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无油工艺螺杆压缩机组平衡管浅析

黄杰勤 孙远 李诚 施嘉冬   点击:

  本文讨论了无油工艺气螺杆压缩机是否需要增设平衡管的问题,介绍平衡管压降原理以及估算公式;在需要增加平衡管的情况下,讨论平衡管在螺杆压缩机组上的安装位置,分析不同的架设方式的平衡效果;通过案例,分析在实际运用中如何优化平衡管能给机组带来最优的效果,归纳出现阶段比较可行的架设方案,展望未来平衡管改良方式。

  1、引言

  工艺螺杆压缩机属于容积式压缩机,它在所有压缩机械中,压缩能力属于中等级别,排气压力多在0.3~4.5MPa之间。由于排端的压力高,压缩机组密封组件的密封压力通常不会太高。

  为了保证密封组件的正常运行,我们需要在螺杆压缩机组上增设平衡管,以此来降低排端密封前的工艺气压力,最终保障机组的正常运行。现在以笔者对平衡管浅显的理解来介绍应用于螺杆压缩机上的平衡管。

  据调查研究,目前中国新兴工业园区内氮气工况一般在0.3~0.7MPa。平衡管的作用是降低密封组件前工艺气的压力,故排气压力较低的螺杆压缩机不一定需要加设平衡管,暂且将区间定排气压力低于0.3MPa。

  平衡管还有一个作用是:当气体很脏时,为防止介质气接触密封组件,降低其使用寿命,通常会增加缓冲气吹扫。此时若不加平衡管容易造成气体反串至氮气管线。使用机械密封的喷液压缩机,防止喷入的液体进入油里发生乳化作用,也需要增设平衡管。

  干式螺杆压缩机是否增加平衡管需要按照项目实际工况而定,因为平衡管的回流作用,相当于给压缩机多设了一路循环回流。对于机型较小的机组来说有时候是致命的,功率升高,排气温度增加,不利于干式机组运行。

  2、平衡腔原理

  以321螺杆压缩机为例,详见图1。平衡管将漏至排气端迷宫密封间隙里的高压工艺气引至进气端迷宫密封间隙里,途经排端迷宫密封、排端平衡腔孔口、平衡管、进端平衡腔孔口、进端迷宫密封,见图2。我们将其分解为5个独立过程,每个过程都会产生压降,分析每一个过程就能得出平衡管的平衡效果。

无油工艺螺杆压缩机组平衡管浅析
无油工艺螺杆压缩机组平衡管浅析

  假定螺杆压缩机的内容积比为2.5,排气角约为90毅,此内容积比下只可能存在一个处于排气阶段的腔体。因此当端面压力最大时各个腔体的所处工作阶段及压力如图3所示,单位MPa(A)。排气终了时的内压力为[1]。
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  式中εV——内容积比
  k ——绝热指数
  pi——排气压力
  ps——吸气压力
  排气压力与进气压力都已知,压缩过程中的腔体压力只能通过转角与齿间容积曲线求出,比较麻烦。故我们通常将排气端面的压力值简化为无油工艺螺杆压缩机组平衡管浅析

  以此我们提出平衡管压力pb为无油工艺螺杆压缩机组平衡管浅析

  如果要计算迷宫密封阻隔,需要采用Egli计算方法来计算迷宫密封的泄露模型。该方法将迷宫的流动视为通过一系列锐边孔口的流动,考虑动能裁越效应,修正了Martin公式无油工艺螺杆压缩机组平衡管浅析

  其中,膨胀函数无油工艺螺杆压缩机组平衡管浅析


  动能载越效应修正系数无油工艺螺杆压缩机组平衡管浅析  ,φ、γ及节流流量系数C为0.71。

  如果管道压降模型需要考虑:压强降低和体积膨胀,温度往往要下降。这时需要采用下式

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  为了更严谨地计算这个过程,我们采用INPLANT软件进行管道阻力的计算。

  3、平衡腔架设方式与开孔位置

  3.1 排气端座与进气端座连接

  408(转子直径mm)及以下型号的螺杆压缩机进排气形式多为上进上出。由于这个限制,平衡腔开孔选择在机头侧面或者下面,如图4、5所示。

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  通常选择在压缩机底部开孔,尺寸大小为准15,将进端与排端连接。当我们采用喷液冷却时,工艺气往往夹杂着小液滴一起往迷宫密封泄漏,并汇集成凝液灌进平衡管里,这使得平衡腔内流道缩小。根据流体力学管道沿程摩擦阻力损失为[2]。
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  式中 l——沿程长度,m
  d——平均直径,m
  Cm——气流平均速度,m/s
  λ——膜阻系数λ=f无油工艺螺杆压缩机组平衡管浅析

  从上式可以看出,l越小或d越大,沿程摩擦阻力就越小,平衡效果越好。故通常在压缩机平衡腔孔口接出来的时候选择扩径。在下部架设的平衡管容易因为带入的液滴形成凝液而使得平衡管气体流通面积缩小,d相应缩小,摩擦阻力H上升。在压缩机停车时积蓄的凝液若不及时排除,容易将平衡管堵塞,冬天易冻坏管道。因此设置排凝阀来防止此现象。

  为了优化带入的小液滴影响平衡效果情况,我们将架设形式改为在压缩机机头侧面,或是额外增设两路平衡管,增加平衡腔的平衡效果。

  3.2 排气端与气缸体连接

  采用这种开孔方式,需考虑喷入压缩机的液滴对孔口造成的压强。设喷液的速度为10m/s,由下式可得无油工艺螺杆压缩机组平衡管浅析

  液体对孔口的压力为0.05MPa,这种开孔方式可以规避进端迷宫密封处的压力降。

  3.3 排气端与入口短接连接

  408(转子直径mm)以上型号的螺杆压缩机由于机型大,油站高度高。考虑到回油通畅性多采用二层平台布置,机型较大,采用水平剖分便于检修。一般压缩机进排气形式为上进下出的合理布局方式。

  上进下出的机型可以在压缩机机头上部开孔,这样液滴更不容易被带入平衡管内,平衡效果更加优良。这样架设的平衡管上应增加一个放空口,压缩机停车时排放掉管内的气体。

  这种连接方式不存在进气端的阻力,故压降更小,平衡效果更为明显。

  对于机型较小的机组来说是需要辩证考虑的。

  因为直接接入口的关系,不存在入口迷宫阻力降,回流量较大,最大可高达10%的回流量。

  4、案例分析

  4.1 中化某石化LG40/0.9火炬气螺杆压缩机组

  干气密封设计参数:前置密封气0.05MPa,10Nm3/h;主密封气0.35MPa,0.8Nm3/h。调试过程中,发现干气密封在保证额定设计压力情况下,未能达到额定流量(为额定一半)。

  干气密封前置密封气压力随压缩机压力上升而上升(压缩机排气压力为0MPa时,前置密封气压力为0.05MPa;压缩机排气压力为0.5MPa时,前置密封气压力为0.1MPa;压缩机排气压力为0.9MPa时,前置密封气压力为0.2MPa)。当压缩机排气压力为0.6MPaG左右时,平衡管压力为0.03MPa左右。

  当脱开密封系统前置密封气对外法兰时,前置密封气流量会急剧增大,压力几乎降至零。猜测:(1)前置密封气压力升高可能是因为压缩机前置气进气孔节流造成;(2)干气密封设计不合理,未考虑平衡腔压力,导致设计压力过低,工艺气反串进入前置密封。

  同时增大主密封气压力(升至0.5MPa(G))、前置密封气压力。发现前置密封气流量有明显上升,可达到8~9MPa(G)。经与密封厂家讨论,发现密封厂家设计时以平衡腔压力为0MPa设计,导致整体设计压力偏小。解决方案:密封厂家修改设计压力,目前机组运行良好。

  4.2山东某石化LG346/0.01-0.7压缩机

  该机在使用的过程中,出现密封泄漏的情况,主要表现在油箱的高位放空出现大量的介质气。根据初步分析,主要显示是螺杆压缩机的轴封失效所致。为了改善密封的环境,降低密封腔的压力,对密封的外接管平衡效果进行核算,为后续的整改提供理论依据。

  通过建立密封泄漏模型、平衡管管阻模型,见图6。运用INPLANT软件计算得出:在额定排气压力的工况下,螺杆压缩机的平衡管线将有88kPa(A)的压降,即平衡腔压力为788kPa(A)。属于平衡效果较好的情况,因此,扩孔的效果较为有限。

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  5、结论

  综述,一般来说平衡管选择:408(转子直径mm)以上机组宜采用排端与压缩机入口短接连接方式;408(转子直径mm)及以下机组宜采用进气端座和排气端座连接,具体情况还需具体分析。现场机组运行时,可以短暂关闭平衡管来校验理论计算,从而对今后的估算有个经验衡量标准。

  今后是否能够通过改进压缩机壳体加工工艺,在壳体内部直接铸造出连接进、排气端的平衡管道?

  参考文献
  [1] 邢子文.螺杆压缩机[M].北京:机械工业出版社,2000.
  [2] 张鸣远.流体力学[M].北京:高等教育出版社,2010.

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