试验的意义

压缩机气动性能试验是压缩机厂检验自身压缩机组生产制造工艺是否满足用户气动性能要求所进行的模拟试验，也是用户对压缩机组在投产前进行的考核，通过对压缩机组的流量、压力、温度、转速等参数的测量与计算，检测压缩机的(流量、能量头、功率、效率)等热力学性能指标，目的是考核压缩机是否满足API617—2014《石油、化学和气体工业用轴流、离心压缩机及膨胀机-压缩机》标准要求，证明压缩机设计和制造水平的可靠性，为用户提供可靠的压缩机组。

2 压缩机设计参数复算

以某化肥装置中二氧化碳压缩机为例，压缩机入口压力为0.1275MPa(A)，出口压力为15.206MPa(A)，总压比119.26。压缩机按照两缸、四段进行设计。首先将设计参数进行复算，复算结果见表1。

表1 设计参数复算表

3 试验参数确定

3.1 试验标准规定

ASME PTC10—1997《压缩机和排气机试验规程》标准规定有两种试验型式，Ⅰ型试验是用设计状态的气体所做的性能试验，并且性能试验参数(如转速、进口压力、进口温度等)与压缩机的设计参数差别极小。借此用于考核压缩机流量、功率、出口压力等。

在不能满足第Ⅰ类试验的条件下ASME PTC10—1997《压缩机和排气机试验规程》标准规定了Ⅱ类型试验，Ⅱ型试验采用相当于一个用不同测试气体(二氧化碳、氮气、R134a、空气等)或不同于设计运转条件的试验。

即试验气体或运转条件与设计不同的试验，但是必须满足试验条件与设计运转条件之间允许的偏差范围。

ASME PTC10—1997标准规定Ⅱ类型试验，试验运转条件与设计运转条件之间参数允许偏差值如表2所示。

表2 试验值允许偏差范围

3.2 试验参数

本装置二氧化碳压缩机采用第Ⅱ类型试验。具体试验参数见表3。

表3 压缩机试验参数

根据以上计算结果分析，以CO2为气体进行的试验，满足ASME PTC10—1997《压缩机和排气机试验规程》标准的相似条件，试验压力和温度不超过压缩机最大允许的压力和温度、试验的转速不超过压缩机安全运行转速，在此条件下的性能试验，将会得到可靠的试验结果。

4 试验方法及结果

4.1 测点的布置

进、出气试验管路上应分别设有供测量压力和温度的测量孔，在管路指定的同一截面壁上，沿圆周方向均布钻4个孔。

压力、温度测点位置严格按照ASME PTC10-1997《压缩机和排气机试验规程》标准布置，流量孔板严格按照孔板安装要求进行安装。

4.2 测量参数

气动性能试验按ASME PTC10—1997标准采用闭式回路试验方法。观测并记录的数据主要包括：进口压力、出口压力，进口温度、出口温度，流量(压差)，上游压力，上游温度，转速等。

4.3 数据采集系统

(1)全面应用计算机采集系统进行数据的实时记录，有助于获得准确、可靠的试验数据，有利于试验过程中出现问题的分析。

(2)采集系统的构建：通过现场转速、温度、差压、压力传感器将物理信号转换到电信号，通过现场PLC进行数据采集，采集到的电信号通过数字滤波器进行滤波，排除现场各种电信号的干扰，从而得到准确测试数据，将电信号转换到数字量进行记录，从而得到准确的试验数据。

4.4 试验程序

(1)氮气打压，高于试验条件下的最高压力，检查系统密闭性能。

(2)置换气体：试验前需对管路内气体进行置换，保证试验气体纯度。

(3)试验前和试验期间用气相色谱分析仪进行管路取样成份分析。

(4)确认机组正常平稳运转30分钟后，经检查证明机械运转和测量仪表正常后，进入气动性能试验。

(5)在保证进口条件下，用出口阀来调节工况，工况点包括滞止流量点、设计点和喘振点等五个工况。

(6)其中最小流量工况为喘振工况，通过改变压缩机的转速，对不同转速情况下进行喘振点测试，进而确定其喘振线。

(7)试验完毕将出口调节阀门打开，并缓慢打开放空阀，并停机。

4.5 试验结果

通过对进口压力、出口压力，进口温度、出口温度，流量(压差)，上游压力，上游温度，转速等参数的测量。按照ASME PTC10—1997《压缩机和排气机试验规程》进行换算考核。性能试验曲线见图1。

图1 性能试验曲线

5 结语

通过对大型尿素生产装置二氧化碳压缩机在制造厂内性能试验的测试，不仅验证了压缩机设计和制造水平的可靠性，有效的降低了能源浪费和停车率，同时也保证了压缩机组的长期安全稳定运行。