大型尿素装置CO2 压缩机组的关键技术研究

宋立强

（中国石油大庆石化公司化肥厂，黑龙江大庆 163714）

0 引言

大型尿素装置中CO2压缩机是最重要的设备。随着科学技术水平不断提高，无论是对性能方面还是安全方面都提出了非常严格的要求。目前，CO2压缩机组问题频发，在后期维护方面，因机组对外部工况条件反应非常敏感，一旦出现一点变化都会对运行效率和经济效益造成非常严重的影响。因此，对CO2压缩机组关键技术的研究具有非常重要的现实意义。

1 CO2 压缩机组概况

随着计算机技术的不断发展，CFD（计算流体力学）技术在不同领域都有所应用，在理论和实践方面都有着非常重要的作用。在数值模拟过程中，由于CO2气体在不同温度压力范围内所满足的状态不一致，特别是跨临界过程中，更没有合适的方程来描述气体的变化，因此在一定程度上降低了准确率。

以往CO2压缩机更多是在原有工艺基础上完成设计并提高效率，但是在实际运行过程中工况条件往往发生改变。因此，这就需要调节进口导叶开度来调节流量，保证时序效应。由于其内部流动较为复杂，一旦流场发生变化，会危及相关工作人员的人身安全。

2 CO2 压缩机组常见故障

2.1 叶片断裂

叶片断裂是目前CO2压缩机最常见的故障，会引发CO2压缩机各种事故，轻则停机检修，重则机毁人亡。主要原因一方面是制造上存在问题，另一方面是在使用过程中，叶轮在非工期时间下的运行过量，叶片排之间产生干扰，导致叶轮叶片承载过量出现断裂。在压缩机设计起步时或者在日常运行过程中，叶片表面上的断裂问题也不容小觑。

2.2 口环密封问题

口环密封是影响离心压缩机组转子稳定工作的主要原因，口环密封具有密封气体，提高机组工作效率的作用。同时，密封气流时产生的气流振动影响机组转子的运行，从而引发失稳事故。只有研究好口环密封后内部产生的气流运动规律，设计新型的密封结构，才能更高效地确保机组转子稳定工作，避免发生高频事故。

2.3 叶轮振动问题

在机组运行过程中，机组振动等问题也是造成事故的原因。造成机组振动的原因有转子不对中、转子不平衡、气流冲击等，这些或多或少都是相互作用造成的结果。

3 CO2 压缩机组研究现状

3.1 离心式压缩机内部流动研究

一般认为离心式压缩机内部流动的规律是稳定的，但在初期针对离心式压缩机内部流动的研究活动中证实，叶轮出口处速度是不规律的，进入扩压器的气流分布也不稳定。随之，学者针对控制离心式压缩机内部流动气场的稳定性做了许多研究。通过实验证明，在不同条件下，离心式压缩机内部气场流动的规律也大不相同，解决影响离心式压缩机内部气场流动的因素仍然是当前未解之谜。

3.2 叶轮结构强度研究

以往对于叶轮强度的研究，我国主要还是只停留在离心力对于叶轮强度造成的影响，对于气流激振力对叶轮造成的影响所做的研究少之又少。我国学者从气流激振力的角度出发，针对叶轮结构及其振动特性方面展开研究。研究表明，改变静转子之间的位置会产生压缩机机能上的变化，专家学者称为时序效应。实验最终表明，时序效应能有效减少气流对叶片的冲击力，提高压缩机的机能性。时序效应对离心式压缩机组有着重要影响，如果改变时序位置可能导致压缩机叶轮振动，造成叶片断裂的严重事故。

3.3 密封性对转子影响的研究

对于密封性，人们通常只会关注两个方面：一方面是泄漏问题；一方面是气流动荡对转子稳定的影响。离心式压缩机的密封构造是每一位设计师主要关注的一点。以往多数学者就一方面或者一个密封结构进行研究，针对密封性对转子影响的研究不多。在今后研究中，专家学者可以从不同的角度出发对其进行研究，以此来探索密封性优劣对于转子稳定工作的影响。

3.4 离心式压缩机模型设计研究

离心式压缩机依靠模化法、流到法以及效率法为主要设计方法。使用频率上模化法最高，其特点主要有整机性能比较高，设计周期较短。书籍中对于离心式压缩机模化设计介绍较为详细，但运用到实践中的却较少。利用所知所学快速选择离心式压缩机模型，是当前各大生产商以及设计师较为关注的一点。

4 离心式压缩机模拟实验研究

4.1 CO2 实际气体对压缩机的影响

随着科学技术发展的进步，科学家的研究水平不断加深，先后研究实际气体在不同领域和不同材料的状态方程式。理想气体是研究气体性质的一个物理模型，这种气体的状态方程式为PV=nRT。随着研究水平加深，为减少误差，对其做了少量修改，添加压缩因子Z，这时候气体的状态方程式为PV=ZRT。

4.2 机组算例模型研究

通过研究某化工厂中任意一台抽凝气式压缩机的汽轮机动组织，结果显示，压缩机在压缩CO2气体状态时变化曲线代表气体饱和程度，折线代表压缩机在正常工作状态下对气体的压缩过程，虚线显示为气体安全边界线。

4.3 理想气体与实际气体对实验的影响

为证实CO2理想气体与实际气体两种数值对压缩机实际运行的影响，研究时选取几组不同质量的压缩机作为研究对象。结果表明在入口数值不变的情况下，参数变化如下，P01为8.03 MPa，T 为

328 K，Z 为0.631，质量为18～48 kg/h。

两种气体的不同工作质量对应的压力比逐渐缩小，其效率先大后小，符合离心式压缩机机能分布规律。实际气体的参数比理想气体更加接近压缩机运行工作点，参考价值较高。

4.4 叶轮流道内流运动实验研究

为探寻叶轮流道内流运动变化，选取3 种工作状态下的压缩机，当体积流量和质量流量相同时，理想气体和实际气体的性能差异对叶轮的影响。研究结果表明，在相同条件下实际气体与理想气体的流动角度不同，由于理想气体密度小于实际气体密度，在相同条件下的冲击力大于实际气体，这将会对准确运算造成偏差。

5 离心式压缩机问题分析

5.1 叶轮叶片振动断裂分析

分析结果由某化工厂离心式压缩机低压缸单项流固耦合提供，在定额工作情况下，分析结果仅作为参考。目的是找出造成叶轮叶片断裂和影响叶轮叶片损坏的主要因素。实验参考计算由ANSYS Workbcnch 平台提供，为保障流固耦合的匹配程度，匹配模型也从计算机内筛选导出，利用ANSYS Workbcnch 平台生成数据，考虑对气流运动的承载力，最后进行组合。

此次研究均来自某化工厂离心式压缩机定量运行工作状况下的数值，通过ANSYS Workbcnch 平台进行分析检测。由此分析得出的结论为：上一级回流器的远近是影响叶片前缘气流激振力的主要原因。

5.2 密封对离心式压缩机稳定性能影响分析

离心式压缩机稳定工作的主要保证是转子稳定运行。引起转子转动失衡的因素较多，其中，密封结构的优劣对转子运行稳定的影响相对较大。在离心式压缩机的密封设计中，运用频繁的结构为阻尼密封结构，本小节分析阻尼密封结构。

依据转子动力学理论，当转子在密封缝隙中运动时，密封结构中气体作用力和位置会发生变化。离心式压缩机的密封结构主要有梳齿、蜂窝、孔型、袋型以及组合型，其中运用较为广泛的是梳齿、蜂窝和孔型。研究表明在阻尼密封结构中，蜂窝型密封以及孔型密封对转子的稳定性有较大影响，梳齿型密封效果差强人意，组合型密封结构结合了蜂窝型和孔型的优点，可用于离心式压缩机的改造。

6 结束语

分析影响离心式压缩机稳定性的各种因素，分析离心式压缩机存在的诸多问题，为实践提供理论依据。