50%卸荷工况对往复式压缩机的影响分析

2021-03-23曾跃波连小松徐延学

化工设备与管道 2021年5期

曾跃波，连小松，徐延学

（中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海 201108）

往复式压缩机是石油化工行业最常用的压缩机之一，其容积流量往往是按照装置负荷的最大值设计，且按照API 618 还应有3%的富裕量。一旦压缩机被设计生产出来，它的吸气量基本是固定的，为了适应低负荷下运行，往复式压缩机可使用多种流量调节方式[1-6]。在所有的流量调节方式中，全部顶开吸气阀的卸荷调节是最常使用的流量调节方式，它有省功、调节设备简单、造价低等优点，但是其缺点也十分明显，对于绝大部分压缩机来说，只能实现0%，50%，100%三档调节，而且基本不允许长时间0%负荷调节，0%负荷调节仅在切机时使用，且50%调节为特定比例调节，还需配合回流调节等其他流量调节方式[7]。

50%卸荷为盖侧卸荷，轴侧保持满负荷操作，本文主要研究50%卸荷工况对往复式压缩机级间压力、反向角以及曲轴转矩的影响[8]。

1 50%卸荷工况对级间压力的影响

常见的往复式压缩机的气缸由盖侧和轴侧构成，因为轴侧存在活塞杆的原因，导致一个压缩周期内盖侧吸入的气体比轴侧吸入的气体的体积要小。而50%卸荷工况仅卸荷轴侧，导致卸荷后的吸气量小于100%负荷时的50%，而对于多级压缩机的后几级来说，活塞杆体积占据气缸的体积越来越大，导致这几级吸气量更小于100%负荷吸气量的50%。

往复压缩机的热力学复算就是要试算出一个级间压力分配[9-10]，使得每一级气缸的吸气质量流量相等，然而这种试算过程很复杂，尤其是对于多级压缩的压缩机，经常要试算十几次[11]。而通过HYSYS 专有的往复压缩机模型[12]，可以很好地模拟这种卸荷工况。以某加氢装置的四级压缩机为例，图1 表示了四级压缩机的压缩流程，而图2 分别表示了卸荷前和卸荷后的各级压力变化及流量变化情况。

图1 四级压缩机流程图Fig.1 Four stage compressor flow scheme

通过分析图2 可以看出，由于活塞杆的影响，50%卸荷后，级间压力均上升，且第三级出口的压力上升最多，即此级的压比上升最大，而最后一级的压比下降。同时，从流量可以看出，50%卸荷后的流量比100%负荷时流量的50%要小。以上规律适用于所有卸荷工况的压缩机。

图2 卸荷前后的压力及流量变化Fig.2 Pressure and flow rate contrast before and after unloading

这就要求我们在设计压缩机时，要充分考虑卸荷工况对级间压力的影响，并适当提高级间安全阀的定压，防止因卸荷导致的级间安全阀起跳。

2 50%卸荷工况对反向角的影响

压缩过程分为膨胀、吸气、压缩、排气四个过程。而盖侧卸荷时，盖侧的压力就是吸气压力，且一直保持不变。图3a、b 图分别表示卸荷前后某一级的受力情况。图3 中的气体力叠加曲线最后一部分为直线，对比图3a、b 图可以发现，图3a 中的气体力叠加曲线的最后一段直线数值的绝对值比较大，而图3b 中相应一段直线数值的绝对值却小很多，这是因为，此段直线代表着轴侧的吸气过程，轴侧吸气时轴侧和盖侧的压力相等，此时气体力两侧叠加仅等于吸气压力乘以活塞杆截面积，而活塞杆截面积相对于气缸截面积比较小，造成了此段直线数值上的下降。

通过分析综合活塞力曲线，可以分析出此级的反向角，从图3 中可以看出，此级的反向角卸荷前大约为180°，而卸荷后为90°反向角变小了。其实并非50%卸荷后该级的反向角均会减小，某些情况下反向角还会增加，如图4 所示。根据经验，如果该级反向角在100%工况比较小时，50%卸荷工况下的反向角大概率会增加。

图3 卸荷前后的某一级的受力曲线（反向角减小工况）Fig.3 Load and force curve contrast of one certain stage before and after unloading（rod reversal decrease situation）

图4 卸荷前后的某一级的受力曲线（反向角增大工况）Fig.4 Load and force curve contrast of one certain stage before and after unloading（rod reversal increase situation）

因为卸荷工况时的反向角存在变化，这就要求压缩机设计时，要分析卸荷工况下的反向角变化，防止因为反向角过小引起十字头销润滑不畅导致十字头销损坏的发生。

3 50%卸荷工况对压缩机扭矩的影响

50%卸荷工况影响了每一级的气体力，从而影响了该级的综合活塞力，有可能使得综合活塞力增大，也可能减小。而综合活塞力的变化又能影响连杆力从而使得本级的切向力发生变化，每级切向力叠加得到曲轴的负载扭矩，从而导致了曲轴负载扭矩的变化。

图5 表示了卸荷前后，某台压缩机负载扭矩的变化情况，从图中可以看出，整体的负载扭矩变小了，波动率似乎没有变化，但是从理论上讲，卸荷后有可能使得负载扭矩变大或者波动率变大。而负载扭矩变大或扭矩波动值变大，有可能导致压缩机旋转不均匀度超过API618 的标准值，或导致电机电流脉动超过标准规定值。这就要求我们在压缩机设计时，要充分考虑卸荷工况对往复压缩机扭矩值的影响。