氣體壓縮機(jī)的選擇

1、氣體壓縮機(jī)的選擇及基本原理氣體壓縮機(jī)被用于許多應(yīng)用場(chǎng)合，例如制冷循環(huán)、燃?xì)廨啓C(jī)、燃燒過(guò)程、內(nèi)燃機(jī)中的渦輪增壓機(jī)和增壓器、民用燃?xì)獾墓艿垒斔?、氣力輸送系統(tǒng)，以及噴射與航空服務(wù)(氣動(dòng)工具、工廠裝備、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、清潔、霧化、干燥和填充/清空)。在工業(yè)領(lǐng)域，壓縮機(jī)在化工、石化和精煉工藝中也起著相當(dāng)重要的作用。本系列文章旨在向負(fù)責(zé)挑選壓縮機(jī)的工程師以及其他讀者闡明與壓縮機(jī)設(shè)計(jì)有關(guān)的基本定律、應(yīng)用不同類型壓縮機(jī)的原則，以及選擇最佳壓縮機(jī)配置和輔助裝置的工作步驟。壓縮過(guò)程從熱力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，壓縮過(guò)程可以通過(guò)幾種不同的方式發(fā)生，即等溫、等熵或者多方過(guò)程，如表1.1中所示。等熵指數(shù)“K”是定壓比熱與定容比熱之比。其

2、值可方便地從氣體性質(zhì)表或者合適的軟件中查找。與之相比，多方指數(shù)值“n”受到多個(gè)因素的影響，相當(dāng)難以計(jì)算。用p-V圖來(lái)表現(xiàn)表1中所描述的壓縮過(guò)程，如圖1所示。 壓縮機(jī)壓頭除了流量，壓縮機(jī)壓頭也是影響壓縮機(jī)性能的重要參數(shù)。它代表著壓縮機(jī)處理每單位重量流體所做的功。用米或者英尺(kgm/kg 或 lbft/lb)為單位來(lái)表示，定義如下：H = 101,972vdp (1.1)其中，H是壓頭，以米為單位(m)，v是比容(m3/kg)，p是絕對(duì)壓力(MPa)。比容(v)能夠從氣體表中直接獲得，或者通過(guò)密度()的倒數(shù)計(jì)算得到。在代入相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行公式變換之后，得到以下等式：Hp= 101,972n/(n-

3、1)p1v1(p2/p1)(n-1/n) - 1 (1.2)Hp = 101,972n/(n-1)ZRT1(p2/p1)(n-1/n) - 1 (1.3)其中，Hp是多方壓頭(m);R是氣體常數(shù)(kJ/kgK);T1是吸入溫度(K);Z是平均壓縮系數(shù)。R= 8.3142/MW，其中MW是氣體的分子量。 當(dāng)壓縮系數(shù)的值為1時(shí)，應(yīng)該使用等式1.2。當(dāng)平均壓縮系數(shù)的偏差不大時(shí)，可將其用于等式1.3中，并且容許有可忽略的誤差。也就是說(shuō)，平均值Z在0.95到1.02之間變化，或者在壓縮范圍內(nèi)保持一定的恒定。在其他情況下，應(yīng)該使用下列公式：Hp=101,972log(p2/p1)(p2v2-p1v1)/l

4、og(p2v2/p1v1) (1.4)等式1.4專門用于適度壓力或者高壓以及/或者低溫下的烴類氣體。若要順利地應(yīng)用等式1.2和1.3，必須確定多方指數(shù)的值，這是一個(gè)極為重要的前提條件。為了達(dá)到這個(gè)目的，應(yīng)用以下等式來(lái)確定壓縮機(jī)的液壓或者多方效率 ：=1000vdp/h (1.5)其中，是液壓或者多方效率;h是焓差(kJ/kg)。焓在壓縮期間的變化為：h=1000k/(k-1)p1v1(p2/p1)(n-1/n)-1 (1.6)從而得到：=(k-1)/k/(n-1)/n (1.7)通過(guò)等式1.7以及已知或假設(shè)的多方效率，即可計(jì)算出多方指數(shù)。對(duì)于給定的壓縮機(jī)，其多方效率通常是抽吸狀態(tài)下壓縮機(jī)輸氣量

5、的函數(shù)，可以通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。使用2D葉輪的中型離心壓縮機(jī)的多方效率可達(dá)72%到80%。使用3D葉輪的大型壓縮機(jī)的多方效率可達(dá)83%，而大型軸流壓縮機(jī)的多方效率可達(dá)85%。針對(duì)裝有2D葉輪的多級(jí)離心式壓縮機(jī)，圖2顯示了其多方效率作為吸氣能力函數(shù)的近似值。顯然，這些值會(huì)隨著壓縮機(jī)的特定設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)的變化，尤其是葉輪的變化而改變，所以圖2中所示的曲線僅能用于指導(dǎo)計(jì)算程序的開始階段。當(dāng)進(jìn)行長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，應(yīng)該將圖2中得到的效率值減去幾個(gè)百分點(diǎn)，這主要是因曲徑密封墊片磨損所帶來(lái)的影響。 為了便于計(jì)算，在輸入與不同吸氣能力或者多方效率所對(duì)應(yīng)的等熵指數(shù)“k”之后，圖表通常會(huì)給出(n-1)/n的值。在文章之

6、中，將展示這樣的一個(gè)例子。對(duì)于正排量壓縮機(jī)，壓縮過(guò)程幾乎是等熵的，可以應(yīng)用相應(yīng)的等式得到相當(dāng)好的結(jié)果。使用冷卻隔膜的離心壓縮機(jī)亦如此。Ha=101,972k/(k-1)P1V1(P2/P1)(k-1/k) - 1 (1.8)Ha=101,972k/(k-1)ZRT1(P2/P1)(k-1/k) - 1 (1.9)其中，Ha是以米為單位的等熵壓頭。以上給出的等式均假設(shè)壓縮氣體為單相氣體。如果壓縮機(jī)入口氣流中含有氣體和液體(例如濕氣)，則這些等式必須修改。應(yīng)用等式1.8和1.9時(shí)，有一些與壓縮因數(shù)的值相關(guān)的約束條件，它們與應(yīng)用等式1.2和1.3時(shí)的約束相同。此外，當(dāng)處理非理想氣體時(shí)，等熵指數(shù)會(huì)隨著

7、壓縮過(guò)程的進(jìn)展而變化。若壓縮過(guò)程開始和結(jié)束時(shí)的k值變化很小，就可以取這兩個(gè)數(shù)值的平均值。對(duì)于其他情況，需要選取合適的狀態(tài)方程，或者通過(guò)運(yùn)用莫利爾圖計(jì)算最終溫度，并使用以下方程，來(lái)確定壓縮指數(shù)()。=ln(p2/p1)/ln(p2/p1) - ln(T2/T1) (1.10)負(fù)責(zé)挑選壓縮機(jī)的工程師們?cè)谶x擇壓縮過(guò)程的類型、效率類型(例如等熵、等溫或者多方)，以及性能計(jì)算所用的公式時(shí)可能會(huì)有不同意見(jiàn)。有些人偏愛(ài)等熵過(guò)程，它適合于任何類型的空氣壓縮機(jī)、單級(jí)離心式壓縮機(jī)，以及干螺桿式壓縮機(jī)。有些工程師則選擇等溫壓縮，其計(jì)算涉及帶有強(qiáng)冷卻的活塞式壓縮機(jī)或者噴油螺桿壓縮機(jī)。有些制造商在其離心壓縮機(jī)全系列產(chǎn)品

8、中全部采用等熵循環(huán)。無(wú)論哪種情況，效率類型必須與所選擇的壓縮過(guò)程相對(duì)應(yīng)。多方過(guò)程比假設(shè)為等熵的系統(tǒng)更難分析。難點(diǎn)在于熱量會(huì)出入系統(tǒng)，并且，這種額外的能量會(huì)改變一些基本的氣體性質(zhì)，特別是比熱比。對(duì)于多方過(guò)程，每一次新的計(jì)算都需要一個(gè)新的比熱比值。但是，針對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力壓縮機(jī)的分析，常常選擇多方壓縮過(guò)程，因?yàn)樗m合用于處理工業(yè)領(lǐng)域中所用到的各類氣體，而在計(jì)算正排量壓縮機(jī)的性能時(shí)，應(yīng)用的則是等熵循環(huán)。所需功率通過(guò)下述表達(dá)式來(lái)計(jì)算壓縮氣體所需要的功率：GKW = wh/3600 (1.11)其中，GKW是氣體功率(kW)，w是質(zhì)量流量(kg/h)。對(duì)于多方壓縮，代入相關(guān)參數(shù)變換得到：GKWp=wHp/(

9、367,200) (1.12)對(duì)于等熵壓縮：GKWa=wHa/367,200 (1.13)同樣通過(guò)代入相關(guān)參數(shù)，可以分別得到多方和等熵壓縮過(guò)程所需氣體功率的常規(guī)表達(dá)式：GKWp=n/(n-1)wZRT1/(3,600(p2/p1)(n-1/n)-1 (1.14)GKWa=k/(k-1)wZRT1/3,600(p2/p1)(k-1/k)-1 (1.15)代入狀態(tài)方程得到：GKWp=0.2777n/(n-1)p1Q1/(p2/p1)(n-1/n)-1 (1.16)GKWa = 0.2777k/(k-1)p1Q1(p2/p1)(k-1/k)-1 (1.17)其中Q1是吸入狀態(tài)下的氣體體積流量(m3/

10、h)。對(duì)于離心式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)主軸的額定功率(kW)為：KW=GKW/m (1.18)其中，m是機(jī)械效率。對(duì)于往復(fù)式壓縮機(jī)，機(jī)械效率應(yīng)該乘以氣缸效率(c)，引入該參數(shù)是出于對(duì)增量氣缸尺寸和允許活塞桿載荷的考慮，旨在修正理想條件：KW=GKW/(mc) (1.19)機(jī)械效率的典型范圍如表2所示。 運(yùn)用圖3中的曲線，可以得到與一定壓力比值所對(duì)應(yīng)的氣缸效率的近似值。壓縮機(jī)功率還受氣體比重和進(jìn)氣壓力的影響。在文獻(xiàn)資料中可以找到相關(guān)的修正系數(shù)。 排氣溫度出口氣體溫度通過(guò)以下等式來(lái)計(jì)算：T2= T1(p2/p1)(n-1/n) 適用于多方壓縮 (1.20)T2= T1(p2/p1)(k-1/k) 適用于等

11、熵壓縮 (1.21)其中T1和T2分別是進(jìn)氣溫度和排氣溫度，單位為K。從設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看，排氣溫度通常受到如下限制： 往復(fù)式：150 離心式和軸流式：195 整體嚙合式：250 干螺桿式：288但是，最大排氣溫度會(huì)受到幾個(gè)因素的限制。對(duì)于往復(fù)式壓縮機(jī)，最大預(yù)測(cè)排氣溫度必須低于150，而且，對(duì)于壓縮富氫氣體的工作(12MW或更少)，必須不超過(guò)135。如果壓縮機(jī)氣缸的排氣溫度保持在118以下，則氣缸零部件的耐磨壽命會(huì)更長(zhǎng)。一般建議排氣溫度應(yīng)遠(yuǎn)低于這些極限值?？梢岳脦追N設(shè)計(jì)解決方案來(lái)降低排氣溫度，例如，使用多級(jí)壓縮，在壓縮期間對(duì)氣體進(jìn)行級(jí)間冷卻或者強(qiáng)冷卻。氣體的標(biāo)準(zhǔn)條件常規(guī)條件或標(biāo)準(zhǔn)條件(Nm3/h

12、：常規(guī)每小時(shí)立方米;sm3/h：標(biāo)準(zhǔn)m3/h;scfm：標(biāo)準(zhǔn)每分鐘立方英尺)根據(jù)行業(yè)的不同以及權(quán)威機(jī)構(gòu)的規(guī)定而異。根據(jù)ISO/CAGI/PNEUROP 的規(guī)定，最常用的標(biāo)準(zhǔn)條件的值為：壓力1bar，溫度293K，相對(duì)濕度0%(干燥)。但是，由API確定的值為：壓力1.014bar(1ata)，溫度288.5 K，相對(duì)濕度0%(干燥)。實(shí)際條件(m3/h;am3/h：實(shí)際m3/h;acfm：實(shí)際每分鐘立方英尺)指的是在壓縮機(jī)入口處的氣體壓力和溫度。對(duì)于工作在給定速度下的給定壓縮機(jī)，無(wú)論溫度、大氣壓力或者高度如何，其流量一直保持恒定。由于未考慮到這種慣例，導(dǎo)致了數(shù)個(gè)錯(cuò)誤的出現(xiàn)。必須了解應(yīng)用于這種氣

13、體狀態(tài)的條件，才能通過(guò)理想氣體的特征方程進(jìn)行必要的修正。此外，還應(yīng)該記住一點(diǎn)，對(duì)于同一個(gè)地理區(qū)域，高度越高，大氣壓力越低，因此壓縮機(jī)內(nèi)的有效氣體量(質(zhì)量流量)就越低。輸氣量與容積效率壓縮機(jī)輸氣量指的是在入口壓力和溫度下測(cè)得的實(shí)際氣體輸送量，用每單位時(shí)間的體積量來(lái)表示(通常為m3/h或者cfm)。容積效率被定義為壓縮機(jī)的實(shí)際輸氣量(Q)與活塞排量(vd)之比。v = Q/vd (1.22)活塞式壓縮機(jī)的輸氣量由以下兩個(gè)等式給出，其中等式1.23適用于單作用氣缸，等式1.24適用于雙作用氣缸。Q = 15D2LNv (1.23)Q = 15(2D2 - d2) LNv (1.24)其中，Q是壓縮機(jī)

14、輸氣量(m3/h);D是氣缸內(nèi)徑(m);d是活塞桿直徑(m);L是活塞沖程(m);N是轉(zhuǎn)速(rpm)。多級(jí)壓縮通過(guò)對(duì)性能進(jìn)行公式化的表達(dá)和優(yōu)化，并對(duì)壓縮機(jī)和級(jí)間設(shè)備進(jìn)行投資，能夠獲得最佳的級(jí)間壓力。認(rèn)為級(jí)間壓力僅與壓縮機(jī)有關(guān)而不考慮級(jí)間設(shè)備的這種想法不合理。多級(jí)壓縮(圖4)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 容積效率比具有相同間隙和相同全壓比的單缸壓縮機(jī)更高。 最終溫度更低。 能夠使用中冷器降低各級(jí)之間的氣體溫度，從而節(jié)省能量。這是因?yàn)檎狭怂屑?jí)的綜合壓縮過(guò)程近似于一條等溫線(由圖4中的藍(lán)色線表示)。當(dāng)每個(gè)氣缸所做的功等量時(shí)，壓縮一定量氣體所需的功能達(dá)到最小。在理想條件下，任何數(shù)量的壓縮級(jí)都能達(dá)到最佳級(jí)間壓力。(pd