戚驥 潘晨光 常香珺

1.松下冷鏈（大連）有限公司 遼寧大連 116600

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關(guān)鍵字丙烷制冷壓縮機(jī)；補(bǔ)氣室；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1 引言

調(diào)查表明，大型離心壓縮機(jī)用電量占我國工業(yè)用電總量30～40%，提升離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)性能、運(yùn)行效率的重要性可見一斑，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本文圍繞丙烷制冷壓縮機(jī)的補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)開展具體研究。

2 丙烷制冷技術(shù)及工藝現(xiàn)狀

2.1 丙烷制冷技術(shù)

HFC、HCFC、天然工質(zhì)為制冷劑替代的重點(diǎn)方向，丙烷屬于其中天然工質(zhì)的代表。作為天然的制冷劑，丙烷具備對(duì)自然環(huán)境沒有危害、熱力學(xué)性能優(yōu)秀等優(yōu)勢(shì)，臭氧破壞潛能值（ODP）、全球變暖潛能值（GWP）均為0。在筆者的實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，丙烷制冷劑早已在我國石油化工等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。以應(yīng)用于天然氣凝液回收的丙烷制冷技術(shù)為例，“膨脹制冷+輔助制冷（丙烷制冷）”的工藝形式可較好服務(wù)于油氣田冷凝分離法的應(yīng)用，其中丙烷制冷技術(shù)在其中的應(yīng)用可細(xì)分為淺冷回收法、深冷回收法，兩種方法的應(yīng)用必須權(quán)衡輕烴回收率和裝置能耗關(guān)系，由此方可合理選擇工藝參數(shù)[1]。

2.2 丙烷制冷工藝及現(xiàn)狀

丙烷制冷技術(shù)實(shí)質(zhì)上屬于液體相變制冷，圖1為其典型制冷工藝簡圖及壓焓圖，但在筆者的實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)制冷系數(shù)變化差別較大、自然冷源未得到有效利用的情況在我國極為常見，丙烷制冷技術(shù)的效用發(fā)揮因此受到了較為負(fù)面影響，而為了盡可能化解這種影響，便需要進(jìn)行工藝的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3 丙烷制冷壓縮機(jī)的補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

結(jié)合工程實(shí)踐，可確定丙烷制冷壓縮機(jī)在第二級(jí)葉輪和第三級(jí)葉輪間有一次加氣，該部位因此需要進(jìn)行補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)的目的是為了降低加氣損失，整個(gè)丙烷制冷系統(tǒng)的整體性能也會(huì)因此受到較為積極影響。因此，筆者結(jié)合圖2（左）所示的丙烷制冷壓縮機(jī)改進(jìn)前的補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)，結(jié)合該圖開展分析不難發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)前的丙烷制冷壓縮機(jī)補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)屬于典型的傳統(tǒng)補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)，圖2（右）則為改進(jìn)后的丙烷制冷壓縮機(jī)補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)。對(duì)比改進(jìn)前的補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)、改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的丙烷制冷壓縮機(jī)加氣室結(jié)構(gòu)的加氣口更靠近前一級(jí)葉輪回流器出口，改進(jìn)前的丙烷制冷壓縮機(jī)加氣室結(jié)構(gòu)則更靠近下一級(jí)葉輪進(jìn)口。深入分析不難發(fā)現(xiàn)，回流器在丙烷制冷系統(tǒng)中發(fā)揮著改變氣流方向的作用，葉輪則屬于丙烷制冷壓系統(tǒng)中氣體做功部件，由此圍繞改進(jìn)后的丙烷制冷壓縮機(jī)補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開展分析不難發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)使得回流器與加氣口的距離大幅縮短，氣流在進(jìn)入下一級(jí)葉輪前將實(shí)現(xiàn)均勻混合，下一級(jí)葉輪損失減少、丙烷制冷壓縮機(jī)效率提升均將由此實(shí)現(xiàn)[2]。

4 數(shù)值模擬

4.1 模擬思路

為明確丙烷制冷壓縮機(jī)補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)帶來的影響，需進(jìn)行相鄰兩級(jí)及補(bǔ)氣室的整體三維流場數(shù)值模擬，這一模擬是為了對(duì)比補(bǔ)氣室改進(jìn)前后丙烷制冷壓縮機(jī)、丙烷制冷系統(tǒng)性能受到的影響。具體來說，數(shù)值模擬需圍繞丙烷制冷壓縮機(jī)的第二級(jí)、第三級(jí)、補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)展開，但由于環(huán)形補(bǔ)氣室上的壓縮機(jī)客體存在補(bǔ)氣孔，這就使得丙烷制冷壓縮機(jī)補(bǔ)氣室的補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)并非軸向均勻的幾何體，周期性單通道在這種情況下無法滿足流場的研究需要，而為了在這種情況下準(zhǔn)確把握丙烷制冷壓縮機(jī)性能、流場受到的補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)變化影響，必須開展包括補(bǔ)氣室、相鄰兩級(jí)的整場網(wǎng)格建立，并以此進(jìn)行數(shù)值模擬。在具體的模擬過程中，假設(shè)丙烷制冷壓縮機(jī)環(huán)形補(bǔ)氣室均勻補(bǔ)氣，由此開展丙烷制冷壓縮機(jī)變工況流場時(shí)的計(jì)算，計(jì)算采用單通道流場計(jì)算[3]。

4.2 網(wǎng)格劃分

在基于丙烷制冷壓縮機(jī)補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)帶來影響的數(shù)值模擬中，需首先進(jìn)行丙烷制冷壓縮機(jī)補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)的三維建模，這一建模需使用Solid works工程軟件，第二級(jí)、補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)、第三級(jí)的整場流場計(jì)算網(wǎng)格的生成則需要得到Autogrid5的支持，由此即可得出第二級(jí)、補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)、第三級(jí)的整場三維模型圖，以及第二級(jí)、補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)、第三級(jí)的整場網(wǎng)格模型。

4.3 結(jié)果分析

在獲取第二級(jí)、補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)、第三級(jí)的整場三維模型圖，以及第二級(jí)、補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)、第三級(jí)的整場網(wǎng)格模型后，即可使用FINE軟件進(jìn)行網(wǎng)格的加載，并同時(shí)進(jìn)行條件設(shè)置，由此即可真正開展丙烷制冷壓縮機(jī)補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)性能模擬計(jì)算。在具體的丙烷制冷壓縮機(jī)補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)性能模擬計(jì)算中，計(jì)算需分別圍繞改進(jìn)前的丙烷制冷壓縮機(jī)補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)與改進(jìn)后結(jié)構(gòu)展開，并分別進(jìn)行相鄰兩級(jí)流場模擬計(jì)算，由此可確定改進(jìn)前丙烷制冷壓縮機(jī)加氣室結(jié)構(gòu)的損失為6449Pa，改進(jìn)后的損失則為1048Pa，由此可直觀發(fā)現(xiàn)丙烷制冷壓縮機(jī)補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)所取得的優(yōu)秀成果，加氣室損失的下降也使得改進(jìn)后的丙烷制冷壓縮機(jī)補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)溫度出現(xiàn)了一定下降，進(jìn)入第三級(jí)葉輪的氣流也因此變得更為均勻，這使得丙烷制冷壓縮機(jī)第三級(jí)的效率提高了5.32%。

圖1 典型丙烷制冷工藝簡圖及壓焓圖

圖2 改進(jìn)前的補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)（左）、改進(jìn)后的補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)（右）

對(duì)比改進(jìn)前、改進(jìn)后丙烷制冷壓縮機(jī)加氣室留道子午相對(duì)速度分布不難發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的丙烷制冷壓縮機(jī)補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)的第三級(jí)葉輪內(nèi)流動(dòng)較為均勻，這種均勻性較改進(jìn)前的第三級(jí)葉輪內(nèi)流動(dòng)存在明顯優(yōu)勢(shì)，這同樣能夠證明改進(jìn)后丙烷制冷壓縮機(jī)第三級(jí)效率更高；而進(jìn)行改進(jìn)前后丙烷制冷壓縮機(jī)加氣室縱剖面流動(dòng)情況的對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)前的丙烷制冷壓縮機(jī)加氣室縱剖面流動(dòng)情況不容樂觀，存在的較大漩渦對(duì)加氣室兩側(cè)造成了極為負(fù)面的影響，速度變化大也使得第二級(jí)回流器出來的氣流與丙烷制冷壓縮機(jī)加氣室加進(jìn)的氣流混合極為不均勻，這種混合的不均勻?qū)е卤橹评鋲嚎s機(jī)第三級(jí)葉輪進(jìn)口處的氣體損失增大，改進(jìn)前丙烷制冷壓縮機(jī)第三級(jí)葉輪的效率因此偏低，但改進(jìn)設(shè)計(jì)后上述問題基本得到了解決，丙烷制冷壓縮機(jī)第三級(jí)葉輪進(jìn)口處的氣體損失因此大幅減少，第三級(jí)葉輪效率也因此實(shí)現(xiàn)了長足提升。

5 丙烷制冷流程模擬

5.1 模型建立

圖3 丙烷制冷模擬流程

為解釋丙烷制冷系統(tǒng)的內(nèi)在運(yùn)行規(guī)律，丙烷制冷流程模擬的開展具備較高必要性，而為了在實(shí)際生產(chǎn)中不影響丙烷制冷壓縮機(jī)正常運(yùn)行，丙烷制冷流程模擬也可應(yīng)用PRO/Ⅱ烴類工藝模擬軟件，該軟件由美國SimSci公司出品，圖3為應(yīng)用該軟件的丙烷制冷模擬流程。結(jié)合丙烷壓縮制冷系統(tǒng)標(biāo)定數(shù)據(jù)機(jī)數(shù)表不難發(fā)現(xiàn)，丙烷制冷系統(tǒng)的制冷劑流量、壓縮機(jī)排氣壓力、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、環(huán)境溫度、冷卻水流量、電機(jī)運(yùn)行電流、電機(jī)運(yùn)行電壓、電機(jī)功率因數(shù)、電機(jī)效率分別為12065kg/h、1436kPa、40.6℃、-34.7℃、28.5℃、214.7m3/h、53A、6300V、0.92、81%，而結(jié)合丙烷壓縮機(jī)標(biāo)定核算結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，其輸入功率、軸功率、壓縮機(jī)效率、機(jī)組效率、有效制冷量、制冷系數(shù)分別為534.1kW、456.25kW、64%、58%、733kW、1.61。

5.2 具體模擬

應(yīng)用PRO/Ⅱ烴類工藝模擬軟件的丙烷制冷模擬環(huán)節(jié)主要包括制冷系統(tǒng)物流成分選擇、制冷系統(tǒng)熱力學(xué)狀態(tài)方程選擇、標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位選擇、使用物流線連接建立工藝流程圖、定義能力參數(shù)與物流狀態(tài)（流程單體設(shè)備）、定義觀察到的運(yùn)行結(jié)果內(nèi)容（物流線上）、運(yùn)行操作（RUN指令），而在View Excel Result命令的支持下，技術(shù)人員可應(yīng)用excel軟件進(jìn)行換熱能力、做功能力、分子量、焓值、總摩爾組成、汽相摩爾組成、液相摩爾組成、總流量、液相流量、汽相流量、壓力、各物流、設(shè)備溫度等詳細(xì)結(jié)果的查看。對(duì)比主要操作點(diǎn)的實(shí)際參數(shù)與工藝運(yùn)行參數(shù)不難發(fā)現(xiàn)，實(shí)際參數(shù)與模擬求得的工藝運(yùn)行參數(shù)相差不大，如制冷劑丙烷模擬流程的循環(huán)質(zhì)量為12065kg/h，實(shí)際流程的循環(huán)質(zhì)量同樣為12065kg/h；丙烷壓縮機(jī)模擬流程的出口壓力、出口溫度分別為1438kPa與70℃其實(shí)際流程的出口壓力、出口溫度分別為1440kPa與70℃；模擬流程冷凝器出口壓力、出口溫度分別為1435kPa與40.8℃，其實(shí)際流程的出口壓力、出口溫度分別為1440kPa與-34.3℃；模擬流程蒸發(fā)器出口壓力、出口溫度分別為-116.6kPa與40.8℃，其實(shí)際流程的出口壓力、出口溫度分別為115kPa與-35℃，由此可確定PRO/Ⅱ烴類工藝模擬軟件的應(yīng)用價(jià)值，物流工藝模擬質(zhì)量也能夠由此得到證明，圍繞PRO/Ⅱ烴類工藝模擬軟件開展的更進(jìn)一步丙烷制冷壓縮機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)則將成為筆者下一步研究的方向。

6 結(jié)論

綜上所述，丙烷制冷壓縮機(jī)的補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)具備較高現(xiàn)實(shí)意義，在此基礎(chǔ)上，本文應(yīng)用數(shù)值模擬CFD技術(shù)開展的數(shù)值驗(yàn)證，則直觀證明了丙烷制冷壓縮機(jī)的補(bǔ)氣室結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)能夠降低損失、提升加氣室流場理想程度，而為了更好發(fā)揮丙烷制冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，丙烷制冷系統(tǒng)的總體改造、各地廉價(jià)自然冷源的應(yīng)用必須得到重點(diǎn)關(guān)注。