多级容积式压缩机变工况计算及操作

陈旭华 冉东明 李 刚 钟沅瀚

（1.中国石油西南油气田公司成都天然气化工总厂，四川 成都 610213；2.中国石油济柴动力总厂成都压缩机厂，四川 成都 610100；3.中国石油西南油气田公司蜀南气矿，四川 安岳 642352）

0 引言

容积式压缩机在工业化工行业中有大量的应用，大体可分为往复式和回转式两类，其中往复式应用更为广泛。压缩机在安装完成后，需要进行空载及负荷试车，检验机组是否符合要求。在装置未投产时，通常需要用氮气、空气或其他气体来代替设计介质进行负荷试车；此外，这些压缩机可能要在变工况下为试压、检漏提供高压气源。笔者拟就多级容积式压缩机变工况计算及实际操作进行分析。

1 多级容积式压缩机变工况计算

多级容积式压缩机在介质变化时，由于结构尺寸和主要参数已经确定，级间压力、温度值会有变化，试车时需要先进行计算，来指导试车工作。笔者以活塞式压缩机为讨论对象，讨论多级容积式压缩机的变工况计算及其实际操作。根据压缩机的结构参数得出压缩机各级气缸的行程容积为：

式中，Vh为各级气缸的行程容积，m3／s；n为本级汽缸数（双作用取2），个；D为气缸直径，m；S为本级活塞行程，m。

如果是双作用的气缸，计算中还须将活塞杆直径考虑进去，否则计算会出现较大偏差［1］。

变工况计算的目的就是在结构参数确定的前提下，核算新的压缩介质或新的进排气压力下压缩机的排气量和各级之间的压力分配、各级压缩温度以及各级轴功率等。这几个计算值之间相互关联，另外物性计算还需要调用物性库（经试验，用PR方程和SRK方程自编的计算程序可满足要求，也可调用Aspen property或HYSYS物性库），直接计算比较困难，需要进行迭代计算。各个需要确定的参数有如下关系：

式中，Vs为各级实际体积流量，m3／s；λv、λp、λT分别为容积、压力、温度系数；a为各级的相对余隙容积，m3；ε为各级的压力比；k为绝热指数；F为各级进气量，m3／s；ρ为各级进口的密度，kg／m3；pin为各级进气压力，Pa；η为各级的绝热效率；W为各级轴功率，W。

各个物性参数可以通过第三方物性库得到，各级的容积系数通过相对余隙容积和工况计算，压力和温度系数根据经验选取，每级的压缩最终温度根据物性计算获得。对工程计算来说，各级的泄漏系数、漏入系数、析水系数等可不考虑，因为工程实际操作需取较大的安全余量，可以不做精确的计算［2］。

由于要进行迭代计算，需要选取初始各级分配压力，其他参数根据此计算获得，压力的初始分配可以按照下列算式选取：

式中，p为初始分配压力，Pa；Z为压缩机级数。

计算流程见图1。

图1 计算流程图

2 某LNG厂压缩机变工况计算分析

根据上述思路，编制计算程序，并对某LNG工厂五级压缩的蒸发气（BOG）压缩机进行计算。

2.1 设计工况

设计工况为介质BOG（CH485%、N215%，温度-30℃），常压进气，背压为9 600 kPa。厂家设计资料各级参数见表1，设计工况计算数据见表2。

表1 设计工况参数表

2.2 氮气试车工况

氮气试车工况为此压缩机用在试车、装置联动调试时，介质用氮气的情况。进口微正压，出口背压约为5 400 kPa。预测数据及实际运行数据见表3和表4。

表2 设计工况计算数据表

表3 氮气工况预测数据表

表4 氮气工况实际运行数据表

2.3 实物料工况

实物料工况为此压缩机用在试车、装置联动调试时，介质用BOG的情况，进口为微正压，出口背压约为8 900 kPa。预测数据与实际运行数据分别见表5、表6。

通过3组数据比较发现，除排气温度因未考虑缸体循环水冷却而有明显误差外，预测数据与实际运行数据基本吻合。在实际生产或试车工作中，遇到几台容积式压缩机串联、介质改变、进排气压力改变、临时级间加气排气等变工况情况，都可以用此计算进行预测，以指导生产和调试。

表5 实物料工况预测数据表

表6 实物料工况实际运行数据表

3 对LNG厂BOG压缩机变工况操作分析

在新机组试车或工况改变的情况下，压缩机组的现场操作中适用于正常工况的操作方法不一定适用于新工况，应注意根据实际工况加以调整，仍以BOG压缩机为例进行分析：

1）用氮气试车。① 用常温氮气试车，BOG压缩机一级气缸冷却水要开启。② 用氮气试车时，由于氮气系统压力为0.3～0.6 MPa，向压缩机进口补气要注意压缩机的进口压力，避免进口压力过高引发压缩自动保护停车。③ 氮气试车时，由于是封闭系统试车，要注意出口至进口的回流气量的控制（特别是排气压力超过4 MPa），避免气流波动过大造成进气压力波动（低于-50 kPa或高于100 kPa）引发压缩机保护停车。④ 启动后在升压过程中要缓慢运行，还要密切关注各级排气温度，因氮气压缩后排气温度较甲烷高，注意排气温度不要超过压缩机的报警温度。⑤ 出口压力不能过高，实际试车过程中，超过8 MPa时会造成电机负荷超高。⑥ 在运行过程中要密切注意压缩机的油温，过高或过低会对压缩机的润滑造成影响，同时油温低也可能造成润滑油泵电流过大导致停机。⑦ 氮气会使人窒息，试车时要注意观察是否有泄漏，操作人员不可正对泄漏点，以免出现意外事故。⑧ 压缩机启动后其负荷调节从0到50%再到100%，在50%处不可停留太久，否则造成压缩机缸体不平衡，会对机械性能有影响［3］。

2）用BOG试车。① 用BOG试车，要注意将进口流程走通，由于BOG进气温度刚开始很低，启动前要注意关闭一级气缸冷却水。② 启动后要将二级出口未冷却气体回流一部分到进口，使综合进气温度高于-30℃，避免进口温度过低。③ BOG气压缩启动后要注意调节五返一调节阀，避免出口超压以及进口压力过低。④ 启动后要密切注意压缩机的各级压力、温度、油压及油温。⑤ 在升压过程中，要与配电联系，关注电机负荷。⑥ 要随时注意LNG储罐压力，避免储罐压力过低，如BOG外输要与配气站联系，注意排气压力。⑦ 由于BOG压缩机各级排气没有吹除阀（有导淋阀直接排大气中，停车时不能使用），在停车时要注意及时用各级安全阀的旁通阀缷压。

3）恶劣工况。投料试车初期，BOG压缩机进口为常温天然气，进口温度随系统制冷而逐步降低，应适时关闭并排尽一级气缸冷却水，避免低温下气缸冷却水结冰；BOG压缩机全停后需重启的情况，此时BOG温度约-150℃（远低于压缩机进口温度下限），但又无原料天然气与之换热，压缩机无法直接利用BOG启机，可用常温氮气启机，再利用机组调温管线缓慢调节BOG进气温度，最终缓慢调整至正常工况。

4 结束语

容积式压缩机广泛应用于石油化工行业，安装完成后需要进行空载及负荷试车，在装置未投产时，通常需要用氮气、空气或其他气体来代替设计介质进行负荷试车，在介质发生变化时，由于多级容积式压缩机结构尺寸和主要参数已经确定，级间压力、温度值会有变化，所以试车时需要先进行工况计算，来指导试车工作。笔者通过以活塞式压缩机为研究对象，讨论分析多级压缩机的变工况计算及其实际操作情况，并指出在一些特殊恶劣工况下的正当操作方法，对多级容积式压缩机试车及调试具有指导及借鉴作用。