淺析氫氣壓縮機氮氣試機時超溫超負荷的原因

李杭鍇

(中化泉州石化有限公司,福建 泉州 362000)

蠟油加氫裂化裝置的氫氣壓縮機正式投用前使用氮氣進行試機,試機時出現了超溫超負荷的情況。本文通過相關熱力計算對不同變化因素造成的影響進行分析。壓縮機相關工藝參數如表1所示。

表1 壓縮機工藝參數

1 軸功率計算

若通過驅動機傳遞的軸功率過高,就會引起高溫,導致壓縮機出現超溫超負荷的現象。這里直接通過比焓來對氫氣和氮氣兩種工況下的總軸功率進行整體計算。

根據比焓計算軸功率的公式見式(1)。

Ws=Qm·(h2-h1)

(1)

式中:Ws——軸功率,kW;

Qm——質量流量,kg/h;

h1——壓縮前介質的焓,kJ/kg;

h2——壓縮后介質的焓,kJ/kg。

通過表1中相關參數可查得對應工況下比焓,代入式(1)可計算得到相關結果,如表2所示。

表2 軸功率對比

從表2數據可知,當既定的出、入口工況相同時,通過比焓計算得到的壓縮氫氣和氮氣的軸功率并沒有太大區別。

2 質量流量對于軸功率的影響

通常認為,質量流量變化會對軸功率造成很大程度的影響,工藝介質變重使得質量流量增大可能是導致軸功率急劇上升的原因之一。以下通過相關計算對質量流量增大對于軸功率的影響進行分析。

2.1 能量方程

為了方便計算,將整個過程視為一個一般穩定流動且可逆的絕熱過程。對壓縮機的壓縮過程列開口系能量方程,如式(2)所示。

ΔU-Q+W=

(2)

式中: ΔU——系統內能的變化,J;

Q——系統與環境交換的熱量,J;

W——系統與環境交換的功,J;

Mi,Mo——分別為進、出系統介質的質量,kg;

hi,ho——分別為進、出系統介質的焓,kJ/kg;

vi,vo——分別為進、出系統介質的速度,m/s;

g——重力加速度,m/s2;

Hi,Ho——分別為進、出系統介質的高度,m。

根據之前假設可知:系統內能變化為零,即ΔU=0;系統與環境不發生熱量交換,即Q=0;進出系統的質量相同,即Mi=Mo=M。

其中

(3)

則

(4)

式中:V——體積,m3;

P——壓強,Pa;

κ——絕熱指數;

P1,P2——分別為進、出系統介質的壓強,Pa;

V1,V2——分別為進、出系統介質的體積,m3;

M——進出系統介質的質量,kg。

由軸功率的能量方程[見式(4)]可以看出,被壓縮工質的質量變化對軸功率的影響體現在工質的動能和勢能的增量上。

2.2 質量相關功率

根據現場相關情況和壓縮機參數可知:

活塞移動速度

v=3.6 m/s

壓縮氫氣時增加氣體動能所消耗的軸功率為

由于壓縮機出、入口基本處于同一水平面,因此壓縮過程中勢能變化相關功率忽略不計,即

Wp=0 W

故壓縮氫氣時與質量有關的總功率為

Wm=Wk=12.4 W

當工質更換為氮氣時,這個功率將變為

由此可以得出,由于質量流量變化而引起的功耗增加量為

ΔW=161.2 W

由表2數據可知,總軸功率約為2 000 kW,而由于工質質量變化所引起的功率變化僅161.2 W,占總功率的0.01%,因此軸功率增大并非由于質量流量變大所致。

3 關于超溫的相關影響因素分析

理論推導時,為了方便計算,常以理想氣體為條件對壓縮過程進行計算,不考慮范德華力的影響。但在實際工況下,由于氫氣與氮氣的性質相差較大,范德華力的作用可能會導致較大的溫度變化,下面對其影響進行相關計算。

溫升的計算公式見式(5)。

(5)

ΔT——溫度變化值,K;

ΔP——壓力變化值,kPa。

通過表1相關參數可查得對應工況下焦耳湯姆遜系數,帶入計算可得相關結果如表3所示。

表3 溫升對比

根據表3中數據可得,兩種工況下范德華力導致的溫差為

ΔT氮-ΔT氫=4.38 K=4.38 ℃

由以上計算可知,由于工質變化引起的溫度變化為4.38 ℃,壓縮過程總溫升為73 ℃,占比約6%。將這部分溫升折算成功率,約為35 kW,占總功率的比例不到2%。由此可知,工質變化對于溫升有一定的影響,但對于超負荷的影響并不大。

4 關于超溫超負荷相關的理論分析

4.1 基于軸功率構成的分析

通過對壓縮機軸功率的組成分析可知,原動機傳遞的軸功率在壓縮過程中體現為容積變化功和非容積變化功。

容積變化功是通過對工質進行壓縮,減小其體積從而增大工質的壓力所做的功,這部分功通過壓縮機的活塞直接以力的形式作用于被壓縮工質上,屬于典型的熱力學功。從理想氣體狀態方程來看,容積變化功僅僅是氣體的壓力與體積之間的轉化。從容積變化功的計算式也可以看出,其大小并不依賴于工質的種類。對于不同種類的氣體,即便是考慮實際工況,其數值并不會有太大差別。

非容積變化功是除了容積變化功之外的功。通過焦耳的相關實驗可知,這種功主要是通過做功部件以對工質進行攪動等形式而傳遞的功。這種功的傳遞不會改變工質的體積,因此被叫做非容積變化功【2】。通過攪動而傳遞的非容積變化功本質上是做功部件與工質接觸時摩擦生熱從而產生的熱量傳遞,即這部分功實際上是通過提高工質的溫度來提高其壓力。由此可知,非容積變化功與摩擦力的大小相關,并且是正相關,即做功部件與工質之間的摩擦力越大,單位時間內傳遞的非容積變化功越高。

導致做功部件與工質間產生摩擦的影響因素主要有兩方面,一是做功部件的粗糙程度,二是工質的動力粘度。做功部件的粗糙程度屬于壓縮機的固有屬性,對于同一臺壓縮機一般不會有太大變化,因此,主要影響因素就只能是工質的動力粘度了。

氫氣與氮氣的相關動力粘度如表4所示【1】。

表4 動力粘度

通過上面的數據可以看到,氫氣的動力粘度低于氮氣的一半,因此當壓縮工質從氫氣變為氮氣時,由于動力粘度而產生的非容積變化功將會有顯著的提高。

以下通過計算來確定非容積變化功的具體影響程度。

首先計算容積變化功部分,如式(6)所示。

(6)

代入相關參數計算可得

WV=1 433.56 kW

非容積變化功為

WP=WS-WV=619.95 kW

通過上述計算可知,非容積變化功占總軸功率的比例約為30%,若非容積變化功翻倍的話,將會對總軸功率產生顯著的影響。而且對于實際氣體而言,多方過程指數小于1.4,非容積變化功的占比將會更高,工質變化對軸功率的影響也將會更加明顯。

4.2 壓縮過程分析

前文計算所得到的軸功率基本相同,是因為軸功率是根據出、入口相關狀態參數進行計算的,也就是說,為了使這兩種工質達到一定壓力,所需要的能量是相近的。但實際壓縮過程中,一個壓縮行程的結束并不是由工質達到了設計壓力而確定的,即使工質在被壓縮到一半的時候就已經達到設計的排出壓力,整個行程還是會繼續,而這個行程的繼續將導致壓縮機消耗更多的軸功率,從而導致超負荷。

4.3 基于分子運動論的分析

根據分子運動論的相關結論,結合理想氣體狀態方程,壓強P、溫度T和動力粘度μ的表達式【3】如式(7)～式(10)所示。

(7)

式中:N——分子個數;

m——單個分子的質量,g;

(8)

式中:T——溫度,K;

kB——玻爾茲曼常數。

其中

(9)

式中:R——理想氣體狀態常數;

NA—— 阿伏伽德羅常數。

(10)

式中:μ——動力粘度,Pa·s;

l——平均自由程,m。

根據壓強的表達式[見式(7)]可知,增加壓強有兩種方式,一是提高單位體積內的分子數目,二是提高分子的平均運動速度。根據溫度表達式[見式(8)]可知,平均運動速度的提高會導致溫度升高。通過第一種方式提高壓強,從宏觀層面來看就是之前所說的對工質做容積變化功,而通過第二種方式提高壓強則對應非容積變化功,非容積變化功的產生一定伴隨著溫度上升。另外根據式(8)可知,當氣體處于一定溫度時,單個分子所具有的動能是相同的,這與分子種類無關。

由式(10)可知,既定工況下,若分子動能一定,則分子質量越大的氣體所對應的動力粘度越大。工質種類的變化會對動力粘度造成影響,但不會影響壓強、體積和溫度。

結合具體的壓縮過程來講,動力粘度增大意味著摩擦力增大,即同樣的壓縮行程下,摩擦力所做的功增加,這些摩擦不僅有做功部件與工質的摩擦,還有工質內部的摩擦等等,而這部分功全都體現在非容積變化功上,宏觀上造成了更高的溫升和更大的軸功率。

5 結語

氫氣壓縮機氮氣試機時出現超溫超負荷的情況,本質上是由于在相同工況下氮氣的動力粘度遠大于氫氣、極大地增加了做功部件和工質之間的摩擦以及其他各種內摩擦所致。摩擦導致非容積變化功增加、溫升增大、軸功率增大。同時由于氫氣與氮氣之間的焦耳湯姆遜系數相差較大,也對溫升造成了一定影響。