離心式和往復(fù)式壓縮機(jī)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(jī)的工作效率特性往復(fù)式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)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(gè)公平的比較準(zhǔn)則，得到了對(duì)于兩種類型機(jī)器普遍適用的效率定義。這個(gè)比較基于用戶最感興趣的要求提出的。此外，對(duì)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(píng)估。乍一看，計(jì)算任何類型的壓縮效率看似是很簡(jiǎn)單的：比較理想壓縮過程和實(shí)際壓縮過程的工作效率。難點(diǎn)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(jī)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(píng)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(dòng)力量是什么？要做到這一點(diǎn)，就需要討論在壓縮過程中的機(jī)械損失。隨著時(shí)間的推移效率趨勢(shì)也應(yīng)被考慮，如非設(shè)計(jì)條件，它們是由專業(yè)的流水線規(guī)定，或者是受壓縮機(jī)的工作時(shí)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(jī)。離心式壓縮機(jī)用燃?xì)廨啓C(jī)或者是電動(dòng)馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)。所用的燃?xì)廨啓C(jī)，總的來說，是兩軸發(fā)動(dòng)機(jī)，電動(dòng)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(jī)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(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)在一個(gè)曲柄套管內(nèi)。后者單位的運(yùn)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(dòng)馬達(dá)或者四沖程燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)。效率要確定任何壓縮過程的等熵效率，就要基于測(cè)量的壓縮機(jī)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(cè)量的穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流 m，吸收軸功率為：(Eq.2))],(),([. sucttdischi TpTp???考慮機(jī)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(jī)的流量可以視為“穩(wěn)態(tài)” 。環(huán)境的熱交換通?？梢院雎?。系統(tǒng)邊界的效率計(jì)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(jī)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(shí)可以達(dá)到 98%和 99%。對(duì)于往復(fù)式壓縮機(jī)，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(dòng)。往復(fù)壓縮機(jī)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(dòng)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(duì)于任何一個(gè)低速或高速單位的歧管系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用了卷相結(jié)合，管道長(zhǎng)度和壓力降元素來創(chuàng)造脈動(dòng)（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(jì)算時(shí)考慮到。潛在的，從吸氣壓力扣除的額外壓力不得不包含進(jìn)殘余脈動(dòng)的影響。就像離心壓縮機(jī)一樣，傳熱就經(jīng)常被忽視。對(duì)于積分的機(jī)器，機(jī)械效率一般取為 95%。對(duì)于可分機(jī)機(jī)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(dòng)機(jī)機(jī)械損失在 8-15%之間，往復(fù)壓縮機(jī)的在 6-12%（參考 1 往復(fù)壓縮機(jī)招致號(hào)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(jī)在一個(gè)系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)，管道長(zhǎng)度 Lu 上游和 Ld 下游，以及管道 pu 上游的初始?jí)毫凸艿?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(gè)壓縮機(jī)運(yùn)行的簡(jiǎn)單模型（圖 1） 。圖 1：管道段的概念模型（文獻(xiàn) 2：庫爾茲.R，M.由羅穆斯基，2006 年） 。對(duì)于給定的，標(biāo)準(zhǔn)管線定量流動(dòng)能力將在吸入階段強(qiáng)加壓力 ，在壓縮機(jī)放電區(qū)強(qiáng)sp加壓力 。對(duì)于給定的管線，壓縮機(jī)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(duì)于一個(gè)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(xiàn) 2：庫爾茲.R，M.由羅穆斯基， 2006 年） 。除去其他問題，這意味著對(duì)于帶管道系統(tǒng)的壓縮機(jī)站，頭部所需流量揚(yáng)程是由管道系統(tǒng)規(guī)定的（圖 2） 。特別地，這一特點(diǎn)對(duì)于壓縮機(jī)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(jī)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(jìn)地達(dá)到穩(wěn)定的關(guān)系（文獻(xiàn) 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(jī)輸出與系統(tǒng)要求匹配。該系統(tǒng)需求的特點(diǎn)是系統(tǒng)流程和系統(tǒng)頭部或壓力比的強(qiáng)烈關(guān)系。管線壓縮機(jī)提供了在操作條件經(jīng)驗(yàn)下的大量變化，一個(gè)重要問題就是如何使壓縮機(jī)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(jī)具有相當(dāng)大的平頭部和流程特點(diǎn)。這意味著壓力比的改變對(duì)機(jī)器的實(shí)際流程有重大的影響（文獻(xiàn) 4：庫爾茲 R.，20004 年） 。對(duì)于一個(gè)恒速運(yùn)行的壓縮機(jī)，頭部或壓力比隨著流量的增加而減少?？刂茐嚎s機(jī)內(nèi)的流程可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)不同的運(yùn)行速度。這是控制離心壓縮機(jī)最便捷的方法。兩軸燃?xì)廨啓C(jī)和變速電機(jī)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(dòng)力（受進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃油流量控制）和壓縮機(jī)的吸收功率。事實(shí)上，在過去 15 年安裝的任何離心壓縮機(jī)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(jī)。年長(zhǎng)的設(shè)施和服務(wù)設(shè)施在其他管線服務(wù)有時(shí)使用單軸燃?xì)廨啓C(jī)（允許速度 90%到 100%的變化）和恒速電動(dòng)機(jī)。在這些裝置中，吸節(jié)流或可變進(jìn)氣導(dǎo)葉用來提供控制方法。圖 3：典型的管線運(yùn)行點(diǎn)繪制成的典型離心壓縮機(jī)性能圖。離心壓縮機(jī)的運(yùn)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(gè)限制因素可能是可用的驅(qū)動(dòng)電源。只有最小流量需要特別注意，因?yàn)樗欢x為壓縮機(jī)的一種氣動(dòng)穩(wěn)定性的極限?？缭竭@個(gè)限制以降低流動(dòng)將導(dǎo)致壓縮機(jī)流動(dòng)逆轉(zhuǎn)，這可能會(huì)損壞壓縮機(jī)。調(diào)制解調(diào)器控制系統(tǒng)通過打開一個(gè)循環(huán)閥來控制這種情況。出于這個(gè)原因，幾乎所有的現(xiàn)代壓縮機(jī)裝置都使用帶有控制閥的循環(huán)線，當(dāng)壓縮機(jī)內(nèi)的流量趨于穩(wěn)定極限時(shí)這種控制閥允許流量的增加?？刂葡到y(tǒng)不斷地監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)關(guān)系喘振線的運(yùn)行點(diǎn)，并且有必要的話自動(dòng)地開關(guān)循環(huán)閥。對(duì)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(yùn)行模式只被用于開啟和關(guān)閉階段，或者是在混亂運(yùn)行條件時(shí)的短暫時(shí)期。假設(shè)由公式 4 得到管線特點(diǎn)，壓縮機(jī)的葉輪將在達(dá)到或接近其最大效率時(shí)被選出來運(yùn)行，這個(gè)最大效率是由管線強(qiáng)加在整個(gè)系列的頭部和流量條件下的。這可能是有一個(gè)速度（N）控制的壓縮機(jī)，因?yàn)橐粋€(gè)壓縮機(jī)的最有效點(diǎn)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(diǎn)，吸入氣壓 是（基于效率幾乎保持不變這個(gè)的事實(shí)）：gP(Eq.7)　　37653726557g NCP??????正因?yàn)槿绱?，這種力-速度關(guān)系允許動(dòng)力渦輪運(yùn)行達(dá)到或非常接近其整個(gè)范圍的理想速度。管線中典型的運(yùn)行方案允許壓縮機(jī)和動(dòng)力渦輪在大多數(shù)時(shí)間里在最有效點(diǎn)運(yùn)行。然而，燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)馍a(chǎn)商將在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)丟失一些熱效率。圖 3 顯示了一個(gè)典型的實(shí)際例子：不同流動(dòng)要求的管線運(yùn)行點(diǎn)繪制成用于壓縮機(jī)站中的速度控制離心壓縮機(jī)性能圖。往復(fù)壓縮機(jī)將自動(dòng)服從系統(tǒng)壓力比的需求，只要沒有超出機(jī)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(dòng)下降因?yàn)殚y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?？刂频奶魬?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(jī)流量的改變微乎其微。從歷史上看，通過改變激活機(jī)器的數(shù)量使管線安裝許多小的壓縮機(jī)和調(diào)整流量。這個(gè)容量和負(fù)荷可通過速度調(diào)諧，或者通過一個(gè)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(jī)的發(fā)展，控制容量的負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移到獨(dú)立壓縮機(jī)上。負(fù)荷控制是壓縮機(jī)運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。從管線操作角度來看，在機(jī)組中流量變化要符合管線投出承諾，以及實(shí)施公司最佳操作（例如，線包裝，負(fù)載預(yù)期） 。從一個(gè)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(jì)扭矩限制，并在壓縮機(jī)或驅(qū)動(dòng)程序沒有超載的情況下進(jìn)行。對(duì)于任何給定的機(jī)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(huì)建立在一個(gè)機(jī)組的單元上，而這個(gè)機(jī)組運(yùn)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(jìn)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(shí)保持進(jìn)入壓縮機(jī)的容積流量基本不間斷。壓縮機(jī)控制策略應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化，并在壓縮機(jī)運(yùn)行期間能夠簡(jiǎn)便地調(diào)整。特別地，壓縮機(jī)設(shè)計(jì)修改的戰(zhàn)略需求（如：離心壓縮機(jī)重新旋轉(zhuǎn)，改變缸徑，或給往復(fù)壓縮機(jī)添加固定間隙）在這里不被考慮。需要指出的是，對(duì)于往復(fù)式壓縮機(jī)一個(gè)關(guān)鍵的控制要求是不超載驅(qū)動(dòng)或超過機(jī)械限制。運(yùn)行典型的穩(wěn)態(tài)管道運(yùn)行將產(chǎn)生圖 4 所示的一個(gè)有效行為。該圖是評(píng)估沿管道穩(wěn)定運(yùn)行特征狀態(tài)壓縮機(jī)效率的結(jié)果。大中型壓縮機(jī)都將達(dá)到 100%流量的最佳效率，并允許超出設(shè)計(jì)流量的 10%。不同的機(jī)械效率并沒有考慮這種對(duì)比。往復(fù)壓縮機(jī)效率在文獻(xiàn) 5 中被推導(dǎo)出，從增加的閥門效率測(cè)量與壓縮效率和造成的損失脈動(dòng)衰減器。低速壓縮機(jī)的效率是可以實(shí)現(xiàn)的。高速往復(fù)壓縮機(jī)在效率上可能比較低。圖 4：以穩(wěn)態(tài)管線特性運(yùn)行為基礎(chǔ)的在不同流量率的壓縮機(jī)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(jī)器的較低流量，而離心壓縮機(jī)的效率幾乎保持常量。結(jié)論不同型號(hào)壓縮機(jī)間的效率定義和對(duì)比需要密切關(guān)注邊界條件的定義，對(duì)于這樣的邊界條件，效率和受用的運(yùn)行發(fā)展趨勢(shì)同時(shí)被定義。當(dāng)效率值用來計(jì)算功耗時(shí)機(jī)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(diǎn)討論將變得不準(zhǔn)確和有誤導(dǎo)性。