怎么選擇氣體壓縮機(jī)

 氣體壓縮機(jī)被用于許多應(yīng)用場合，例如制冷循環(huán)、燃?xì)廨啓C(jī)、燃燒過程、內(nèi)燃機(jī)中的渦輪增壓機(jī)和增壓器、民用燃?xì)獾墓艿垒斔?、氣力輸送系統(tǒng)，以及噴射與航空服務(wù)（氣動工具、工廠裝備、設(shè)備驅(qū)動、清潔、霧化、干燥和填充/清空）。在工業(yè)領(lǐng)域，壓縮機(jī)在化工、石化和精煉工藝中也起著相當(dāng)重要的作用。

　　本系列文章旨在向負(fù)責(zé)挑選壓縮機(jī)的工程師以及其他讀者闡明與壓縮機(jī)設(shè)計有關(guān)的基本定律、應(yīng)用不同類型壓縮機(jī)的原則，以及選擇最佳壓縮機(jī)配置和輔助裝置的工作步驟。

　　壓縮過程

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

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

　　用p-V圖來表現(xiàn)表1中所描述的壓縮過程，如圖1所示。

　　壓縮機(jī)壓頭

　　除了流量，壓縮機(jī)壓頭也是影響壓縮機(jī)性能的重要參數(shù)。它代表著壓縮機(jī)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(shù)計算得到。

　　在代入相關(guān)參數(shù)并進(jìn)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(shù)（kJ/kg·K）；T1是吸入溫度（K）；Z是平均壓縮系數(shù)。R= 8.3142/MW，其中MW是氣體的分子量。

　　當(dāng)壓縮系數(shù)的值為1時，應(yīng)該使用等式1.2。當(dāng)平均壓縮系數(shù)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(nèi)保持一定的恒定。在其他情況下，應(yīng)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(yīng)用等式1.2和1.3，必須確定多方指數(shù)的值，這是一個極為重要的前提條件。為了達(dá)到這個目的，應(yīng)用以下等式來確定壓縮機(jī)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(shè)的多方效率，即可計算出多方指數(shù)。對于給定的壓縮機(jī)，其多方效率通常是抽吸狀態(tài)下壓縮機(jī)輸氣量的函數(shù)，可以通過試驗來確定。使用2D葉輪的中型離心壓縮機(jī)的多方效率可達(dá)72%到80%。使用3D葉輪的大型壓縮機(jī)的多方效率可達(dá)83%，而大型軸流壓縮機(jī)的多方效率可達(dá)85%。

　　針對裝有2D葉輪的多級離心式壓縮機(jī)，圖2顯示了其多方效率作為吸氣能力函數(shù)的近似值。顯然，這些值會隨著壓縮機(jī)的特定設(shè)計及結(jié)構(gòu)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(dǎo)計算程序的開始階段。當(dāng)進(jìn)行長期的經(jīng)濟(jì)性分析時，應(yīng)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(yīng)的等熵指數(shù)“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(jī)，壓縮過程幾乎是等熵的，可以應(yīng)用相應(yīng)的等式得到相當(dāng)好的結(jié)果。使用冷卻隔膜的離心壓縮機(jī)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(shè)壓縮氣體為單相氣體。如果壓縮機(jī)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(yīng)用等式1.8和1.9時，有一些與壓縮因數(shù)的值相關(guān)的約束條件，它們與應(yīng)用等式1.2和1.3時的約束相同。此外，當(dāng)處理非理想氣體時，等熵指數(shù)會隨著壓縮過程的進(jìn)展而變化。若壓縮過程開始和結(jié)束時的k值變化很小，就可以取這兩個數(shù)值的平均值。對于其他情況，需要選取合適的狀態(tài)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(shù)（γ）。

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

　　負(fù)責(zé)挑選壓縮機(jī)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(jī)、單級離心式壓縮機(jī)，以及干螺桿式壓縮機(jī)。有些工程師則選擇等溫壓縮，其計算涉及帶有強(qiáng)冷卻的活塞式壓縮機(jī)或者噴油螺桿壓縮機(jī)。有些制造商在其離心壓縮機(jī)全系列產(chǎn)品中全部采用等熵循環(huán)。無論哪種情況，效率類型必須與所選擇的壓縮過程相對應(yīng)。

　　多方過程比假設(shè)為等熵的系統(tǒng)更難分析。難點在于熱量會出入系統(tǒng)，并且，這種額外的能量會改變一些基本的氣體性質(zhì)，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(zhuǎn)子動力壓縮機(jī)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(yè)領(lǐng)域中所用到的各類氣體，而在計算正排量壓縮機(jī)的性能時，應(yīng)用的則是等熵循環(huán)。

　　所需功率

　　通過下述表達(dá)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(zhì)量流量（kg/h）。

　　對于多方壓縮，代入相關(guān)參數(shù)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(guān)參數(shù)，可以分別得到多方和等熵壓縮過程所需氣體功率的常規(guī)表達(dá)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(tài)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(tài)下的氣體體積流量（m3/h）。

　　對于離心式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)主軸的額定功率（kW）為：

　　KW=GKW/ηm                                                    (1.18)

　　其中，ηm是機(jī)械效率。

　　對于往復(fù)式壓縮機(jī)，機(jī)械效率應(yīng)該乘以氣缸效率（ηc），引入該參數(shù)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(jī)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(yīng)的氣缸效率的近似值。壓縮機(jī)功率還受氣體比重和進(jìn)氣壓力的影響。在文獻(xiàn)資料中可以找到相關(guān)的修正系數(shù)。

　　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(jìn)氣溫度和排氣溫度，單位為K。

　　從設(shè)計的觀點來看，排氣溫度通常受到如下限制：

　　◆ 往復(fù)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(fù)式壓縮機(jī)，最大預(yù)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(jī)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(yīng)遠(yuǎn)低于這些極限值?？梢岳脦追N設(shè)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(jìn)行級間冷卻或者強(qiáng)冷卻。

　　氣體的標(biāo)準(zhǔn)條件

　　常規(guī)條件或標(biāo)準(zhǔn)條件（Nm3/h：常規(guī)每小時立方米；sm3/h：標(biāo)準(zhǔn)m3/h；scfm：標(biāo)準(zhǔn)每分鐘立方英尺）根據(jù)行業(yè)的不同以及權(quán)威機(jī)構(gòu)的規(guī)定而異。根據(jù)ISO/CAGI/PNEUROP 的規(guī)定，最常用的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jī)，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(dǎo)致了數(shù)個錯誤的出現(xiàn)。必須了解應(yīng)用于這種氣體狀態(tài)的條件，才能通過理想氣體的特征方程進(jìn)行必要的修正。此外，還應(yīng)該記住一點，對于同一個地理區(qū)域，高度越高，大氣壓力越低，因此壓縮機(jī)內(nèi)的有效氣體量（質(zhì)量流量）就越低。

　　輸氣量與容積效率

　　壓縮機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)輸氣量（m3/h）；D是氣缸內(nèi)徑（m）；d是活塞桿直徑（m）；L是活塞沖程（m）；N是轉(zhuǎn)速（rpm）。

　　多級壓縮

　　通過對性能進(jìn)行公式化的表達(dá)和優(yōu)化，并對壓縮機(jī)和級間設(shè)備進(jìn)行投資，能夠獲得最佳的級間壓力。認(rèn)為級間壓力僅與壓縮機(jī)有關(guān)而不考慮級間設(shè)備的這種想法不合理。多級壓縮（圖4）具有以下優(yōu)點：

　　◆ 容積效率比具有相同間隙和相同全壓比的單缸壓縮機(jī)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(jié)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(lán)色線表示）。

　　當(dāng)每個氣缸所做的功等量時，壓縮一定量氣體所需的功能達(dá)到最小。在理想條件下，任何數(shù)量的壓縮級都能達(dá)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(jī)的最終壓力和初始壓力；z是級數(shù)。

　　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(nèi)的壓降應(yīng)該分布在由這些等式得到的理想值的兩側(cè)。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(jìn)氣壓力的1%。

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