蜡油加氢装置循环氢压缩机喘振线计算及问题浅析

蜡油加氢装置循环氢压缩机是由沈阳鼓风机厂制造, 主要作用是将循环氢脱硫塔塔顶的氢气升压后循环使用, 其设计入口流量190000 m3/h, 进口温度58℃。

一、循环氢压缩机喘振的机理

1.旋转脱离当压缩机入口流量减少至某一值时, 叶道进口正冲角很大, 致使叶片非工作面上的气流边界层严重分离, 并沿叶道扩张开来。但由于各叶片的制造与安装不尽相同, 再加上来流的不均匀性, 气流的脱离往往在一个或几个叶片上首先发生, 从而形成所谓“旋转脱离”的现象。旋转脱离区有时也可能同时在某几个叶道中出现, 而形成数个脱离团。叶片扩压器中同样存在旋转脱离, 而且旋转脱离往往是首先在叶片扩压器中出现。旋转脱离使气流产生流速、压力等参数的周向脉动, 其脉动的幅值小, 而频率高, 并对叶片产生周期性的交变作用力, 如该交变作用力的频率与叶片的固有频率相近, 就有可能使叶片产生共振而遭到破坏。

2.压缩机的喘振当压缩机的流量进一步减少时, 叶道中的若干脱离团就会连在一起成为大的脱离团, 占据大部分叶道, 这使气流受到严重阻塞, 致使性能曲线中断与突降。叶轮虽仍旋转并对气流做功, 但不能提高气体的压力, 于是造成压缩机出口压力显著下降。由于管网具有一定的容积, 故管网中的气体压力不可能很快下降, 于是会出现管网中的压力反大于压缩机出口压力的情况, 从而使管网中的气体向压缩机倒流, 并使压缩机中的气体冲出压缩机的进口, 直至管网中的压力下降至等于压缩机出口的压力时倒流才停止。气流在旋转叶轮的作用下继续正向流动, 提高管网中的压力。当流量再次下降时, 系统中的气流又产生倒流, 如此正流、倒流反复出现, 使整个系统发生了周期性的低频大振幅的轴向气流振荡现象, 即称为压缩机喘振。

二、喘振的危害

在压缩机的喘振过程中, 压缩机的人口流量和出口压力会周期性的波动, 造成压缩机入口和出口的温度急剧升高, 机体振动增大, 出口压力波动, 进而造成生产波动, 严重时会损坏压缩机本体, 使整个生产装置停车。因此为了防止压缩机发生喘振, 通常我们根据厂家提供的性能曲线或试样制作出防喘振线。

三、喘振线的基本概念

1.喘振线在某一转速, 当压比一定时, 保证压缩机入口流量不低于最小流量值的控制点为喘振点。例如:在某一转速, 压比一定时, 压缩机入口流量的喘振点最小流量值为最大流量的30%, 如果装置处理量降低, 使得压缩机入口流量低于30%, 如25%, 此时为了保证压缩机入口的最小流量值就必须用压缩机出口量打回入口, 来补充不足的5%流量。这样就起到了防喘振的目的。将喘振点连接成线, 称为喘振线。为了安全起见一般喘振线都设有一定的安全裕度 (7%~10%) , 称为防喘振线。

2.喘振边界的确定方法一般来说, 压缩机制造厂提供的性能曲线仅是压比或效率与实际入口流量、转速之间的关系。即:

式中:pd———出口压力

ps———入口压力

Qv———实际入口体积流量, m3/h

n———压缩机转速, r/min

由于压缩机入口温度、压力、分子量的不同, 性能曲线 (包括喘振边界) 也随之改变。

在防喘振控制设计中, 希望得到一条不随入口条件变化的固定喘振边界。根据相似原理, 当离心压缩机在不同转速, 周围介质的温度、压力变化的条件下工作时, 如果保持工况相似, 则压缩机的压比、效率保持不变, 而要保持工况相似则必须保持马赫数Ma2u、流量系数Φ、等熵指数K值相等。

采用pd/ps和 (Qv/R TsZ) 作图时得出的喘振曲线, 其基本形状为抛物线, 而采用pd/ps和 (Qv/R TsZ) 2作图时得到的喘振线则基本呈直线形状。从控制角度考虑, 这种线性关系具有特殊的价值。

将无因次组合参数转化成易于测量的参数

由式 (1) 、式 (2) 得:

根据压缩机入口流量孔板的计算公式可得:

由式 (3) 、式 (4) 得:

式中:ρs———入口气体的密度, kg/m3

M———入口气体的平均分子量

为简化起见可采用Pd/Ps和HX[HX表示 (h/Ps) 与 (h/ps) max比值的百分数]绘制出压缩机的喘振边界, 可不受到入口条件变化的限制, 并且喘振边界基本呈直线形状。

喘振的边界条件由式3和式6得:

3.喘振线的计算实例根据压缩机厂家提供的3种预期性能曲线得出各个喘振点:

最大流量:转数:10645rpm分子量:6.25进口压力:11.038MPa进口温度:58℃Z=1.06出口压力:12.543MPa流量:3056m3/h

式中:Pd—压缩机出口压力MPa (A) ;Ps—压缩机入口压力, MPa (A)

同理, 计算出个性能曲线是的喘振点, 如下图表:

根据以上计算结果, 绘制出喘振边界。图中可看出, 采用pd/ps和易于测量的无因次参数HX为坐标时, 不同工况下的喘振边界为近似重合的直线段。在实际应用中, 正是以这条近似重合的直线段作为固定的喘振边界。需要说明的是, 由于在计算过程中因等熵指数K值的变化和影响较小而忽略不计, 在图现出某些喘振点与固定喘振边界之间存在很小的偏差, 而在绘制固定喘振边界时, 这些偏离点置于左侧区域, 因而是安全可靠的。

四、关于本装置压缩机现状情况分析

通过对喘振线的计算, 发现在入口温度的提高、分子量的减小、和进气压力的降低, 都会使喘振区域变大, 正常工作区域减小。

1.在蜡油加氢的正常负荷工作情况下, 反应系统耗氢量增大, 氢分压靠制氢装置产出的纯度为99.9%的新氢来补充, 会使循环氢的分子量减小, 相对而言压缩机厂家提供的性能曲线的分子量较大, 致使导致压缩机在非喘振区工作而发生喘振。建议压缩机厂家重新修订防喘振线。

2.蜡油加氢装置目前加工的蜡油含硫量较高, 反应耗氢量较大, 导致循环氢压缩机入口流量相对较少。此时可以适当的开启防喘振阀来增加入口流量, 使压缩机的工作点进入正常工作区域。

3.压缩机在入口流量不变的情况下, 提高转数, 可以提高出口压力, 使其高于系统压力而使压缩机不发生喘振。所以当压缩机在发生喘振时可以提高转数来使压缩机脱离喘振状态。

4.压缩机的开/停机过程是一个工况突变的过程, 极易产生喘振, 使离心压缩机无法正常起动运行。在此种情况下, 我们采用的控制策略是根据离心压缩机在不同工况条件下的性能曲线, 通过对输气系统中的吸气阀、排气阀、旁通阀和气轮机的能量调节系统的控制, 由程序来模拟压缩机的起动和停机过程的流量曲线, 把压缩机的最小流量控制在工作区 (控制线以内) , 压缩机即可正常起动和停机。

通过以上措施和方法我们可以在有效的防止压缩机喘振的同时降低装置能耗, 提高经济效益。

摘要：循环氢压缩机是220wt/a蜡油加氢车间核心设备之一, 在运行过程中, 压缩机工作点经常在防喘振曲线画面中的喘振区域, 尽管压缩机机体本身并无喘振迹象, 但从安全角度考虑, 实际生产中防喘振阀一直维持一定的开度。过此尽管如此, 也不能完全保证机体的安全运行, 还增加了装置能耗, 。本文针对此现象对防喘振曲线做了初步探讨, 并提出了解决办法。

关键词：蜡油加氢,循环氢,喘振线