浅析氢气压缩机氮气试机时超温超负荷的原因

李杭锴

(中化泉州石化有限公司,福建 泉州 362000)

蜡油加氢裂化装置的氢气压缩机正式投用前使用氮气进行试机,试机时出现了超温超负荷的情况。本文通过相关热力计算对不同变化因素造成的影响进行分析。压缩机相关工艺参数如表1所示。

表1 压缩机工艺参数

1 轴功率计算

若通过驱动机传递的轴功率过高,就会引起高温,导致压缩机出现超温超负荷的现象。这里直接通过比焓来对氢气和氮气两种工况下的总轴功率进行整体计算。

根据比焓计算轴功率的公式见式(1)。

Ws=Qm·(h2-h1)

(1)

式中:Ws——轴功率,kW;

Qm——质量流量,kg/h;

h1——压缩前介质的焓,kJ/kg;

h2——压缩后介质的焓,kJ/kg。

通过表1中相关参数可查得对应工况下比焓,代入式(1)可计算得到相关结果,如表2所示。

表2 轴功率对比

从表2数据可知,当既定的出、入口工况相同时,通过比焓计算得到的压缩氢气和氮气的轴功率并没有太大区别。

2 质量流量对于轴功率的影响

通常认为,质量流量变化会对轴功率造成很大程度的影响,工艺介质变重使得质量流量增大可能是导致轴功率急剧上升的原因之一。以下通过相关计算对质量流量增大对于轴功率的影响进行分析。

2.1 能量方程

为了方便计算,将整个过程视为一个一般稳定流动且可逆的绝热过程。对压缩机的压缩过程列开口系能量方程,如式(2)所示。

ΔU-Q+W=

(2)

式中: ΔU——系统内能的变化,J;

Q——系统与环境交换的热量,J;

W——系统与环境交换的功,J;

Mi,Mo——分别为进、出系统介质的质量,kg;

hi,ho——分别为进、出系统介质的焓,kJ/kg;

vi,vo——分别为进、出系统介质的速度,m/s;

g——重力加速度,m/s2;

Hi,Ho——分别为进、出系统介质的高度,m。

根据之前假设可知:系统内能变化为零,即ΔU=0;系统与环境不发生热量交换,即Q=0;进出系统的质量相同,即Mi=Mo=M。

其中

(3)

则

(4)

式中:V——体积,m3;

P——压强,Pa;

κ——绝热指数;

P1,P2——分别为进、出系统介质的压强,Pa;

V1,V2——分别为进、出系统介质的体积,m3;

M——进出系统介质的质量,kg。

由轴功率的能量方程[见式(4)]可以看出,被压缩工质的质量变化对轴功率的影响体现在工质的动能和势能的增量上。

2.2 质量相关功率

根据现场相关情况和压缩机参数可知:

活塞移动速度

v=3.6 m/s

压缩氢气时增加气体动能所消耗的轴功率为

由于压缩机出、入口基本处于同一水平面,因此压缩过程中势能变化相关功率忽略不计,即

Wp=0 W

故压缩氢气时与质量有关的总功率为

Wm=Wk=12.4 W

当工质更换为氮气时,这个功率将变为

由此可以得出,由于质量流量变化而引起的功耗增加量为

ΔW=161.2 W

由表2数据可知,总轴功率约为2 000 kW,而由于工质质量变化所引起的功率变化仅161.2 W,占总功率的0.01%,因此轴功率增大并非由于质量流量变大所致。

3 关于超温的相关影响因素分析

理论推导时,为了方便计算,常以理想气体为条件对压缩过程进行计算,不考虑范德华力的影响。但在实际工况下,由于氢气与氮气的性质相差较大,范德华力的作用可能会导致较大的温度变化,下面对其影响进行相关计算。

温升的计算公式见式(5)。

(5)

ΔT——温度变化值,K;

ΔP——压力变化值,kPa。

通过表1相关参数可查得对应工况下焦耳汤姆逊系数,带入计算可得相关结果如表3所示。

表3 温升对比

根据表3中数据可得,两种工况下范德华力导致的温差为

ΔT氮-ΔT氢=4.38 K=4.38 ℃

由以上计算可知,由于工质变化引起的温度变化为4.38 ℃,压缩过程总温升为73 ℃,占比约6%。将这部分温升折算成功率,约为35 kW,占总功率的比例不到2%。由此可知,工质变化对于温升有一定的影响,但对于超负荷的影响并不大。

4 关于超温超负荷相关的理论分析

4.1 基于轴功率构成的分析

通过对压缩机轴功率的组成分析可知,原动机传递的轴功率在压缩过程中体现为容积变化功和非容积变化功。

容积变化功是通过对工质进行压缩,减小其体积从而增大工质的压力所做的功,这部分功通过压缩机的活塞直接以力的形式作用于被压缩工质上,属于典型的热力学功。从理想气体状态方程来看,容积变化功仅仅是气体的压力与体积之间的转化。从容积变化功的计算式也可以看出,其大小并不依赖于工质的种类。对于不同种类的气体,即便是考虑实际工况,其数值并不会有太大差别。

非容积变化功是除了容积变化功之外的功。通过焦耳的相关实验可知,这种功主要是通过做功部件以对工质进行搅动等形式而传递的功。这种功的传递不会改变工质的体积,因此被叫做非容积变化功【2】。通过搅动而传递的非容积变化功本质上是做功部件与工质接触时摩擦生热从而产生的热量传递,即这部分功实际上是通过提高工质的温度来提高其压力。由此可知,非容积变化功与摩擦力的大小相关,并且是正相关,即做功部件与工质之间的摩擦力越大,单位时间内传递的非容积变化功越高。

导致做功部件与工质间产生摩擦的影响因素主要有两方面,一是做功部件的粗糙程度,二是工质的动力粘度。做功部件的粗糙程度属于压缩机的固有属性,对于同一台压缩机一般不会有太大变化,因此,主要影响因素就只能是工质的动力粘度了。

氢气与氮气的相关动力粘度如表4所示【1】。

表4 动力粘度

通过上面的数据可以看到,氢气的动力粘度低于氮气的一半,因此当压缩工质从氢气变为氮气时,由于动力粘度而产生的非容积变化功将会有显著的提高。

以下通过计算来确定非容积变化功的具体影响程度。

首先计算容积变化功部分,如式(6)所示。

(6)

代入相关参数计算可得

WV=1 433.56 kW

非容积变化功为

WP=WS-WV=619.95 kW

通过上述计算可知,非容积变化功占总轴功率的比例约为30%,若非容积变化功翻倍的话,将会对总轴功率产生显著的影响。而且对于实际气体而言,多方过程指数小于1.4,非容积变化功的占比将会更高,工质变化对轴功率的影响也将会更加明显。

4.2 压缩过程分析

前文计算所得到的轴功率基本相同,是因为轴功率是根据出、入口相关状态参数进行计算的,也就是说,为了使这两种工质达到一定压力,所需要的能量是相近的。但实际压缩过程中,一个压缩行程的结束并不是由工质达到了设计压力而确定的,即使工质在被压缩到一半的时候就已经达到设计的排出压力,整个行程还是会继续,而这个行程的继续将导致压缩机消耗更多的轴功率,从而导致超负荷。

4.3 基于分子运动论的分析

根据分子运动论的相关结论,结合理想气体状态方程,压强P、温度T和动力粘度μ的表达式【3】如式(7)～式(10)所示。

(7)

式中:N——分子个数;

m——单个分子的质量,g;

(8)

式中:T——温度,K;

kB——玻尔兹曼常数。

其中

(9)

式中:R——理想气体状态常数;

NA—— 阿伏伽德罗常数。

(10)

式中:μ——动力粘度,Pa·s;

l——平均自由程,m。

根据压强的表达式[见式(7)]可知,增加压强有两种方式,一是提高单位体积内的分子数目,二是提高分子的平均运动速度。根据温度表达式[见式(8)]可知,平均运动速度的提高会导致温度升高。通过第一种方式提高压强,从宏观层面来看就是之前所说的对工质做容积变化功,而通过第二种方式提高压强则对应非容积变化功,非容积变化功的产生一定伴随着温度上升。另外根据式(8)可知,当气体处于一定温度时,单个分子所具有的动能是相同的,这与分子种类无关。

由式(10)可知,既定工况下,若分子动能一定,则分子质量越大的气体所对应的动力粘度越大。工质种类的变化会对动力粘度造成影响,但不会影响压强、体积和温度。

结合具体的压缩过程来讲,动力粘度增大意味着摩擦力增大,即同样的压缩行程下,摩擦力所做的功增加,这些摩擦不仅有做功部件与工质的摩擦,还有工质内部的摩擦等等,而这部分功全都体现在非容积变化功上,宏观上造成了更高的温升和更大的轴功率。

5 结语

氢气压缩机氮气试机时出现超温超负荷的情况,本质上是由于在相同工况下氮气的动力粘度远大于氢气、极大地增加了做功部件和工质之间的摩擦以及其他各种内摩擦所致。摩擦导致非容积变化功增加、温升增大、轴功率增大。同时由于氢气与氮气之间的焦耳汤姆逊系数相差较大,也对温升造成了一定影响。