往复压缩机出入口压力变化对级间压力的影响分析与模拟

梁 华，陈 超,徐 辉

(1. 中国石化工程建设有限公司，北京 100101; 2. 山东裕龙石化有限公司，山东 烟台 256716)

往复压缩机作为最常用的气体增压设备，适用于中小流量、高压比的工况，广泛应用于炼化企业【1】。

往复压缩机在设计时往往按照特定的工况设计，而实际运行过程中，压缩机出、入口的压力往往是波动的，从而导致级间压力的重新分配。对于已有的压缩机，主要的结构尺寸是已知的，但是由于工艺流程等原因，进气压力、排气压力或容积流量发生了变化，这就需要重新计算其级间压力以及该压力下的其他参数，用以判断压缩机能否满足新的使用条件下的工况，这种复算称为压缩机的热力性复算【2】。

1 压缩机热力性复算

热力性复算需要知道压缩机的基本参数，如压缩机的每一级的缸径，行程，活塞杆直径，余隙容积，压缩机每一级的入口温度，压缩机的出、入口压力，以及压缩机的压力系数、温度系数、泄漏系数、析水系数、净化系数等参数。

表1 三级压缩的纯氢气压缩机相关参数

为简化计算，认为气体为理想气体，级间的冷却、分离及相关管路没有压降，前一级的出口压力就是下一级的入口压力。

初步计算入口压力变化前的吸气量如下(所有流量均换算到第一级入口状态)：

V1=λP1λT1λL1λφ1λC1λV1Vh1

(1)

(2)

(3)

V1=V2=V3

(4)

式中：V1、V2、V3——分别代表一个往复行程下第一级～第三级气缸的吸气量，m3。

如果此时入口压力突然变成1.5 MPa(绝)，而其他参数不发生变化，那么此时的级间压力就会重新分配。重新分配的要点就是：找到级间的压力分配，让新工况下的压缩机各级的吸气量保持平衡，即新工况下的吸气量V1′=V2′=V3′(均换算到第一级入口状态)。

为方便分析，假设新工况下的压缩机仍然按照等压比分配，每级压比约为2.2，则每级的压力如表2所示。

表2 新工况等压比下的压力分配

此时，新工况下的综合系数Kj′、相对余隙容积αj′、膨胀指数mj′可认为近似等于入口压力未变化前的数值，且行程容积Vhj没有变化，则此时每级的吸气量如下(均换算到第一级入口状态)：

2.1 3组人群血清HE4、CA125表达水平及ROMA指数比较 3组人群血清HE4、CA125水平和ROMA指数均呈非正态分布，卵巢癌组人群血清HE4、CA125水平和ROMA指数的中位数分别为88.05 pmol/L、51.85 U/mL和31.17%，均高于卵巢良性肿瘤组和健康对照组的血清水平，差异具有统计学意义(P<0.05)。卵巢良性肿瘤组与健康对照组比较，血清CA125水平差异具有统计学意义(P<0.05)，两组间HE4水平和ROMA指数比较，差异无统计学意义(P>0.05)。见表1。

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由此可以看出，要想使V1′、V2′和V3′相等，必然要使得第一级压比ε1′在2～2.2之间、第二级压比ε2′在2.2附近、而第三级压比ε3′>2.2。

因此可以得出结论，即当入口压力变小(或出口压力变大)而其他参数不变的情况下，每级压比都会增加，第一级压比增加比例最小，后几级压比增加比例逐渐增大，且最末级压比增加的比例最大。

反之也可以得到相似的结论，即入口压力变大(或出口压力变小)而其他参数不变的情况下，每级的压比都会减小，且最末级的压比减小的比例最大。

事实上，真实的往复压缩机的热力性复算是比较复杂的，如式(1)～式(4)中，有6个未知数，6个方程，理论上可以求得级间的压力分配。但是，这些公式中的各个参数相互关联，直接求解往往比较困难，实际复算时经常要用试算迭代的方法进行求解。

2 出、入口压力变化时的HYSYS模拟

如前所述，压缩机的热力复算较为复杂，即使借助编程也存在不少弊端。主要是：1)很难解决实时变化的压缩系数；2)很难解决实时变化的过程指数；3)难以解决级间的大分子量或水蒸气的凝液析出；4)无法计算平衡破坏后，再次实现平衡的时间。而HYSYS的往复压缩机的动态模拟，完美地解决了以上问题。

以1台4M16的CO2压缩机为例，其主要参数如表3所示。

表3 4M16CO2压缩机的主要参数

先将物料信息输入到HYSYS中，选择常用的Lee-Kesler物性方法，并建立HYSYS模型，如图1所示。

图1 HYSYS模型

将表3参数输入到HYSYS当中，HYSYS会自动计算每一级的压缩系数、过程指数以及是否有液相析出等。

为方便监测各出、入口压力变化以及各级压比的变化率，一方面设置曲线监测，另一方面将重要的结果输出到电子表格中。初始状态下的压缩机参数如图2所示。

图2 初始状态下的压缩机参数

压缩机运行一段时间后，将入口压力从235 kPa降低到180 kPa，再次平衡后的压缩机参数如图3所示。

图3 再次平衡后的压缩机参数

从图3中可以看出，相对于初始状态，各级压比均有所上升，且第四级压比上升得最多，达到17.94%，验证了第1节中的结论。

这就要求在压缩机设计时，应充分考虑压缩机出、入口的压力变化情况，尤其是入口压力变小(或出口压力增大)的工况，以防止压缩机机械损坏或超温停车，且应着重校核末级气缸组件的可靠性。

图4是各级压比的变化情况。从图4中可以看出，变化的初始(图4中3 000 s的位置)，第一级的压比突然改变为565.3/180=3.14，其他级压比不变，随着压缩机的运行，第一级压比迅速下降，而各级压力都经历了先上升后下降到均衡位置的一个过程。存在上升过程是由于级间罐的滞留效应引起的。

图4 各级压比的变化情况

虽然现实中的压力大都是缓慢波动的，但对于存在压缩机入口压力瞬间变小(或出口压力瞬间提高)工况的情况，仍应考虑机组的瞬时破坏和瞬时超温。

由图4可知，该机组从压力突然变为180 kPa开始，大约经过100 s系统即达到了再次平衡。

出口压力增大工况下的模拟结论与之前描述一致，在此不再赘述。

3 结语

多级往复压缩机出、入口压力波动时，往往最后一级的压比波动最大，这就要求压缩机在设计或校核时，应充分考虑出、入口压力波动带来的各级压比的波动，并校核波动时的机组可靠性。

HYSYS作为比较先进的模拟计算工具，可以快速准确地计算出、入口压力波动时的级间压力分配，并可模拟平衡过程和平衡时间，是非常实用且有效的模拟工具。