姜 良 李文琦 楊思思 付大春 李志權(quán) 范吉全

中國寰球工程有限公司北京分公司, 北京 100101

0 前言

現(xiàn)代乙烯工業(yè)中,膨脹再壓縮機作為低溫分離流程獲取冷量的關(guān)鍵設(shè)備,制冷效果遠(yuǎn)優(yōu)于節(jié)流膨脹閥的制冷效果,其性能優(yōu)劣對于提升乙烯收率、降低裝置能耗水平具有重要影響[1-2]。膨脹再壓縮機是一種高速葉輪機械,由膨脹機和壓縮機組成,轉(zhuǎn)速可達(dá) 20 000～40 000 r/min,而且通常在低溫環(huán)境下運行,技術(shù)難度大、科技含量高,目前嚴(yán)重依賴進(jìn)口。中國膨脹機技術(shù)發(fā)展比較緩慢,在航天領(lǐng)域有一些低溫氦氣膨脹機方面的研究,但尚未工業(yè)化應(yīng)用推廣[3-5];在空分領(lǐng)域,杭氧集團、四川空分集團等制造企業(yè)通過引進(jìn)國外技術(shù),已經(jīng)可以生產(chǎn)一些空分膨脹機,但在石油化工裝置上還鮮有應(yīng)用[6-7];一些石油化工運營單位聯(lián)合研究所、制造廠在空分膨脹機的基礎(chǔ)上開展膨脹再壓縮機國產(chǎn)化研究,但研究深度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠[8-9]。性能試驗是檢驗膨脹再壓縮機性能的重要措施,國際上尚無直接相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn),國外的性能試驗一般依據(jù)廠家經(jīng)驗進(jìn)行；國內(nèi)的性能試驗還僅限于個別領(lǐng)域內(nèi)開發(fā)階段的方案測試[10-12],應(yīng)用時也缺乏可靠的試驗結(jié)果評價措施。近年來，隨著能源化工行業(yè),特別是氫氣、甲烷等新能源領(lǐng)域的快速發(fā)展,膨脹再壓縮機的市場需求愈加擴大,有必要對膨脹再壓縮機的性能試驗和評價展開研究。本文針對某乙烯裝置高壓膨脹再壓縮機,結(jié)合工藝流程需求,對其性能試驗的原理、方案和具體過程展開介紹,并依據(jù)相似理論開發(fā)了試驗結(jié)果核算程序?qū)υ囼灲Y(jié)果進(jìn)行評價。深入探索和研究膨脹再壓縮機性能試驗方案設(shè)計和試驗結(jié)果評價,對檢驗機組性能有重要意義,也有助于膨脹再壓縮機國產(chǎn)化研究。

1 膨脹再壓縮機概述

1.1 工藝流程及參數(shù)

以某乙烯裝置為例說明膨脹再壓縮機的工作流程和用途。該乙烯裝置以乙烷為原料,采用前脫乙烷前加氫工藝，其中低溫分離系統(tǒng)膨脹再壓縮機工藝流程見圖1。

圖1 低溫分離系統(tǒng)膨脹再壓縮機工藝流程圖

上游分離出的低溫氫氣和甲烷混合氣體首先進(jìn)入高壓膨脹機膨脹做功,經(jīng)過分液罐后進(jìn)入低壓膨脹機膨脹做功,然后經(jīng)冷箱換熱后逐級進(jìn)入低壓壓縮機和高壓壓縮機。氣體經(jīng)膨脹機后溫度會進(jìn)一步降低，并且發(fā)出一定功率，可以為冷箱系統(tǒng)提供冷量用以分離出乙烯產(chǎn)品，而發(fā)出的功率則作為壓縮機運轉(zhuǎn)的動力。由于介質(zhì)中含有大量氫氣,單臺膨脹機能力受限,因此配置高壓和低壓2臺膨脹再壓縮機串聯(lián)使用。高壓膨脹再壓縮機設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 高壓膨脹再壓縮機工藝參數(shù)表

1.2 結(jié)構(gòu)及原理

膨脹機和壓縮機采用同軸設(shè)計,中間為軸承系統(tǒng);膨脹機吸入高壓氣體膨脹制冷并輸出功率,帶動壓縮機旋轉(zhuǎn)從而壓縮氣體。膨脹再壓縮機是一種功率自平衡機械設(shè)備,會根據(jù)膨脹功和壓縮功自動平衡轉(zhuǎn)速,如果壓縮機功率偏高其轉(zhuǎn)速會變低,反之則轉(zhuǎn)速升高,運行時很容易偏離設(shè)計工況[13]。為了提高機組性能,通常會設(shè)計很高轉(zhuǎn)速,采用開式或半開式葉輪,并配套使用鋁合金、鈦合金等高比強度材料,軸承可以使用磁力軸承以進(jìn)一步降低軸承損耗[14],因此對整個機組的設(shè)計和制造要求都很高。膨脹再壓縮機典型結(jié)構(gòu)見圖2。

a)原理圖

2 性能試驗原理

2.1 性能試驗考核指標(biāo)

根據(jù)API 617—2014 Axial and Centrifugal Compressors and Expander-compressor[15](以下簡稱API 617—2014),制造后的膨脹再壓縮機應(yīng)保證膨脹機在設(shè)計速比下的等熵效率不低于設(shè)計等熵效率的98%,壓縮機在正常流量下的能頭不低于設(shè)計能頭的98%,而且在保證工況下壓縮機吸收的功率為膨脹機發(fā)出功率的96%～106%。

2.2 性能試驗計算方法

膨脹再壓縮機由膨脹機和壓縮機組成,壓縮機為單級離心壓縮機,國內(nèi)外都有直接可遵循的試驗標(biāo)準(zhǔn),而膨脹機沒有可參照的具體標(biāo)準(zhǔn),將參照ASME PTC-10(2009)Performance Testing of Centrifugal Compressors-The real Gas Calculation Method[16](以下簡稱ASME PTC-10)、葉輪機械設(shè)計理論[17-18]和廠家經(jīng)驗進(jìn)行試驗。根據(jù)考核指標(biāo),膨脹機性能試驗主要為了驗證機組等熵效率和功率,等熵效率是機組實際焓降和等熵焓降的比值,可以根據(jù)式(1)～(3)獲得,而功率則可根據(jù)式(4)通過實際焓降與吸入流量獲得，速比則可以根據(jù)式(5)獲得?？梢?只需要測量出機組進(jìn)出口溫度、壓力以及流量等參數(shù),就可計算得到機組實際的等熵效率和功率等,進(jìn)而評價機組的性能水平。

(1)

ΔHa=Cp×(T1-T2)

(2)

(3)

P=m×ΔHa

(4)

(5)

式中:ΔHs為等熵焓降,kJ/kg;ΔHa為實際焓降,kJ/kg;CP為定壓比熱容,kJ/(kg·K);k為絕熱指數(shù);T1為膨脹前溫度,K;T2為膨脹后溫度,K;p1為膨脹前壓力,kPa;p2為膨脹后壓力,kPa;φ為等熵效率;P為軸功率,kW;m為膨脹機質(zhì)量流量,kg/h;Xa為速比;U為葉輪輪緣速度,m/s;C為機組等熵噴射速度,m/s。

2.3 性能試驗相似理論應(yīng)用

在試驗過程中,因條件受限,往往無法獲得和設(shè)計工況一樣的氣體組分、壓力、溫度等,因此會依據(jù)相似理論進(jìn)行相似試驗[19]。根據(jù)透平機械基本理論,要符合流動相似,需要保證機組在兩個工況下幾何相似、運動相似、動力相似和熱力相似,工程中通常做法是要求決定性的相似準(zhǔn)則相似,如表征黏性影響的雷諾數(shù)、表征可壓縮性的馬赫數(shù)和絕熱指數(shù)等[20]。根據(jù)ASME PTC-10及廠家經(jīng)驗,膨脹機性能試驗采用的相似準(zhǔn)則及其可接收偏差范圍如下：速比0.95～1.05，流量轉(zhuǎn)速比0.90～1.10，比容比0.95～1.05，雷諾數(shù)(參考準(zhǔn)則)見圖3-a)，馬赫數(shù)(參考準(zhǔn)則)見圖3-b)。

a)雷諾數(shù)

根據(jù)實際測試經(jīng)驗,在相似試驗條件下很難保證壓縮機和膨脹機同時符合如上相似準(zhǔn)則,因此壓縮機和膨脹機一般都獨立進(jìn)行性能試驗,另一側(cè)根據(jù)計算獲得需要匹配的條件。

3 性能試驗方案及過程

3.1 試驗方案

3.1.1 試驗氣體選擇

根據(jù)ASME PTC-10,膨脹機性能試驗可以分為Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型試驗完全復(fù)現(xiàn)機組運行情況,包括氣體組分、轉(zhuǎn)速、壓力等,Ⅱ型試驗是在上述試驗條件不易或無法實現(xiàn)的情況下進(jìn)行的相似試驗。本機組處理氣體為氫氣和甲烷混合氣體,平均分子量約4 g/mol,且入口溫度較低,試驗時不易獲取,參照廠家經(jīng)驗做法,經(jīng)多方協(xié)調(diào)后采用空氣作為替代氣體?？諝馐且环N安全氣體,物理特性和熱力特性也較為清晰,可以進(jìn)行開式試驗。

3.1.2 試驗條件及轉(zhuǎn)速確定

選定空氣介質(zhì)后,需要確定具體的試驗條件。由于采用開式試驗,膨脹機的出口壓力為大氣壓,入口溫度和壓力由氣源決定,為了更好達(dá)到相似條件,也可以對進(jìn)出口條件進(jìn)行一定調(diào)整。假定膨脹機制造后能力和設(shè)計能力一樣,則膨脹機效率應(yīng)該一樣,根據(jù)比容比相似準(zhǔn)則進(jìn)而可計算出試驗狀態(tài)出口密度和溫度;類似于壓縮機的能頭系數(shù),速比是決定膨脹機性能非常關(guān)鍵的因素,也是一個重要的相似準(zhǔn)則,結(jié)合式(4)可計算出膨脹機等熵噴射速度,進(jìn)而可以確定膨脹機的相似試驗轉(zhuǎn)速;再根據(jù)流量轉(zhuǎn)速比準(zhǔn)則可計算出試驗需要的氣量。設(shè)計后還應(yīng)考慮雷諾數(shù)和馬赫數(shù)的偏差,實時調(diào)整測試條件,以便達(dá)到充分的流動相似。本機組的設(shè)計條件與試驗條件見表2。

表2 膨脹機設(shè)計條件與試驗條件表

3.1.3 性能試驗裝置

膨脹再壓縮機性能試驗在測試臺進(jìn)行,主要包括機組測試回路部分和數(shù)據(jù)自動采集及處理部分。機組性能試驗臺配置見圖4,本次試驗采用開式試驗,壓縮機入口和出口都與大氣直接相連,膨脹機入口與高壓空氣管道連接,出口直接排放至大氣,高壓空氣由測試臺空壓機提供。為了試驗管路的匹配性,膨脹機入口速關(guān)閥采用試驗臺速關(guān)閥組件。

圖4 試驗臺配置示意圖

從試驗原理可知,膨脹機性能試驗需要記錄機組入口溫度、入口壓力、出口溫度、出口壓力、流量、轉(zhuǎn)速等參數(shù),然后通過計算獲得機組性能,其中流量通過孔板流量計測量。溫度和壓力儀表布置在機組進(jìn)出口管道上,為了測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,按照ASME PTC-10做法同時記錄4組數(shù)據(jù),每1個測量截面間隔90°垂直布置4個測量儀表,計算時舍去偏差較大的數(shù)據(jù),對于壓力信號,為了保證測量的準(zhǔn)確性,還需要在機組進(jìn)出口設(shè)置足夠長的直管段。測試數(shù)據(jù)通過變送器發(fā)送到控制臺,由測試臺自動采集數(shù)據(jù)并記錄處理。所有的儀表在測試前應(yīng)經(jīng)過功能測試和校驗,以消除儀表本身的誤差[21]。由于采用空氣試驗,還需要記錄測量時的大氣壓和濕度,以便準(zhǔn)確計算空氣介質(zhì)物性參數(shù)。

3.2 試驗過程

按照設(shè)計的試驗條件準(zhǔn)備試驗臺,做好必要的安全措施,然后開始膨脹機試驗。本機組采用磁力軸承系統(tǒng),需要將軸承及其磁力控制系統(tǒng)組裝好以后進(jìn)行試驗。試驗過程如下。

1)完成輔助系統(tǒng)準(zhǔn)備。密封系統(tǒng)調(diào)試合格,磁力軸承通電保證軸承處于懸浮狀態(tài)。

2)啟動膨脹再壓縮機。保證膨脹機入口導(dǎo)葉閥門(Inlet Guide Vane,IGV)關(guān)閉、壓縮機入口切斷閥全開。

3)逐漸打開膨脹機IGV進(jìn)行升速。

4)調(diào)整進(jìn)出口參數(shù)以達(dá)到設(shè)計的試驗點。

5)試驗點膨脹機出口溫度穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

6)重復(fù)上述步驟4)和5)完成所有測試點。

3.3 試驗結(jié)果與評價

由于采用相似試驗,獲取的試驗數(shù)據(jù)不能直接用于性能評價,需要換算到設(shè)計工況,特別是還應(yīng)對膨脹機特性曲線(效率—速比曲線)進(jìn)行適當(dāng)修正,典型效率修正曲線見圖5。

圖5 膨脹機性能試驗效率修正曲線圖

由于國外制造廠僅提供試驗數(shù)據(jù)和換算后的性能曲線,對于換算的合理性、正確性無法判斷,因此也同時設(shè)計了性能試驗核算程序,用于結(jié)果對照。核算程序的設(shè)計理論與前述試驗理論一致,但計算順序相反。膨脹機實際試驗數(shù)據(jù)與根據(jù)核算程序換算后的結(jié)果見表3,其他測試點換算結(jié)果也基本一致,試驗性能曲線見圖6。

表3 膨脹機試驗數(shù)據(jù)與換算結(jié)果表

圖6中試驗點為膨脹機在設(shè)計條件下的實際測試結(jié)果,根據(jù)試驗空氣介質(zhì)換算到設(shè)計條件時的試驗效率為82.55%,高于設(shè)計值81.5%,其他測試點效率也等于或略優(yōu)于設(shè)計值,各考核參數(shù)均滿足API 617—2014要求,證明機組制造后的性能滿足設(shè)計要求。

圖6 試驗性能曲線圖

根據(jù)表3數(shù)據(jù)計算,試驗條件和設(shè)計條件的馬赫數(shù)和雷諾數(shù)偏差都在允許范圍內(nèi),試驗條件的流動狀態(tài)與實際流動狀態(tài)較為接近,也保證了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外,可以發(fā)現(xiàn)表3換算結(jié)果中的出口溫度、流量等與表2中的設(shè)計條件差別較大,這主要是由于在設(shè)計條件下機組出口會有部分氣體液化,液化過程導(dǎo)致實際溫度低于計算溫度,實際出口氣體流量低于計算出口氣體流量,因此在機組相似換算中應(yīng)特別關(guān)注液化問題。

4 性能試驗注意事項

膨脹再壓縮機是一種高速復(fù)雜設(shè)備,特別是本機組采用磁力軸承設(shè)計,正常運轉(zhuǎn)時機組轉(zhuǎn)子系統(tǒng)需要時刻處于懸浮狀態(tài),配套的安保輔助陶瓷軸承只能承受5次全載荷沖擊,性能試驗時既要注意保護機組的安全性,又要考慮試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1)試驗前必須進(jìn)行安全性檢查。

2)試驗轉(zhuǎn)速的選擇需要考慮足夠的安全性。試驗轉(zhuǎn)速由試驗介質(zhì)與試驗時的進(jìn)出口條件決定,試驗臺進(jìn)出口狀態(tài)可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整,設(shè)計時需要避開臨界轉(zhuǎn)速,特別是壓縮機側(cè)試驗時還需要考慮足夠的裕量,以保證對喘振現(xiàn)象的準(zhǔn)確判斷。

3)試驗條件的設(shè)計還應(yīng)考慮試驗介質(zhì)狀態(tài),應(yīng)避免膨脹后產(chǎn)生凝液、結(jié)冰現(xiàn)象,介質(zhì)單相流狀態(tài)是試驗結(jié)果熱動力換算的可靠保證[22]。

4)膨脹機試驗時還應(yīng)考慮對應(yīng)狀態(tài)下壓縮機的性能,如果某個試驗點無法與壓縮機匹配,還應(yīng)調(diào)整壓縮機狀態(tài),如壓縮機的入口溫度、入口壓力等。

5)膨脹機設(shè)置有IGV,為了保證試驗條件的流動相似,應(yīng)保證在每個試驗點的IGV開度與對應(yīng)設(shè)計工況下的IGV開度一致。

6)膨脹機每個試驗點的獲得需要不斷調(diào)整相關(guān)參數(shù)靠近,測量時保證速比一定,流量轉(zhuǎn)速比盡可能一致,以減少修正。

7)試驗中的調(diào)節(jié)主要通過膨脹機噴嘴調(diào)節(jié),為了達(dá)到測試目的,可能需要進(jìn)行必要的試驗臺調(diào)整。

8)為了保證流動的相似性，對應(yīng)試驗點的IGV開度應(yīng)與實際工況開度一致。

9)試驗前所有測量儀表需經(jīng)過必要的校驗,測試系統(tǒng)用管徑、長度、變徑、彎頭等應(yīng)合理設(shè)計,以減少測量誤差。

5 結(jié)論

膨脹再壓縮機在乙烯裝置中占據(jù)核心地位,性能試驗是保證其質(zhì)量的重要環(huán)節(jié),開展相關(guān)研究對于促進(jìn)其國產(chǎn)化、提升乙烯裝置收益率都具有重要意義。本文利用相似理論,對某乙烯裝置膨脹再壓縮機的膨脹機部分進(jìn)行試驗方案設(shè)計、測試,并對試驗結(jié)果進(jìn)行核驗評價,得出如下結(jié)論。

1)本膨脹再壓縮機制造后性能滿足設(shè)計要求,結(jié)合流體相似理論開發(fā)的試驗結(jié)果核算程序結(jié)果滿足工程設(shè)計使用要求。

2)膨脹機性能試驗參數(shù)的設(shè)計、試驗臺的搭建、試驗過程中的操作以及試驗結(jié)果的驗證都對試驗結(jié)果的可靠性有重要影響,試驗時需要對各環(huán)節(jié)進(jìn)行把控。

3)對于低溫膨脹機性能試驗,試驗設(shè)計和結(jié)果核算過程中應(yīng)特別關(guān)注機組出口凝液問題,該問題會對試驗條件和試驗結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。