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離心式壓縮機的性能測試與計算 謝進祥 / 中石化股份公司茂名分公司機動部 摘要 :介紹了離心式壓縮機的性能測試與流量 、壓 力 、內功率的計算過程 ,并作出了評價 。 關鍵詞 :離心式壓縮機 性能測試 計算 中圖分類號 : T H452 文獻標識碼 :B 文章編號 :1006 - 8155 (2006) 02 - 0006 - 04 Pe rfo rma nc e Te st a nd Calculatio n of Ce ntrifugal Co mp re s so r Ab stra ct : This article int ro duces t he perfo r mance test and t he calculatio n p rocedure of flow , p ressure and inner power of cent rif ugal co mp resso r . Ke y wo rd s : Cent rif ugal co mp resso r Perfo r mance test calculatio n 設計參數和技術要求見表 1 。 表 1 新的 401/ 2 機組的設計參數和技術要求 1 引言 某煉油廠一催化裝置 401/ 2 壓縮機組于 1975 年安裝投用 。該機組的蒸汽透平機是從舊船上拆 下來的背壓雙沖動級的透平機 ,經過 20 多年的運 行 ,早已超過設計壽命 。噴嘴和動葉柵磨損嚴重 , 絕熱效率已下降到 45 % 。該透平機已不能再將壓 縮機驅動到額定轉速 , 壓縮機風量和出口壓力也 不能滿足裝置的正常生產需要 。 鑒于這種情況 ,決定對該機組進行更新改造 。 新機組 由 離 心 式 壓 縮 機 、齒 輪 箱 和 電 動 機 組 成 。 離心式壓縮機由某鼓風機廠設計制造 , 齒輪箱由 南京高速齒輪箱廠制造 , 電動機由上海電機廠制 造 。 壓縮機的性能試驗 3 根據技術協議規(guī)定 , 新的離心式壓縮機 組 采 用三元流葉輪設計 ,在制造廠試驗臺現場記錄的 試驗數據見表 2 。 制造廠試驗臺現場提供的壓縮機出口管道管 徑 D = 500 mm , 出 口 端 流 量 測 量 孔 板 直 徑 d = 390 mm ,孔板流量系數 a = 0 . 746 ,膨脹系數 ε= 0 . 987 。 2 新機組的設計參數和技術要求 新的 401/ 2 機 組 投 用 后 , 單 獨 供 風 便 能 滿 足 一催化裝置的正常生產需要 。新的 401/ 2 機組的 收稿日期 :2005 - 12 - 23 茂名市 525011 — 6 — 主風機 級數 4 級 ( 按三元流葉輪設計) 轉速 5500r/ min 多變效率 83 % 流量調節(jié) 進口蝶閥 設計壽命 200000h 年平均 ( 工況 2) 最熱月平均值 ( 設計點) 最冷月平均值 ( 工況 1) 進口壓力/ MPa(絕) 0 . 096 0 . 096 0 . 096 進口溫度/ ℃ 23 30 . 7 15 . 6 相對濕度/ % 82 . 4 84 77 流量Nm 3/ min ( 濕基) ] — 設計點 1150 最大值 1250 出口壓力/ M Pa ( 絕) 0 . 32 軸功率/ k W 4150 額定功率/ k W 5000 離心式壓縮機的性能測試與計算 表 2 新的 401/ 2 離心式壓縮機性能測試數據 (8) 計算壓縮機出口空氣質量流量 4 壓縮機各試驗點計算結果 根據表 2 各測試點的測量數據 , 利用相關公 π qm = αε d 2 60 2ρkΔp 4 = 1505 . 1 kg/ min (9) 壓縮機進口質量流量與出口質量流量之 間的關系 壓縮機進口質量流量 qm 1 應等于出口質量流 量 qm 2及機外泄質量流量 qm x 之和 ,即 qm 1 = qm 2 + qm x 。但 qm x 數值與 qm 2 數 值 相 比 極 小 , 故 可 認 為 qm x ≈0 。所以 qm 1 = qm 2 = qm = 1505 . 1kg/ min 。 (10) 計算壓縮機空氣進口密度 式計算出新的 401/ 2 離心式壓縮機的空氣進口流 量 、內功率 、多變效率等 。 4 . 1 第 4 試驗點 ,即設計點的空氣進口流量 、內 功率及多變效率計算 查表可知 :水蒸氣氣體常數 R w = 461 . 6J / kg K ;空氣氣體常數 R d = 287 . 04J / kgK ; 壓縮 機 進 口溫 度 下 水 蒸 氣 的 飽 和 壓 力 psat = 3778 Pa ( 28 . 31 ℃) ;空氣絕 熱 指 數 k = 1 . 4 ; 壓 縮 機 進 、出 口 壓 縮性系數 Z1 ≈1 , Z2 ≈1 ;空氣分子量 M = 28 . 97 。 (1) 計算多變指數 p1 = 1 . 09326 kg/ m3 ρ1 = R T 1 Z1 (11) 計算壓縮機空氣進口容積流量 1 m = = 1 . 5540 qm 1 q = = 1376 . 7 m3 / min lg ( T 2 / T 1 ) 1 - v 1 p1 lg ( p2 / p1 ) (12) 計算空氣標準密度 ρN = 28/ 22 . 4 = 1 . 2933 kg/ m3 (2) 計算多變效率 m ( k - 1) ηp = ( m - 1) k = 80 . 14 % ( ) 13 計算空氣標準容積流量 (3) 計算濕空氣含水蒸氣分量 qm 3 qv N =ρ = 1164 N m / min φps N x = 0 . 622 = 0 . 020023 pb - φps (14) 每千克濕空氣壓縮機耗功 (4) 計算濕空氣氣體常數 p2 m m - 1 w p = m - 1 R T 1 Z1 ( ) p - 1 m x R w + R d 1 R = = 290 . 47 J / kgK 1 + x = 128112 . 34 J / kg (15) 壓縮機內功率 P = w p qm / ηp = 4020 . 1 k W 第 4 測試點計算結果見表 3 。 4 . 2 其他測試點的空氣進口流量 、內功率 、多變 效率計算 同樣 ,按上述公式和方法可計算出其它 測 試 點的空氣進口流量 、內功率 、多變效率等 。其計算 結果列于表 3 中 。 (5) 計算出口壓力 p2 = 0 . 3107 M Pa (6) 計算壓力比 p2 rp = p1 = 3 . 247 (7) 計算孔板前空氣氣體密度 p k 3 ρk = R T Z = 2 . 31492 kg/ m k 2 — 7 — 測試點 1 2 3 4 ( 設計點) 5 室溫 t 0/ ℃ 20 . 5 20 . 5 21 21 21 相對濕度 φ/ % 83 83 79 79 79 出口壓力 p 2/ k Pa 79 . 726 139 . 719 207 . 313 215 . 178 229 . 977 孔板前壓力/ k Pa 75 . 326 136 . 920 205 . 446 213 . 045 228 . 910 孔板前后壓力差/ k Pa 55 . 194 33 . 863 19 . 998 17 . 598 15 . 332 大氣壓力 ( 進口壓力) p 1/ Pa 95700 95700 95700 95700 95700 出口溫度 t 2/ ℃ 136 . 31 160 . 8 183 . 26 185 . 43 195 . 3 進口溫度 t 1/ ℃ 26 . 91 27 . 8 28 . 16 28 . 31 29 . 2 孔板前溫度/ ℃ 136 . 31 160 . 8 183 . 62 185 . 78 195 . 3 轉速/ ( r/ min) 5540 5540 5541 5517 5540 試驗研究 風機技術 2006 年第 2 期 / 表 3 壓縮機各試驗點計算結果 5 第 4 試驗點計算結果轉化修正后的數值 表 3 中第 4 試驗點的計算結果 , 只是反映該 臺壓縮機在制造廠試驗臺工況條件下的性能 , 并 不代表它在用戶 —催化裝置工況條件下的 性 能 。 因此 ,必須用設計點工況對第 4 試驗點計算結果 進行修正 。修正后的數值才能與設計參數進行比 較 ,以判斷它的實際性能是否符合設計性能 。轉 化計算結果見表 4 。 表 4 轉化計算結果 6 第 4 試驗點計算結果的轉化修正計算實 例 現用近似相似原理的相關公式把第 4 試驗點 查表已知 : 在壓縮機設計進口溫度下水 蒸 氣 的飽和壓力 ps′= 4416 Pa φps′ x′= 0 . 622 = 0 . 025 pb′- φps′ 計算結果轉化到設計點工況進行修正計算 。 (1) 原多變指數 m 和效率ηp 轉化后數值保持 不變 ,即 m′= m = 1 . 554 ,ηp′= ηp = 80 . 14 % 。 (2) 設計點空氣含水蒸氣分量 x′的計算 (3) 計算設計點空氣氣體常數 x′R w + R d R′= = 291 . 3 J / kgK 1 + x′ (4) 計算設計點空氣進口密度 — 8 — 轉化修正后數值 第 4 試驗點 計算結果 修正到工況 1 后的數值 修正到工況 2 后的數值 修正到設計點 后的數值 多變指數 m 1 . 554 1 . 554 1 . 554 1 . 554 絕熱指數 k 1 . 4 1 . 4 1 . 4 1 . 4 進口壓力 p 1′/ M Pa ( 絕) 0 . 0957 0 . 096 0 . 096 0 . 096 進口溫度 T 1′/ ℃ 28 . 31 15 . 6 23 30 . 7 相對濕度 φ′/ % 79 77 82 . 4 84 多變效率 ηp′/ % 80 . 14 80 . 14 80 . 14 80 . 14 飽和水蒸氣壓力 ps′/ Pa 3778 1772 2808 4416 含水蒸氣分量 x′ 0 . 020023 0 . 00896 0 . 01536 0 . 025 濕空氣氣體常數 R′/ (J / kgK) 290 . 47 288 . 59 289 . 68 291 . 30 進口空氣密度 ρ1′/ ( kg/ m3) 1 . 09326 1 . 1520 1 . 1125 1 . 0846 進口質量流量 q m 1′/ ( kg/ min) 1510 . 8 1581 . 1 1526 . 9 1488 . 6 進口容積流量 q v1′/ ( m3/ min) 1381 . 9 1372 . 5 1372 . 5 1372 . 5 進口標準容積流量 q vN 1′/ ( Nm3/ min) 1168 1222 . 5 1180 . 6 1151 壓力比 r p′ 3 . 247 3 . 386 3 . 273 3 . 194 出口壓力 p 2′/ M Pa ( 絕) 0 . 3107 0 . 3251 0 . 3142 0 . 3066 單位濕空氣壓縮機耗能 w p′/ (J / kg) 128112 . 3 133751 . 6 129165 . 5 125926 . 2 壓縮機內功率 P/ k W 4020 . 1 4398 4101 . 6 3898 . 5 壓縮機轉速 n′/ ( r/ min) 5517 5500 5500 5500 試驗點 1 2 3 4 5 多變指數 m 2 . 0550 1 . 6857 1 . 5636 1 . 5540 1 . 5568 絕熱指數 k 1 . 4 1 . 4 1 . 4 1 . 4 1 . 4 多變效率 ηp/ % 55 . 7 70 . 2 79 . 27 80 . 14 79 . 9 濕空氣氣體常數 R / (J / kgK) 290 . 44 290 . 64 290 . 47 290 . 14 290 . 48 濕空氣含水蒸氣分量 x 0 . 01984 0 . 021071 0 . 020023 0 . 020023 0 . 020085 干球溫度下的飽和水蒸氣壓力 ps/ Pa 3564 3777 . 8 3777 . 8 3777 . 8 3789 . 3 孔板前空氣氣體密度 ρk 1 . 4377 1 . 8436 2 . 2686 2 . 31492 2 . 3842 壓力比 r p 1 . 8325 2 . 459 3 . 1647 3 . 247 3 . 40136 質量流量 q m/ ( kg/ min) 2100 . 6 1863 . 2 1588 . 3 1505 . 1 1425 . 7 空氣進口密度 ρ1/ ( kg/ m3) 1 . 0981 1 . 0941 1 . 09345 1 . 09326 1 . 092175 空氣進口容積流量 q v1/ ( m3/ min) 1912 . 9 1703 1452 . 6 1376 . 7 1305 . 4 空氣標準密度 ρN / ( kg/ m3) 1 . 2933 1 . 2933 1 . 2933 1 . 2933 1 . 2933 空氣進口標準容積流量 q vN 1/ ( Nm3/ min) 1624 . 3 1440 . 7 12281 1164 1102 . 3 空氣出 、進口壓力 ( p 2/ p 1) / M Pa ( 絕) 0 . 1754/ 0 . 095 0 . 2354/ 0 . 095 0 . 3029/ 0 . 095 0. 31072/ 0. 0957 0. 32551/ 0. 0957 內功率 P/ k W 3891 . 3 4204 4174 4020 4007 . 7 離心式壓縮機的性能測試與計算 ρ1′ 果 ,可判定該臺壓縮機在設計點工況下的實際操 3 ρ1′= R′T 1′Z1 = 1 . 0846 kg/ m 作標準容積流量 ( q ′= 1151N m3 / min) 與設計標 v N (5) 第 4 試驗點轉化到設計點的質量流量計 準容積 流 量 ( qv N = 1150N m3 / min) 大 約 相 等 。而 實際操作出口絕對壓力 ( p2′= 0 . 3066M Pa) 比設計 出口絕對壓力 ( p2 = 0 . 32M Pa) 低 4 . 19 % 。實際多 變效 率 (ηp′= 80 . 14 %) 比 設 計 多 變 效 率 (ηp = 83 %) 低 3 . 45 % 。 算 n′ ρ1′ qm′= ρ1 qm = 1488 . 6 kg/ min n (6) 第 4 試驗點轉化到設計點的進口容積流 量計算 qm′ 3 qv′1 = ρ1 = 1372 . 5 m / min (7) 第 4 試驗點轉化到設計點的壓力比計算 m′ p1 m ( m′- 1)ρ1′ n′2 m - 1 m′- 1 rp′= ( ) n ( rp - 1) + 1 m p1′m′( m - 1)ρ1 = 3. 194 (8) 第 4 試驗點轉化到設計點的出口壓力計算 p2′= rp p1′= 0 . 3066 M Pa (9) 第 4 試驗點轉化到設計點的標準流量計 算 qm′ 3 qv N′= ρ = 1151 N m / min N (10) 第 4 試驗點轉化到設計點的單位耗能 圖 1 ρ1′ n′2 結論 w p′= ( n ) ρ w p = 125926 . 2 J / kg 9 1 (11) 第 4 試驗點轉化到設計點的內功率 P′= ( w p′qm′) / ηp = 3898 . 5 k W 雖然該臺壓縮機的性能沒有達到設計 要 求 , 稍有偏差 ,但根據催化裝置再生器 、反應器的現有 狀況 ,即操作壓力不宜超過 0 . 23M Pa ( 絕) [ 原設計 壓力 0 . 26M Pa (絕) , 壓縮機出口到再生器的壓損 約 0 . 05M Pa ,故推算壓縮機出口壓力不宜超過 0 . 28M Pa (絕) 。所以 ,使用該臺壓縮機后 ,它的供風 量 、壓頭的余量還是相當大的 ,完全可滿足目前催 化裝置的最大煉油生產能力要求 。 性能曲線 7 根據上面計算結果 ,作曲線如圖 1 所示 。 測試評價 8 根據第 4 試驗點轉化到設計點的計算結 (上接第 37 頁) Clo se ( sockf d) ; 也可 以 調 用 shut dow n ( ) 函 數 來 關 閉 socket 。 該函數 允 許 用 戶 只 停 止 在 某 個 方 向 上 的 數 據 傳 輸 ,而另一個方向上的數據傳輸可繼續(xù)進行 。如 : i nt shut dow n (int sockf d , int how) ; 更加經 濟 和 方 便 。隨 著 嵌 入 式 設 備 價 格 的 逐 步 降 低 ,相信不久的將來利用嵌入式系統(tǒng)進行振動信號 采集 、處理和傳送將是一個發(fā)展趨勢 。 參 考 文 獻 1 王學 龍. 嵌 入 式 Linux 系 統(tǒng) 設 計 與 應 用 , 清 華 大 學 出 版 社 , 2002 . 鄒思軼. 嵌入式 Linux 設計與應用 ,清華大學出版社 2002 . 陳曉強 ,楊建剛. 基于 DSP 的汽輪機振動狀態(tài)監(jiān)測儀 ,汽輪機 技術 ,2003 ( 2) . Behro uz A. Fo ro uzan , Sop hia Chung Fegan 著 ,謝希仁譯. TCP/ IP 協議族. 2 版. 清華大學出版社 ,2003 . 2 3 結束語 5 基于嵌入式系統(tǒng)的振動信號的采集 、處理和傳 輸 ,將使振動信號的監(jiān)測和電廠振動故障診斷變得 4 — 9 —