怎么選擇氣體壓縮機

 氣體壓縮機被用于許多應用場合，例如制冷循環、燃氣輪機、燃燒過程、內燃機中的渦輪增壓機和增壓器、民用燃氣的管道輸送、氣力輸送系統，以及噴射與航空服務（氣動工具、工廠裝備、設備驅動、清潔、霧化、干燥和填充/清空）。在工業領域，壓縮機在化工、石化和精煉工藝中也起著相當重要的作用。

　　本系列文章旨在向負責挑選壓縮機的工程師以及其他讀者闡明與壓縮機設計有關的基本定律、應用不同類型壓縮機的原則，以及選擇最佳壓縮機配置和輔助裝置的工作步驟。

　　壓縮過程

　　從熱力學觀點來看，壓縮過程可以通過幾種不同的方式發生，即等溫、等熵或者多方過程，如表1.1中所示。

　　等熵指數“K”是定壓比熱與定容比熱之比。其值可方便地從氣體性質表或者合適的軟件中查找。與之相比，多方指數值“n”受到多個因素的影響，相當難以計算。

　　用p-V圖來表現表1中所描述的壓縮過程，如圖1所示。

　　壓縮機壓頭

　　除了流量，壓縮機壓頭也是影響壓縮機性能的重要參數。它代表著壓縮機處理每單位重量流體所做的功。用米或者英尺（kg·m/kg 或 lb·ft/lb）為單位來表示，定義如下：

　　H = 101,972∫vdp                                                 (1.1)

　　其中，H是壓頭，以米為單位（m），v是比容（m3/kg），p是絕對壓力（MPa）。比容（v）能夠從氣體表中直接獲得，或者通過密度（ρ）的倒數計算得到。

　　在代入相關參數并進行公式變換之后，得到以下等式：

　　Hp= 101,972[n/(n-1)]p1v1[(p2/p1)(n-1/n) - 1]                (1.2)

　　Hp = 101,972[n/(n-1)]ZRT1·[(p2/p1)(n-1/n) - 1]        (1.3)

　　其中，Hp是多方壓頭（m）；R是氣體常數（kJ/kg·K）；T1是吸入溫度（K）；Z是平均壓縮系數。R= 8.3142/MW，其中MW是氣體的分子量。

　　當壓縮系數的值為1時，應該使用等式1.2。當平均壓縮系數的偏差不大時，可將其用于等式1.3中，并且容許有可忽略的誤差。也就是說，平均值Z在0.95到1.02之間變化，或者在壓縮范圍內保持一定的恒定。在其他情況下，應該使用下列公式：

　　Hp=101,972log(p2/p1)·[(p2v2-p1v1)/log(p2v2/p1v1)]   (1.4)

　　等式1.4專門用于適度壓力或者高壓以及/或者低溫下的烴類氣體。

　　若要順利地應用等式1.2和1.3，必須確定多方指數的值，這是一個極為重要的前提條件。為了達到這個目的，應用以下等式來確定壓縮機的液壓或者多方效率 ：

　　η=1000∫vdp/Δh                            (1.5)

　　其中，η是液壓或者多方效率；Δh是焓差（kJ/kg）。

　　焓在壓縮期間的變化為：

　　Δh=1000[k/(k-1)]p1v1·[(p2/p1)(n-1/n)-1]       (1.6)

　　從而得到：

　　η=[(k-1)/k]/[(n-1)/n]                         (1.7)

　　通過等式1.7以及已知或假設的多方效率，即可計算出多方指數。對于給定的壓縮機，其多方效率通常是抽吸狀態下壓縮機輸氣量的函數，可以通過試驗來確定。使用2D葉輪的中型離心壓縮機的多方效率可達72%到80%。使用3D葉輪的大型壓縮機的多方效率可達83%，而大型軸流壓縮機的多方效率可達85%。

　　針對裝有2D葉輪的多級離心式壓縮機，圖2顯示了其多方效率作為吸氣能力函數的近似值。顯然，這些值會隨著壓縮機的特定設計及結構的變化，尤其是葉輪的變化而改變，所以圖2中所示的曲線僅能用于指導計算程序的開始階段。當進行長期的經濟性分析時，應該將圖2中得到的效率值減去幾個百分點，這主要是因曲徑密封墊片磨損所帶來的影響。

　　為了便于計算，在輸入與不同吸氣能力或者多方效率所對應的等熵指數“k”之后，圖表通常會給出(n-1)/n的值。在文章之中，將展示這樣的一個例子。

　　對于正排量壓縮機，壓縮過程幾乎是等熵的，可以應用相應的等式得到相當好的結果。使用冷卻隔膜的離心壓縮機亦如此。

　　Ha=101,972[k/(k-1)]P1V1[(P2/P1)(k-1/k) - 1]           (1.8)

　　Ha=101,972[k/(k-1)]ZRT1[(P2/P1)(k-1/k) - 1]            (1.9)

　　其中，Ha是以米為單位的等熵壓頭。

　　以上給出的等式均假設壓縮氣體為單相氣體。如果壓縮機入口氣流中含有氣體和液體（例如濕氣），則這些等式必須修改。應用等式1.8和1.9時，有一些與壓縮因數的值相關的約束條件，它們與應用等式1.2和1.3時的約束相同。此外，當處理非理想氣體時，等熵指數會隨著壓縮過程的進展而變化。若壓縮過程開始和結束時的k值變化很小，就可以取這兩個數值的平均值。對于其他情況，需要選取合適的狀態方程，或者通過運用莫利爾圖計算最終溫度，并使用以下方程，來確定壓縮指數（γ）。

　　γ=ln(p2/p1)/[ln(p2/p1) - ln(T2/T1)]                         (1.10)

　　負責挑選壓縮機的工程師們在選擇壓縮過程的類型、效率類型（例如等熵、等溫或者多方），以及性能計算所用的公式時可能會有不同意見。有些人偏愛等熵過程，它適合于任何類型的空氣壓縮機、單級離心式壓縮機，以及干螺桿式壓縮機。有些工程師則選擇等溫壓縮，其計算涉及帶有強冷卻的活塞式壓縮機或者噴油螺桿壓縮機。有些制造商在其離心壓縮機全系列產品中全部采用等熵循環。無論哪種情況，效率類型必須與所選擇的壓縮過程相對應。

　　多方過程比假設為等熵的系統更難分析。難點在于熱量會出入系統，并且，這種額外的能量會改變一些基本的氣體性質，特別是比熱比。對于多方過程，每一次新的計算都需要一個新的比熱比值。

　　但是，針對轉子動力壓縮機的分析，常常選擇多方壓縮過程，因為它更適合用于處理工業領域中所用到的各類氣體，而在計算正排量壓縮機的性能時，應用的則是等熵循環。

　　所需功率

　　通過下述表達式來計算壓縮氣體所需要的功率：

　　GKW = wΔh/3600                                              (1.11)

　　其中，GKW是氣體功率（kW），w是質量流量（kg/h）。

　　對于多方壓縮，代入相關參數變換得到：

　　GKWp=wHp/(367,200η)                                    (1.12)

　　對于等熵壓縮：

　　GKWa=wHa/367,200                                          (1.13)

　　同樣通過代入相關參數，可以分別得到多方和等熵壓縮過程所需氣體功率的常規表達式：

　　GKWp=[n/(n-1)]·[wZRT1/(3,600η]·[(p2/p1)(n-1/n)-1]  (1.14)

　　GKWa=[k/(k-1)]·[wZRT1/3,600]·[(p2/p1)(k-1/k)-1] (1.15)

　　代入狀態方程得到：

　　GKWp=0.2777[n/(n-1)]·[p1Q1/η]·[(p2/p1)(n-1/n)-1] (1.16)

　　GKWa = 0.2777[k/(k-1)]·[p1Q1]·[(p2/p1)(k-1/k)-1]   (1.17)

　　其中Q1是吸入狀態下的氣體體積流量（m3/h）。

　　對于離心式壓縮機，壓縮機主軸的額定功率（kW）為：

　　KW=GKW/ηm                                                    (1.18)

　　其中，ηm是機械效率。

　　對于往復式壓縮機，機械效率應該乘以氣缸效率（ηc），引入該參數是出于對增量氣缸尺寸和允許活塞桿載荷的考慮，旨在修正理想條件：

　　KW=GKW/(ηmηc)                                             (1.19)

　　機械效率的典型范圍如表2所示。

　　運用圖3中的曲線，可以得到與一定壓力比值所對應的氣缸效率的近似值。壓縮機功率還受氣體比重和進氣壓力的影響。在文獻資料中可以找到相關的修正系數。

　　排氣溫度

　　出口氣體溫度通過以下等式來計算：

　　T2= T1(p2/p1)(n-1/n) 適用于多方壓縮                    (1.20)

　　T2= T1(p2/p1)(k-1/k) 適用于等熵壓縮                    (1.21)

　　其中T1和T2分別是進氣溫度和排氣溫度，單位為K。

　　從設計的觀點來看，排氣溫度通常受到如下限制：

　　◆ 往復式：150℃

　　◆ 離心式和軸流式：195℃

　　◆ 整體嚙合式：250℃

　　◆ 干螺桿式：288℃

　　但是，最大排氣溫度會受到幾個因素的限制。對于往復式壓縮機，最大預測排氣溫度必須低于150℃，而且，對于壓縮富氫氣體的工作（12MW或更少），必須不超過135℃。如果壓縮機氣缸的排氣溫度保持在118℃以下，則氣缸零部件的耐磨壽命會更長。一般建議排氣溫度應遠低于這些極限值?？梢岳脦追N設計解決方案來降低排氣溫度，例如，使用多級壓縮，在壓縮期間對氣體進行級間冷卻或者強冷卻。

　　氣體的標準條件

　　常規條件或標準條件（Nm3/h：常規每小時立方米；sm3/h：標準m3/h；scfm：標準每分鐘立方英尺）根據行業的不同以及權威機構的規定而異。根據ISO/CAGI/PNEUROP 的規定，最常用的標準條件的值為：壓力1bar，溫度293K，相對濕度0%（干燥）。但是，由API確定的值為：壓力1.014bar（1ata），溫度288.5 K，相對濕度0%（干燥）。

　　實際條件（m3/h；am3/h：實際m3/h；acfm：實際每分鐘立方英尺）指的是在壓縮機入口處的氣體壓力和溫度。

　　對于工作在給定速度下的給定壓縮機，無論溫度、大氣壓力或者高度如何，其流量一直保持恒定。由于未考慮到這種慣例，導致了數個錯誤的出現。必須了解應用于這種氣體狀態的條件，才能通過理想氣體的特征方程進行必要的修正。此外，還應該記住一點，對于同一個地理區域，高度越高，大氣壓力越低，因此壓縮機內的有效氣體量（質量流量）就越低。

　　輸氣量與容積效率

　　壓縮機輸氣量指的是在入口壓力和溫度下測得的實際氣體輸送量，用每單位時間的體積量來表示（通常為m3/h或者cfm）。容積效率被定義為壓縮機的實際輸氣量（Q）與活塞排量（vd）之比。

　　ηv< = Q/vd                                                            (1.22)

　　活塞式壓縮機的輸氣量由以下兩個等式給出，其中等式1.23適用于單作用氣缸，等式1.24適用于雙作用氣缸。

　　Q = 15πD2LNηv                                                 (1.23)

　　Q = 15π(2D2 - d2) LNηv                                     (1.24)

　　其中，Q是壓縮機輸氣量（m3/h）；D是氣缸內徑（m）；d是活塞桿直徑（m）；L是活塞沖程（m）；N是轉速（rpm）。

　　多級壓縮

　　通過對性能進行公式化的表達和優化，并對壓縮機和級間設備進行投資，能夠獲得最佳的級間壓力。認為級間壓力僅與壓縮機有關而不考慮級間設備的這種想法不合理。多級壓縮（圖4）具有以下優點：

　　◆ 容積效率比具有相同間隙和相同全壓比的單缸壓縮機更高。

　　◆ 最終溫度更低。

　　◆ 能夠使用中冷器降低各級之間的氣體溫度，從而節省能量。這是因為整合了所有級的綜合壓縮過程近似于一條等溫線（由圖4中的藍色線表示）。

　　當每個氣缸所做的功等量時，壓縮一定量氣體所需的功能達到最小。在理想條件下，任何數量的壓縮級都能達到最佳級間壓力。

　　(pd/ps)=(pf/pi)1/z                                                      (1.25)

　　其中，pd和ps分別是各級的排氣壓力和吸氣壓力。pf和pi是壓縮機的最終壓力和初始壓力；z是級數。

　　在兩級壓縮的特例中，級間壓力px為：

　　px=(pfpi)1/2                                                              (1.26)

　　顯然，中冷器內的壓降應該分布在由這些等式得到的理想值的兩側。實際條件下的最佳級間壓力有別于通過理想方法得到的壓力值。初始最佳壓降值為：

　　◆ 中冷器：0.045-0.075 MPa

　　◆ 脈動消除器和抑制裝置 ：總壓降小于進氣壓力的1%。

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