離心式和往復(fù)式壓縮機的工作效率特性-中文翻譯

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中文譯文離心式和往復(fù)式壓縮機的工作效率特性往復(fù)式壓縮機和離心式壓縮機具有不同的工作特性，而且關(guān)于效率的定義也不同。本文提供了一個公平的比較準(zhǔn)則，得到了對于兩種類型機器普遍適用的效率定義。這個比較基于用戶最感興趣的要求提出的。此外，對于管道的工作環(huán)境影響和在不同負(fù)載水平的影響給出了評估。乍一看，計算任何類型的壓縮效率看似是很簡單的：比較理想壓縮過程和實際壓縮過程的工作效率。難點在于正確定義適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)邊界，包括與之相關(guān)的壓縮過程的損失。除非這些邊界是恰好定義的，否則離心式和往復(fù)式壓縮機的比較就變得有缺陷了。我們也需要承認(rèn)，效率的定義，甚至是在評估公平的情況下，仍不能完全回應(yīng)操作員的主要關(guān)心問題：壓縮過程所需的驅(qū)動力量是什么？要做到這一點，就需要討論在壓縮過程中的機械損失。隨著時間的推移效率趨勢也應(yīng)被考慮，如非設(shè)計條件，它們是由專業(yè)的流水線規(guī)定，或者是受壓縮機的工作時間和自身退化的影響。管道使用的壓縮設(shè)備涉及到往復(fù)式和離心式壓縮機。離心式壓縮機用燃?xì)廨啓C或者是電動馬達(dá)來驅(qū)動。所用的燃?xì)廨啓C，總的來說，是兩軸發(fā)動機，電動馬達(dá)使用的是變速馬達(dá)或者變速齒輪箱。往復(fù)壓縮機是低速整體單位或者是可分的“高速”單位，其中低速整體單位是燃?xì)獍l(fā)動機和壓縮機在一個曲柄套管內(nèi)。后者單位的運行在 750-1,200rpm 范圍內(nèi)（1,800rpm 是更小的單位）并且通常都是由電動馬達(dá)或者四沖程燃?xì)獍l(fā)動機來驅(qū)動。效率要確定任何壓縮過程的等熵效率，就要基于測量的壓縮機吸入和排出的總焓(h) ，總壓力(p)，溫度(T)和熵(s)，于是等熵效率 變?yōu)椋? s?)],(),([sucttdischiuts TpTp??(Eq.1)并且加上測量的穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流 m，吸收軸功率為：(Eq.2))],(),([. sucttdischi TpTp???考慮機械效率 。m理論（熵）功耗（這是絕熱系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最低功耗）如下：(Eq.3))],(),([. sucttsuctdihtheor TppP??流入和流出離心式壓縮機的流量可以視為“穩(wěn)態(tài)” 。環(huán)境的熱交換通常可以忽略。系統(tǒng)邊界的效率計算通常是用吸入和排出的噴嘴。需要確定的是，系統(tǒng)邊界要包含所有內(nèi)部泄露途徑，尤其是從平衡活塞式或分裂墻滲漏的循環(huán)路徑。機械效率 ，在描述軸承和密封件的m?摩擦損失以及風(fēng)阻損失時可以達(dá)到 98%和 99%。對于往復(fù)式壓縮機，理論的氣體馬力也是由 Eq.3 給出的，鑒于吸力緩沖器上游和排力緩沖器下游的吸氣和排氣壓力脈動。往復(fù)壓縮機就其性質(zhì)而言，從臨近單位需要多方面的系統(tǒng)來控制脈動和提供隔離（包括往復(fù)式和離心式） ，以及可以自然存在的來自管線的管流量和面積管道。對于任何一個低速或高速單位的歧管系統(tǒng)設(shè)計，使用了卷相結(jié)合，管道長度和壓力降元素來創(chuàng)造脈動（聲波）濾波器。這些歧管系統(tǒng)（過濾器）引起壓力下降，因此必須在效率計算時考慮到。潛在的，從吸氣壓力扣除的額外壓力不得不包含進殘余脈動的影響。就像離心壓縮機一樣，傳熱就經(jīng)常被忽視。對于積分的機器，機械效率一般取為 95%。對于可分機機械效率一般使用 97%。這些數(shù)字似乎有些樂觀，一系列數(shù)字顯示，往復(fù)式發(fā)動機機械損失在 8-15%之間，往復(fù)壓縮機的在 6-12%（參考 1 往復(fù)壓縮機招致號碼：庫爾茲，R.，K.，光布倫，2007） 。工作環(huán)境在這樣的情況下，當(dāng)壓縮機在一個系統(tǒng)中運行時，管道長度 Lu 上游和 Ld 下游，以及管道 pu 上游的初始壓力和管道 pe 下游的終止壓力均被視為常量，在管道系統(tǒng)中我們有一個壓縮機運行的簡單模型（圖 1） 。圖 1：管道段的概念模型（文獻 2：庫爾茲.R，M.由羅穆斯基，2006 年） 。對于給定的，標(biāo)準(zhǔn)管線定量流動能力將在吸入階段強加壓力 ，在壓縮機放電區(qū)強sp加壓力 。對于給定的管線，壓縮機站頭部（ ）流（Q）關(guān)系可以近似表述為 dpsH???????????????????111243s kdsppCTH（Eq.4）其中 和 是常數(shù)（對于一個給定的管道幾何）分別描述了管道兩邊的壓力和摩擦損失3C4（文獻 2：庫爾茲.R，M.由羅穆斯基， 2006 年） 。除去其他問題，這意味著對于帶管道系統(tǒng)的壓縮機站，頭部所需流量揚程是由管道系統(tǒng)規(guī)定的（圖 2） 。特別地，這一特點對于壓縮機需要的能力允許頭部減量，按照規(guī)定的方式反之亦然。管道因此將不需要改變頭部的流量恒定（或壓力比） 。圖 2：建立在 4 式上的機頭流量關(guān)系。在短暫的情況下（如包裝其間） ，最初的操作條件遵循恒功率分布，如頭部流量關(guān)系如下：constHPs????m（Eq.5）Qcts1???并將漸進地達(dá)到穩(wěn)定的關(guān)系（文獻 3：奧海寧 S.，R.庫爾茲， 2002 年）在上述要求的基礎(chǔ)上，必須控制壓縮機輸出與系統(tǒng)要求匹配。該系統(tǒng)需求的特點是系統(tǒng)流程和系統(tǒng)頭部或壓力比的強烈關(guān)系。管線壓縮機提供了在操作條件經(jīng)驗下的大量變化，一個重要問題就是如何使壓縮機適應(yīng)這樣變化的條件，具體的說就是如何影響效率。離心壓縮機具有相當(dāng)大的平頭部和流程特點。這意味著壓力比的改變對機器的實際流程有重大的影響（文獻 4：庫爾茲 R.，20004 年） 。對于一個恒速運行的壓縮機，頭部或壓力比隨著流量的增加而減少。控制壓縮機內(nèi)的流程可以實現(xiàn)壓縮機不同的運行速度。這是控制離心壓縮機最便捷的方法。兩軸燃?xì)廨啓C和變速電機允許大范圍的速度變化（通常是最大速度或更多的 40%或 50%到 100%） 。應(yīng)當(dāng)指出，被控制的值通常不是速度，但速度是間接平衡由渦輪產(chǎn)生的動力（受進入燃?xì)廨啓C燃油流量控制）和壓縮機的吸收功率。事實上，在過去 15 年安裝的任何離心壓縮機在管線服務(wù)方面是由調(diào)速器來驅(qū)使的，通常是兩軸燃?xì)廨啓C。年長的設(shè)施和服務(wù)設(shè)施在其他管線服務(wù)有時使用單軸燃?xì)廨啓C（允許速度 90%到 100%的變化）和恒速電動機。在這些裝置中，吸節(jié)流或可變進氣導(dǎo)葉用來提供控制方法。圖 3：典型的管線運行點繪制成的典型離心壓縮機性能圖。離心壓縮機的運行封套受最大允許速度限制，最小流量（涌）和最大流量（窒息或石墻） （圖 3） 。另一個限制因素可能是可用的驅(qū)動電源。只有最小流量需要特別注意，因為它被定義為壓縮機的一種氣動穩(wěn)定性的極限?？缭竭@個限制以降低流動將導(dǎo)致壓縮機流動逆轉(zhuǎn)，這可能會損壞壓縮機。調(diào)制解調(diào)器控制系統(tǒng)通過打開一個循環(huán)閥來控制這種情況。出于這個原因，幾乎所有的現(xiàn)代壓縮機裝置都使用帶有控制閥的循環(huán)線，當(dāng)壓縮機內(nèi)的流量趨于穩(wěn)定極限時這種控制閥允許流量的增加?？刂葡到y(tǒng)不斷地監(jiān)測壓縮機關(guān)系喘振線的運行點，并且有必要的話自動地開關(guān)循環(huán)閥。對于大多數(shù)應(yīng)用來說，帶有開放或部分開放循環(huán)閥的運行模式只被用于開啟和關(guān)閉階段，或者是在混亂運行條件時的短暫時期。假設(shè)由公式 4 得到管線特點，壓縮機的葉輪將在達(dá)到或接近其最大效率時被選出來運行，這個最大效率是由管線強加在整個系列的頭部和流量條件下的。這可能是有一個速度（N）控制的壓縮機，因為一個壓縮機的最有效點是由一種關(guān)系而連接的，這種關(guān)系需要大約（風(fēng)扇法方程）：(Eq.6)525CH?6NQ?2655CQH??為滿足上述關(guān)系的操作點，吸入氣壓 是（基于效率幾乎保持不變這個的事實）：gP(Eq.7)　　37653726557g NCP??????正因為如此，這種力-速度關(guān)系允許動力渦輪運行達(dá)到或非常接近其整個范圍的理想速度。管線中典型的運行方案允許壓縮機和動力渦輪在大多數(shù)時間里在最有效點運行。然而，燃?xì)廨啓C的燃?xì)馍a(chǎn)商將在部分負(fù)荷運行時丟失一些熱效率。圖 3 顯示了一個典型的實際例子：不同流動要求的管線運行點繪制成用于壓縮機站中的速度控制離心壓縮機性能圖。往復(fù)壓縮機將自動服從系統(tǒng)壓力比的需求，只要沒有超出機械的限制條件（桿負(fù)載功率） 。系統(tǒng)吸排氣壓力的改變將僅能引起閥門或早或晚的開啟。頭部可以自動下降因為閥門可以降低排氣端的管線壓力和/或吸入端更高的管線壓力。因此，如果沒有額外的措施，流量將大致恒定——除了容積效率將增加的變化，所以降低壓力比而增加流量。控制的挑戰(zhàn)存在于系統(tǒng)要求的流量調(diào)整。如果沒有額外的調(diào)整，隨著壓力比的變化，壓縮機流量的改變微乎其微。從歷史上看，通過改變激活機器的數(shù)量使管線安裝許多小的壓縮機和調(diào)整流量。這個容量和負(fù)荷可通過速度調(diào)諧，或者通過一個單一單元的缸間隙中的許多小調(diào)整（加載步驟）來調(diào)諧。隨著壓縮機的發(fā)展，控制容量的負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移到獨立壓縮機上。負(fù)荷控制是壓縮機運行的一個關(guān)鍵組成部分。從管線操作角度來看，在機組中流量變化要符合管線投出承諾，以及實施公司最佳操作（例如，線包裝，負(fù)載預(yù)期） 。從一個單元的角度來看，負(fù)荷控制包含降低單元流量（通過卸載或速度）使操作盡可能的貼近設(shè)計扭矩限制，并在壓縮機或驅(qū)動程序沒有超載的情況下進行。對于任何給定的機組入口和出口壓力，在任何負(fù)荷圖曲線上的關(guān)鍵限制都是桿負(fù)荷限制和馬力/扭矩限制。瓦斯控制通常會建立在一個機組的單元上，而這個機組運行必須達(dá)到管線流量目標(biāo)。地方單元控制將建立負(fù)載步驟或速度要求來限制桿負(fù)荷或達(dá)到扭矩控制。改變流量的常用方法是改變速度，改變間隙，或取消激活缸頭（保持進口閥開啟） 。另一種方法是卸載無限步驟，從而延緩吸氣閥封閉以減少容積效率。此外，流程的一部分可以回收或吸氣壓力可以節(jié)流從而降低質(zhì)量流量，同時保持進入壓縮機的容積流量基本不間斷。壓縮機控制策略應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)自動化，并在壓縮機運行期間能夠簡便地調(diào)整。特別地，壓縮機設(shè)計修改的戰(zhàn)略需求（如：離心壓縮機重新旋轉(zhuǎn)，改變缸徑，或給往復(fù)壓縮機添加固定間隙）在這里不被考慮。需要指出的是，對于往復(fù)式壓縮機一個關(guān)鍵的控制要求是不超載驅(qū)動或超過機械限制。運行典型的穩(wěn)態(tài)管道運行將產(chǎn)生圖 4 所示的一個有效行為。該圖是評估沿管道穩(wěn)定運行特征狀態(tài)壓縮機效率的結(jié)果。大中型壓縮機都將達(dá)到 100%流量的最佳效率，并允許超出設(shè)計流量的 10%。不同的機械效率并沒有考慮這種對比。往復(fù)壓縮機效率在文獻 5 中被推導(dǎo)出，從增加的閥門效率測量與壓縮效率和造成的損失脈動衰減器。低速壓縮機的效率是可以實現(xiàn)的。高速往復(fù)壓縮機在效率上可能比較低。圖 4：以穩(wěn)態(tài)管線特性運行為基礎(chǔ)的在不同流量率的壓縮機效率。圖 4 顯示在較低壓力比下增加的閥門損失的影響和往復(fù)機器的較低流量，而離心壓縮機的效率幾乎保持常量。結(jié)論不同型號壓縮機間的效率定義和對比需要密切關(guān)注邊界條件的定義，對于這樣的邊界條件，效率和受用的運行發(fā)展趨勢同時被定義。當(dāng)效率值用來計算功耗時機械效率具有重要作用。如果不考慮這些定義，不同系統(tǒng)的優(yōu)缺點討論將變得不準(zhǔn)確和有誤導(dǎo)性。