氯气离心式压缩机性能曲线及调节方式分解.docx

氯气离心式压缩机性能曲线及调节方式分解.docx

《氯气离心式压缩机性能曲线及调节方式分解.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《氯气离心式压缩机性能曲线及调节方式分解.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

氯气离心式压缩机性能曲线及调节方式分解

氯气离心式压缩机性能曲线及调节方式

一、氯气离心式压缩机性能曲线

1.压缩机性能曲线的涵义

氯气离心式压缩机的性能曲线又称“特性曲线”（specialitycurve）。

它真实反映机组运行时工况的变化。

因为即使在恒定的转速情况下，压缩机的容积流量不可能是个“定值”，这就是“透平式”压缩机与“容积式”压缩机所不同之处。

压缩机的容积流量是随着氯气管网中压力（背压或称为管网端压）的不同而改变，也是随着机器效率、功率的变化而改变。

为了真实反映机组运行中工况条件变动以后机组性能的变化情况，通常把机组在不同流量流通情况下，机组的排出压力（或压力升高比）、功率和压缩机效率的变化关系用曲线形式直观表现出来，这些曲线就称为机组或“级”的性能曲线。

一般可以认为整台机组的性能曲线决定于每一级的性能曲线。

性能曲线的横坐标通常用压缩机的进口容积流量作参数（此举是便于不同机组的等同比较）；而对应的纵坐标则为机组的排气压力（绝对压力）或者压力升高比，这类“特性曲线”称为“压力曲线”。

如果纵坐标采用压缩机的轴功率的话，就称为“功率曲线”；也可以是压缩机或者各级的效率，就称为“效率曲线”。

每一条曲线都相应于一个固定的转速。

有了这样的性能曲线，就可以根据客户的要求，选配相应的压缩机，并且可以选配电动机。

在压缩机的运行过程中，可以根据机组在管网的工况条件去分析机组的工作状态，确认其在安全、高效区工作，是否达到压缩机设计工况的运行点。

一般压缩机的特性曲线是由制造机组的厂家依据试验数据整理绘制。

所提供的技术说明都提供这样的特性曲线，以供使用时参考。

2.压缩机性能曲线的特点

氯气离心式压缩机的性能曲线是多种类的，尽管有的压缩机所标的铭牌参数相同，诸如：

转速、排出压力、进机流量、轴功率等都相同；但是绘制出来的性能曲线却有不同。

下面把压缩机性能曲线的特点分析一下。

①决定性能曲线形状的因素

在看压缩机性能曲线时，就会发现曲线的形状各异，曲线的曲率半径大小也不一样，这究竟是什么道理呢？

为此我们只能从压缩机的多变能头hpol与“进机流量”之间的关系分析起。

多级压缩机是由许多“级”组成的。

每一级压缩以后，气流的压力升高比并不是很高。

如果不计气体重度变化的话，我们用计算压缩液体的静压头所需要的能量头方式近似计算压缩机的多变压缩能头。

单位重量的气体压头升高所需的能量：

hpol=（pK–pj）/γ

气体的压力升高比：

ε=1+γ/pj·hpol

由此可见，压力升高比与流量的关系是和“多变能头”与流量的关系相当的。

对于“后弯式”叶轮的压缩机来说，多变压缩能头hpol与压缩机的进气流量呈一次方关系（叶轮的几何尺寸和圆周速度都为常数），就是随着气体的流通量增大而下降的直线AB。

但是它忽略了流动过程中的“流道”损失部分。

实际上由于“流道”中的气流摩擦、冲击等流动损失存在，气体所得的多变压缩能头还需要从理论的压缩能头中减去这部分损失的能量。

而气体的流动损失和液体的流动损失一样，都是和流量的平方成正比的，因此将理论能头AB先减去流动损失成为A′B′，两者之差就是流动损失值。

另外，还要减去冲击损失值（当然冲击损失只有在设计工况条件时才是最小的，而当工况条件偏离设计工况时都要增加）；因此再从A′B′中减去冲击损失Σhsh部分便得到A″B″曲线。

（两头低、中间高的驼峰状曲线）这就是hpol与流量的关系曲线。

而压力升高比形状与其差不多。

所以上述原因也就决定了压力升高比与流量间的关系。

通过上述分析可以得出结论，决定压缩机性能曲线的形状主要因素是叶轮对气体作功的特性和气体流动过程中损失的特性。

注：

流量越大，排除压力越低，压缩比越低。

②转速增加对性能曲线的影响

上面已经知道压缩机性能曲线是由多变压缩能头hpol（叶轮对气体作功的特性）和流动过程损失的特性Σhhyd决定的，因此凡是影响到气体流动过程损失的因素自然会影响到压缩机的性能曲线。

而压缩机的转速影响是最为明显的。

因为压缩机的转速变化直接影响到气流的圆周速度。

u2=πD2n/60

而理论压缩能头hth与圆周速度的平方成正比，也是与转速的平方成正比。

hth=Ψu2·u22/g

当压缩机转速增加时，一方面机组的压缩比（ε）及出口压力（pK）将显著增加；另一方面，使气体流动的马赫数M增加（这是气流速度增大所致），就会使气体流动的损失增加，使得稳定工况范围缩小；在相同流量的变动范围内，流动损失增加得更多，为此性能曲线将变得“更陡”。

从不同压缩机转速下性能曲线的示意图中可以看出，当气体流量大到某一数值之后，性能曲线甚至接近垂直形状。

这是因为转速增大、气流的马赫数也已相当大；如果再稍微增加流量的话，就使马赫数达到最大值，已经是堵塞工况了，再增大流量已经不可能了。

注：

1压缩机转速增加，机组的压缩比（ε）及出口压力（pK）将显著增加，气体流动的损失增加，稳定工况范围缩小。

2气体流量大到某一数值之后，性能曲线甚至接近垂直形状。

③“级数”对压缩机性能曲线的影响

在压缩机的运行过程中，前一级的工况条件改变总要引起下一级工况条件的更大程度的改变。

譬如：

前一级的进口容积流量增加了5%，对于离心泵或者鼓风机来说，该级的出口容积流量也增加相同的量。

然而对于氯气离心式压缩机来说就不同了。

因为随着气体流量的增加，级的出口压力要低于原来值，会引起出口气体的重度减少，使得该级出口的气体容积流量或称进入下一级的气体容积流量增加幅度远大于5%。

由此就会引起下一级工况发生更大的变化，使得冲击损失和流动损失增加更多些。

对于多级的离心式压缩机来说，它的各级特性曲线相似，如果串接以后；整台机组的特性曲线显然要比单级的特性曲线显得“更陡”一些。

在压缩机转速越高的情况下，每一级的压力升高比也越高；那么前一级的工况条件的变化引起下一级工况条件的变化程度越大，使得损失增加更多，这样的话，性能曲线更为陡。

注：

流量变化时，下一级流量增加要比前一级流量大。

④最大流量和最小流量的限制

一般氯气离心式压缩机的管网设置中包括机组的出口阀C（去分配台）、排气阀A（去除害塔）以及机组回流阀B（去机组进口）。

如果打开排气阀门A的话，使管网中的阻力大为减少；机组的排气量增加，排气压力（主机出口排出压力）降低。

当排气流量增加到一定程度时，排气压力下降非常快，性能曲线几乎是垂直下降。

有两种情况要关注的：

Ⅰ由于在压缩机的“流道”某个截面处，气流速度相当高；首先达到音速。

此时的气体流量已经达到临界流量（w=a），气流的马赫数M=1，再降低管网中的气流压力已经不能使流量再增加了。

从而气流的流量也已经达到了最大值Qmax，这时再增加流量已经成为不可能，就是所谓的堵塞工况。

于是排气压力下降很快，表现在性能曲线图上曲线呈直线下降趋势。

Ⅱ另外，虽然气流速度未达到音速的话；但是由于进气流量增加，流动损失和冲击损失增加很快；使得压缩机所消耗的功全部用于克服损失，几乎没有能力提高气体的压力，因此再增加流量亦是不可能了。

如果压缩机的转速越高，那么偏离设计工况使损失增加越快，因此达到最大流量的可能性越大，造成性能曲线越发陡峭。

实际上压缩机的特性曲线是受到了最大流量的限制。

如果“关小”或关闭排气阀A去增加管网阻力的话，压缩机的排气量就会减少，排气压力相应有所增加。

但是当排气量减少到一定程度时，排气压力就会出现波动；使得进压缩机的气体流量也大幅度波动，机组进入了“喘振”工况。

一旦发生“喘振”，压缩机就出现最小流量（这就是“喘振”工况下的排气量）。

主机受到最小流量的限制，如果主机转速提高，特性曲线就向增大流量方向移动，所以最小流量极限也向增大流量方向移动。

由此可见，压缩机有最大流量和最小流量的限制，再加上转速的限制就构成了离心式压缩机的稳定工作范围。

这个范围越大，说明压缩机的特性越好。

二、性能曲线的影响因素

氯气离心式压缩机组运行的正常与否，是依据一系列状态参数、依据变动工况下的性能曲线，去作出准确的判断，以便确定压缩机的运行工况是否处于最佳状态。

当然对于输送介质是有毒的重气体氯气，更要掌握性能曲线中工作点的随机变化，以便随时进行运行参数的调整。

掌握影响机组性能曲线的参数变化因素，就是要了解这些参数与运行介质有关的分子量、绝热系数、多变系数；与运行条件有关的进气压力、进气温度、主机转速等。

下面着重分析进气温度、进气压力、分子量、绝热系数等参数对性能曲线的影响。

在作具体分析时，首先确定转速和容积流量为定值（constant），这样的话叶轮对气体作功也为定值。

此外忽略效率的变化，这样叶轮产生的多变能量头也就不会改变。

分析参数对性能c曲线的影响，就是要分析这些参数对重量流量、压力升高比、排气压力和功率的影响。

1.离心式压缩机进气温度的影响

①在容积流量不变的情况下，压缩机进气温度的变化将影响主机的重量流量。

一般说来，在主机进气压力不变时，要是进气温度“降低”的话，那么气体的“重度”就会增加；在相同的容积流量流通情况下，气流的重量流量就要增加。

同样道理，如果进气温度“升高”的话，就会使气流的重量流量减少。

由此可见，进气温度的变化会使气体的“重度”也发生变化，使得输送气量发生相应的变化。

气流的重量流量与温度成反比，用数学式表示为：

G’/G=TJ/TJ’orGTJ=G’TJ’

式中的G、G’分别为变化前后的气体重量流量；TJ、TJ’分别为变化前后的进气温度。

在实际运行中，进气温度升高，会使机组的回流量减少，机组的输送气量有所降低。

尤其在夏季，进气温度较高的话，在同样的电解直流载荷情况下，机组运行中的回流量远少于冬季。

如果机组的运转盈余量少的话，一旦进气温度升高，也会出现透平压缩机组“抽拉不动”电解槽产出的氯气；被迫降低电解槽直流电载荷的情况发生。

但是在冬季，这种情况就极少发生。

由此可见，严格地控制进气温度是十分重要的。

需要强化中间冷却，以确保各级的进气温度正常。

有的氯碱企业采取中间冷却器使用冷冻水进行冷却，那么机组的生产能力将会得到进一步的强化。

注：

进气温度高，压缩机流量小；映天辉重点关注泡罩塔出口氯气温度。

20～25℃

②进气温度影响主机的排出压力。

一般说来，要是机组的进气温度“降低”的话，压缩机对气体作功所需要的多变能头就将减少；这一点可以从多变能头的计算式中看出来。

hpol=m/（m–1）•RTJ（ε（m–1）/m–1）

上面计算式中，“多变压缩能头”与“进气温度”成正比关系。

在压缩机叶轮转速和容积流量不变的情况下，对气体所作的“功”是相同的；这样的话，压缩气体的压力比就会增加。

在进气压力相同的情况下，排气压力也会增加。

同样道理，要是进气温度升高的话，会使排气压力降低。

实际运行中，由于氯气的进气温度较高，造成排出压力降低；但是电解槽氯气的“抽拉”却是相当的困难，夏季出现这种情况是屡见不鲜的。

注：

进气温度高，压缩机排气压力减低。

③进气温度影响主机轴功率。

一般说来，进气温度升高会使主机输送气量（重量流量）降低，而压缩机的轴功率为：

Npol=G·hpol/102·ηpol

由计算式可知，在转速不变的情况下，压缩机轴功率是与重量流量成正比，因此进气温度升高可以使主机的轴功率下降，同时使叶轮对气体所作的“功”也将减少。

同样主机的轴功率是与“进气温度”成反比，用数学表达式：

Npol·TJ=Npol’·TJ’

式中的Npol、Npol’分别为变化前后的压缩机轴功率；TJ、TJ’分别为变化前后的进气温度。

当然随着进气温度的上升，机组的排出压力也随着下降。

2.离心式压缩机进气压力的影响

压缩机的进气压力是影响机组性能曲线的重要参数。

在进气温度不变的情况下，将会影响到进气的重度。

一般来说，进气压力增加，那么气相重度增加，这是依据气体方程式得到的。

PV=nRTorP=GRT/VM=γRT/M

式中：

P——气体压力，

V——气体的容积，

G——气体的重量，

R——气体常数，

T——气体温度，

M——气体分子量，

γ——气体重度。

在容积流量不变的情况下，压缩机进气压力与重量流量成正比。

G’/G=PJ’/PJ

此外，由于进气压力并不影响压缩气体所需要的能量头以及叶轮对气体所作功需要的能量头，因此气体的压力升高比不会改变，可见机组的“排气压力”与“进气压力”也成正比。

PJ’/PJ=Pc’/Pc

压缩机的轴功率因为重量流量与“进气压力”成正比，也与“进气压力”成正比。

Npol’/Npol=PJ’/PJ

在实际的运行过程中，压缩机的“进气压力”对机组运行的影响很大。

一般的“进气压力”是负压，而负压不能太高。

要是“进气负压”太高的话，压缩机的输送气量将会下降（重量流量）；此外，机组的“排出压力”也不会太高，叶轮作功也不多。

压缩机的进口“负压”太高，首先要想到从电解槽出口的阳极氯气总管至离心式压缩机的进口段的阻力太大（或有堵塞的可能，要么钛冷却器氯水结冰、要么硫酸除雾器滤网堵塞等）。

在排除故障之后，仍然显得“负压”过高，只能在“负压段”增设“钛制的鼓风机”来增加压力，促使离心式压缩机的压力上升，来实现提高输送能力、增加主机出口压力的目的。

注：

进气压力不影响压缩比，进气压力越高，排气压力越高，压缩机输送氯气流量越高，电机轴功率越大。

进气太低的话，压缩机的输送气量将会下降（重量流量）。

3.输送介质性质变化的影响

对于输送介质性质的变化，仅两个主要参数有关。

即气体分子量与比热比（绝热系数）。

对氯气离心式压缩机来说，在运行过程中，输送介质就会出现空气、淡氯气、浓氯气等介质的变化，因此也要予以重视的。

①分子量的影响

首先，在容积流量一定的情况下，气体的分子量（介质）越大，气体的重度也越大（称为重气体）。

因此重量流量越大。

重量流量与分子量成正比。

G’/G=M’/M

式中的G’、G分别表示变化前后的重量流量，M’、M分别表示变化前后的分子量。

这就让我们联想到氯气离心式压缩机组与电解槽同步开车时，机内主要输送介质是空气，随着电解通电开车，机内的输送介质成为较淡的氯气和较浓的氯气。

与空气相比，氯气要比空气重2.5倍。

其次，随着气体分子量的增加，介质就越容易受到压缩，压缩气体所需要的能量可以少一些。

在压缩机转速不变和气体容积流量不变的前提下，叶轮作功所产生的能量头显然也是不变的，因此分子量大一些的气体，重度也大。

要想使气体的压力升高比增加的话，必须使机组的排出压力在进气压力一定的前提下也大幅度增加。

还是用空气与氯气来比较，在同样的容积流量的情况下，前者排出压力为0.1MPa，而后者的排出压力就为0.35Mpa。

最后，就是气体分子量越大，它的重量流量也越大。

轴功率与重量流量成正比，

Npol/Npol=G/G=M/M

在实际的运行中我们就会发现：

机组在空气状态下运转时，主机的电流指示比较低，所消耗的功率也较少；在氯气状态下运转时，主机的电流指示就高，所消耗的功率也相应增大，缘由就在于此。

②比热比的影响

比热比K是等压比热Cp与“等容比热”CV之比，又称为绝热指数（adiabaticindex）。

它对重量流量并没有太多的影响，但是它对压缩比有些影响。

hpol=K/（K–1）·RTJ（ε（K–1）/Kηpol–1）

从多变压缩能头的计算式可以看到，在压缩能头、进气温度不变的情况下，压缩比ε与绝热指数K有一定的影响关系。

但是总体上绝热指数的变化是不太大的，对压缩比的影响也不是很大；那么对功率的影响也就很小了。

综上所述，分析了几个主要参数在转速、容积流量相同的情况下，离心式压缩机的重量流量与“进气压力”、输送介质的分子量成正比；与“进气温度”成反比。

压缩机的排出压力与“进气压力”成正比；排出压力随着“进气温度”的降低、气体分子量的增加而增加。

压缩机的功率与“进气温度”成反比，随着“进气压力”、气体分子量增加而增加（成正比关系）。

以上这些参数间的变化关系在日常操作运行中必须了解掌握。

由于压缩机特性曲线的任何变化，在一定运行工况条件下还可能出现“喘振”。

所以希望压缩机运行过程中尽可能保持压力不变，气体的容积流量可以改变。

如果“进气温度”升高比较多的话，或者输送介质分子量减少很多的话（压缩机内抽入空气），就有可能使压缩机处于“喘振”工况条件之下运行（从性能曲线上看，压缩机处于喘振区域之内）。

从《分子量变化对性能曲线的影响》图中可以看出，气体分子量M=71（氯气）时，工作点处于性能曲线较为平坦的区域。

但是分子量减少到M=29（空气）时，要是主机保持出口压力不变的话，工作点就处于性能曲线较为陡峭的“喘振区域”了。

同样气体的温度升高也会带来使压缩机处于“喘振工况”的条件。

一般对输送介质的分子量波动范围作出规定，不能超过6~10%。

4.“进气状态”变化和气体性质变化时性能曲线的换算

上面已经简单分析了氯气离心式压缩机的“进气条件”、气体性质变化对性能曲线的影响。

那么如何根据这些条件变化对主机性能曲线的影响来估算性能曲线呢？

在第一台氯气离心式压缩机组投入运行，取代了“液环式压缩机”（纳氏泵）之初，现场校核压缩机性能。

由于现场的工况条件（进气状态、气体性质等）与机组在出厂试验时有所不同；就是说，在相同的压缩机转速和容积流量条件下，压缩机的排出压力不同。

必须适当地变更压缩机的转速和容积流量。

如何来改变呢？

一个先决条件是要求压缩机保持工作条件相似，希望气体在主机“流道”流动与各类损失也相似，实际上是气体流动速度三角形相似（影响各种流动等损失的主要参数马赫数一样）。

如图所示，ΔOAB是相应于“进气温度”T1的叶轮进口速度三角形，此时压缩机的转速是常数；如果“进气温度”改变（如降低）为T1’，要保持容积流量也为常数，当然要保持着相似的速度三角形。

这样就满足了第一个条件（主机流道流动状态相似）。

但是未必能保持压缩机的损失情况相同，无法满足第二个条件（各类损失相似）。

究竟是什么原因呢？

因为气体的马赫数M不同。

马赫数是表征输送介质可压缩性能的一个准数。

它是气流速度C与该速度所在点气体温度下的音速a之比（M=C/a）。

音速只与气体的温度有关，与气体的压力没有关系的参数。

温度提高时会使音速变大，对于不同气体来说，绝热指数K和气体常数R是不同的，因此音速也不同。

而气体常数R=848/μ，分子量大的气体（如氯气）音速也小，因为R=（KgRT）0.5。

由此可见，气体性质参数K、R的任何变化以及“进气温度”的任何变化，都会使音速发生变化。

即使气流速度不变，气流的马赫数也会发生变化。

音速大，气流的马赫数减小；音速小，气流的马赫数增大。

一般来说，气流的马赫数大于1，气流就是超音速气流；马赫数小于1。

气流就是亚音速气流。

气流马赫数的变化使得气体在流动过程中损失情况发生变化。

为了同时满足上面所述的两个条件，只有依据工况条件的变化而使容积流量和圆周速度同时发生变化。

这样做既能满足马赫数不变，又能满足速度三角形的相似。

例如：

“进气温度”降低至T1’，音速就会减少，成为a’=（KgRT’）0.5为了保持气流的马赫数不变，相应的气流速度也必须减少，应按照音速减少的倍数相应减少。

a/a’=（T/T’）0.5；

u1’/u1=c1’/c1=（T’/T）0.5

or：

hpol’/hpol=Q’/Q=（T’/T）0.5

综上所述，可以得出：

hpol’=hpol·（T’/T）0.5，

orQ’=Q（T’/T）0.5

其他，如气体性质的变化也和温度变化一样，要使转速和容积流量也作出相应的变动。

这就意味着可以将原有特性的参数乘以相应的比例系数就可以换成适应新的情况。

具体的换算方式是：

①对应于原性能曲线上的数值（在P1、T1、R的情况下），容积流量为Q、主机转速为n的话，换算到所求的性能曲线数值为（R’T’/RT）0.5；

②对应于原性能曲线上的数值（在P1、T1、R的情况下），重量流量为G的话，换算到所求的性能曲线数值为P’/P（RT/R’T’）0.5；

③对应于原性能曲线上的数值（在P1、T1、R的情况下），排出压力为PC的话，换算到所求的性能曲线数值为P’/P；

④对应于原性能曲线上的数值（在P1、T1、R的情况下），压缩机轴功率为NK的话，换算到所求的性能曲线数值为P’/P（R’T’/RT）0.5；

⑤对应于原性能曲线上的数值（在P1、T1、R的情况下），压缩比与多变效率之积为εηpol的话，换算到所求的性能曲线数值为1.0。

以上的换算方法中没有反映出气体比热比（绝热指数K），因为在运行过程中虽然会有一些变化，但是绝热指数的变化并不大，因此可以不予考虑。

如果输送介质完全不同的话，原则上破坏了相似条件；要做近似估算，也可以和“进气温度”、气体常数等一般处理。

至于不同转速情况下的性能曲线换算在实际操作运行中意义不是很大，因为目前国内的氯气离心式压缩机不管是进口机组还是国产机组，原动机的功率与转速基本在运行过程中没有什么变化。

因此举个实例来说明一下：

已知：

氯气离心式压缩机组的其中一段性能曲线（100%），转速为10410rpm，三点A、B、C的有关参数为（进气流量、压力升高比以及压缩机轴功率）如下所示：

项目

A

B

C

进气容积Qj（m3/hr）

3700

4000

4200

压力升高比ε

1.67

1.55

1.50

压缩机轴功率N（Kw）

300

310

320

请计算95%转速时相应的参数。

解：

取绝热指数K=1.322，多变效率ηpol=0.75；

因此

m/（m–1）=k/（k–1）ηpol

=1.322×0.75/0.322=3.1；

（m–1）/m=0.32；

其他计算列入下表：

项目

A

B

C

备注

进气容积Qj（m3/hr）

3515

3800

3990

Q’=Q·n’/n

ε（m–1）/m-1

0.18

0.15

0.14

ε’（m–1）/m-1

0.16

0.14

0.13

压力升高比ε’

1.58

1.5

1.47

轴功率N’（Kw）

257

266

274

三、氯气离心式压缩机调节方式

1.氯气离心式压缩机和管路的联合运行

氯气离心式压缩机组的工作点是与压缩机所在管路系统的特性曲线密切相关的。

所谓的管路特性曲线就是当管路工况条件固定时（如：

氯气用户都能正常运行，使管路中的氯气压力、流量等处于均衡状态），气体流过管路所需要的能量头（htub）与管路流量（QJ）之间的关系曲线。

在分析管路特性曲线时，假设所有管路都处于压缩机出口（不计压缩机段间的管道，主机出口与整个氯气管网相通连）。

这样压缩机的进气条件（进气温度与进气压力）将不随工况条件的变化而变化，管路所需的能头（htub）可以用“管端压力”（Pe）的大小来反映，因此管路特性曲线可以用Pe-QJ来表示。

1）压缩机正常工作时的工作点和气体流量

①管路特性曲线（pipelinecharacteristiccurve）

一般氯气离心式压缩机组是与出口的氯气管网相串联的，在正常工作状态时，流过压缩机的气体容积