氯气离心式压缩机性能曲线及调节方式.docx

1、氯气离心式压缩机性能曲线及调节方式氯气离心式压缩机性能曲线及调节方式一、氯气离心式压缩机性能曲线1压缩机性能曲线的涵义氯气离心式压缩机的性能曲线又称“特性曲线”（speciality curve）。 它真实反映机组运行时工况的变化。因为即使在恒定的转速情况下， 压缩机的容积流量不可能是个“定值”，这就是“透平式”压缩机与 “容积式”压缩机所不同之处。压缩机的容积流量是随着氯气管网中 压力（背压或称为管网端压）的不同而改变，也是随着机器效率、功 率的变化而改变。为了真实反映机组运行中工况条件变动以后机组性能的变化情 况，通常把机组在不同流量流通情况下，机组的排出压力（或压力升 高比）、功率和压缩

2、机效率的变化关系用曲线形式直观表现出来，这 些曲线就称为机组或“级”的性能曲线。一般可以认为整台机组的性 能曲线决定于每一级的性能曲线。性能曲线的横坐标通常用压缩机的 进口容积流量作参数（此举是便于不同机组的等同比较）；而对应的 纵坐标则为机组的排气压力（绝对压力）或者压力升高比，这类“特 性曲线”称为“压力曲线”。如果纵坐标采用压缩机的轴功率的话， 就称为“功率曲线”；也可以是压缩机或者各级的效率，就称为“B 率曲线”。每一条曲线都相应于一个固定的转速。有了这样的性能曲线，就可以根据客户的要求，选配相应的压缩 机，并且可以选配电动机。在压缩机的运行过程中，可以根据机组在 管网的工况条件去分析

3、机组的工作状态，确认其在安全、高效区工作，是否达到压缩机设计工况的运行点一般压缩机的特性曲线是由制造机组的厂家依据试验数据整理绘 制。所提供的技术说明都提供这样的特性曲线，以供使用时参考。2压缩机性能曲线的特点氯气离心式压缩机的性能曲线是多种类的，尽管有的压缩机所标 的铭牌参数相同，诸如：转速、排出压力、进机流量、轴功率等都相 同；但是绘制出来的性能曲线却有不同。 下面把压缩机性能曲线的特 点分析一下。1决定性能曲线形状的因素在看压缩机性能曲线时，就会发现曲线的形状各异，曲线的曲率 半径大小也不一样，这究竟是什么道理呢？为此我们只能从压缩机的 多变能头h p o i与“进机流量”之间的关系分析

4、起。多级压缩机是由 许多“级”组成的。每一级压缩以后，气流的压力升高比并不是很高。 如果不计气体重度变化的话，我们用计算压缩液体的静压头所需要的 能量头方式近似计算压缩机的多变压缩能头。单位重量的气体压头升高所需的能量：h p o l = (p K -p j) / Y气体的压力升高比： = 1 + y / p j h p o l由此可见，压力升高比与流量的关系是和“多变能头”与流量的 关系相当的。对于“后弯式”叶轮的压缩机来说，多变压缩能头l与压缩机的进气流量呈一次方关系(叶轮的几何尺寸和圆周速度都 为常数），就是随着气体的流通量增大而下降的直线 AB。但是它忽略 了流动过程中的“流道”损失部

5、分。实际上由于“流道”中的气流摩 擦、冲击等流动损失存在，气体所得的多变压缩能头还需要从理论的 压缩能头中减去这部分损失的能量。而气体的流动损失和液体的流动 损失一样，都是和流量的平方成正比的，因此将 理论能头AB先减去 流动损失成为A B ，两者之差就是流动损失值。另外，还要减去 冲击损失值（当然冲击损失只有在设计工况条件时才是最小的， 而当 工况条件偏离设计工况时都要增加）；因此再从A B 中减去冲击损 失艺h s h部分便得到A B 曲线。（两头低、中间高的驼峰状曲线） 这就是h p o i与流量的关系曲线。而压力升高比形状与其差不多。所 以上述原因也就决定了压力升高比与流量间的关系。

6、通过上述分析可 以得出结论，决定压缩机性能曲线的形状主要因素是叶轮对气体作功 的特性和气体流动过程中损失的特性。注：流量越大，排除压力越低，压缩比越低。2转速增加对性能曲线的影响上面已经知道压缩机性能曲线是由 多变压缩能头h p o i （叶轮对气 体作功的特性）和 流动过程损失的特性艺h h y d决定的，因此凡是影 响到气体流动过程损失的因素自然会影响到压缩机的性能曲线。 而压缩机的转速影响是最为明显的。因为压缩机的转速变化直接影响到气 流的圆周速度。u 2 = n D 2 n / 60而理论压缩能头h t h与圆周速度的平方成正比，也是与转速的平方成正比。2h t h = u 2 u 2

7、 / g当压缩机转速增加时，一方面机组的压缩比（ ）及出口压力（p k）将显著增加；另一方面，使气体流动的马赫数 M增加（这是气流 速度增大所致），就会使气体流动的损失增加，使得稳定工况范围缩 小；在相同流量的变动范围内，流动损失增加得更多，为此性能曲线 将变得“更陡”从不同压缩机转速下性能曲线的示意图中可以看出，当气体流量大到某一数值之后，性能曲线甚至接近垂直形状。这是因为转速增大、气流的马赫数也已相当大；如果再稍微增加流量的话，就使马赫数达 到最大值，已经是堵塞工况了，再增大流量已经不可能了。1压缩机转速增加，机组的压缩比（ ）及出口压力（p K ）将显著增加，气体流动的损失增加，稳定工况

8、范围缩小。2气体流量大到某一数值之后，性能曲线甚至接近垂直形状3“级数”对压缩机性能曲线的影响在压缩机的运行过程中，前一级的工况条件改变总要引起下一级工况条件的更大程度的改变。譬如：前一级的进口容积流量增加了 5%，对于离心泵或者鼓风机来说，该级的出口容积流量也增加相同 的量。然而对于氯气离心式压缩机来说就不同了。 因为随着气体流量 的增加，级的出口压力要低于原来值，会引起出口气体的重度减少， 使得该级出口的气体容积流量或称进入下一级的气体容积流量增加 幅度远大于5%。由此就会引起下一级工况发生更大的变化，使得冲 击损失和流动损失增加更多些。对于多级的离心式压缩机来说，它的 各级特性曲线相似，

9、如果串接以后；整台机组的特性曲线显然要比单 级的特性曲线显得“更陡” 一些。在压缩机转速越高的情况下，每一 级的压力升高比也越高；那么前一级的工况条件的变化引起下一级工 况条件的变化程度越大，使得损失增加更多，这样的话，性能曲线更 为陡。注：流量变化时，下一级流量增加要比前一级流量大。4最大流量和最小流量的限制一般氯气离心式压缩机的管网设置中包括机组的出口阀 C（去分配台）、排气阀A （去除害塔）以及机组回流阀 B （去机组进口）。如 果打开排气阀门A的话，使管网中的阻力大为减少；机组的排气量 增加，排气压力（主机出口排出压力）降低。 当排气流量增加到一定 程度时，排气压力下降非常快，性能曲线

10、几乎是垂直下降。 有两种情况要关注的：I由于在压缩机的“流道”某个截面处，气流速度相当高；首先 达到音速。此时的气体流量已经达到临界流量（w = a）,气流的马赫 数M二1，再降低管网中的气流压力已经不能使流量再增加了。从而 气流的流量也已经达到了最大值 Q m a x,这时再增加流量已经成为不 可能，就是所谓的堵塞工况。于是排气压力下降很快，表现在性能曲 线图上曲线呈直线下降趋势。H另外，虽然气流速度未达到音速的话；但是由于进气流量增加， 流动损失和冲击损失增加很快；使得压缩机所消耗的功全部用于克服 损失，几乎没有能力提高气体的压力，因此再增加流量亦是不可能了。 如果压缩机的转速越高，那么偏

11、离设计工况使损失增加越快，因此达 到最大流量的可能性越大，造成性能曲线越发陡峭。实际上压缩机的 特性曲线是受到了最大流量的限制。如果“关小”或关闭排气阀A去增加管网阻力的话，压缩机的排 气量就会减少，排气压力相应有所增加。但是当排气量减少到一定程 度时，排气压力就会出现波动；使得进压缩机的气体流量也大幅度波 动，机组进入了 “喘振”工况。一旦发生“喘振”，压缩机就出现最 小流量（这就是“喘振”工况下的排气量）。主机受到最小流量的限 制，如果主机转速提咼，特性曲线就向增大流量方向移动，所以最小 流量极限也向增大流量方向移动。由此可见，压缩机有最大流量和最小流量的限制，再加上转速的限制就构成了离心

12、式压缩机的稳定工作范围。 这个范围越大，说明压缩机的特性越好。二、性能曲线的影响因素氯气离心式压缩机组运行的正常与否，是依据一系列状态参数、 依据变动工况下的性能曲线，去作出准确的判断，以便确定压缩机的 运行工况是否处于最佳状态。当然对于输送介质是有毒的重气体氯 气，更要掌握性能曲线中工作点的随机变化， 以便随时进行运行参数 的调整。掌握影响机组性能曲线的参数变化因素， 就是要了解这些参 数与运行介质有关的分子量、绝热系数、多变系数；与运行条件有关 的进气压力、进气温度、主机转速等。下面着重分析进气温度、进气 压力、分子量、绝热系数等参数对性能曲线的影响。在作具体分析时， 首先确定转速和容积流

13、量为定值（constan）这样的话叶轮对气体作 功也为定值。此外忽略效率的变化，这样叶轮产生的多变能量头也就 不会改变。分析参数对性能c曲线的影响，就是要分析这些参数对重 量流量、压力升高比、排气压力和功率的影响。1离心式压缩机进气温度的影响1在容积流量不变的情况下，压缩机进气温度的变化将影响主机 的重量流量。一般说来，在主机进气压力不变时，要是进气温度“降低”的话， 那么气体的“重度”就会增加；在相同的容积流量流通情况下，气流 的重量流量就要增加。同样道理，如果进气温度“升高”的话，就会 使气流的重量流量减少。由此可见，进气温度的变化会使气体的“重 度”也发生变化，使得输送气量发生相应的变化

14、。气流的重量流量与 温度成反比，用数学式表示为：G / G = T j / Tj or G T j = G T j式中的G、G分别为变化前后的气体重量流量；Tj、T j分别 为变化前后的进气温度。在实际运行中，进气温度升高，会使机组的 回流量减少，机组的输送气量有所降低。尤其在夏季，进气温度较高 的话，在同样的电解直流载荷情况下，机组运行中的回流量远少于冬 季。如果机组的运转盈余量少的话，一旦进气温度升高，也会出现透 平压缩机组“抽拉不动”电解槽产出的氯气；被迫降低电解槽直流电 载荷的情况发生。但是在冬季，这种情况就极少发生。由此可见，严 格地控制进气温度是十分重要的。 需要强化中间冷却，以确

15、保各级的 进气温度正常。有的氯碱企业采取中间冷却器使用冷冻水进行冷却， 那么机组的生产能力将会得到进一步的强化。注：进气温度高，压缩机流量小；映天辉重点关注泡罩塔出口氯气温度。2025C2进气温度影响主机的排出压力。一般说来，要是机组的进气温度“降低”的话，压缩机对气体作 功所需要的多变能头就将减少；这一点可以从多变能头的计算式中看 出来。h p o i = m / (m -1)?RTj ( (m -1)/m -1)上面计算式中，“多变压缩能头”与“进气温度”成正比关系。在 压缩机叶轮转速和容积流量不变的情况下，对气体所作的“功”是相 同的；这样的话，压缩气体的压力比就会增加。在进气压力相同的

16、情 况下，排气压力也会增加。同样道理，要是进气温度升高的话，会使 排气压力降低。实际运行中，由于氯气的进气温度较高，造成排出压力降低；但 是电解槽氯气的“抽拉”却是相当的困难，夏季出现这种情况是屡见 不鲜的。注:进气温度高，压缩机排气压力减低。3进气温度影响主机轴功率。一般说来，进气温度升高会使主机输送气量（重量流量）降低，而压缩机的轴功率为：N p oi = G h p oi/102 n p o i由计算式可知，在转速不变的情况下，压缩机轴功率是与重量流 量成正比，因此进气温度升高可以使主机的轴功率下降， 同时使叶轮 对气体所作的“功”也将减少。同样主机的轴功率是与“进气温度” 成反比，用数

17、学表达式：N p o i T j = N p o i T j式中的N p o i、N p o i分别为变化前后的压缩机轴功率；Tj、T j 分别为变化前后的进气温度。当然随着进气温度的上升，机组的排出 压力也随着下降。2离心式压缩机进气压力的影响压缩机的进气压力是影响机组性能曲线的重要参数。在进气温度 不变的情况下，将会影响到进气的重度。一般来说，进气压力增加， 那么气相重度增加，这是依据气体方程式得到的。PV = n RT or P = GRT / VM = 丫 RT / M式中：P 气体压力，V 气体的容积，G气体的重量，R 气体常数，T 气体温度，M 气体分子量，丫气体重度。在容积流量不

18、变的情况下，压缩机进气压力与重量流量成正比。G / G = Pj / Pj此外，由于进气压力并不影响压缩气体所需要的能量头以及叶轮 对气体所作功需要的能量头，因此气体的压力升高比不会改变， 可见 机组的“排气压力”与“进气压力”也成正比。P j / P J = P c / P c压缩机的轴功率因为重量流量与“进气压力”成正比，也与“进 气压力”成正比。N p o 1 / N p o 1 = P j / P j在实际的运行过程中，压缩机的“进气压力”对机组运行的影响 很大。一般的“进气压力”是负压，而负压不能太高。要是“进气负 压”太高的话，压缩机的输送气量将会下降（重量流量）；此外，机 组的“

19、排出压力”也不会太高，叶轮作功也不多。压缩机的进口“负 压”太高，首先要想到从电解槽出口的阳极氯气总管至离心式压缩机 的进口段的阻力太大（或有堵塞的可能，要么钛冷却器氯水结冰、要 么硫酸除雾器滤网堵塞等）。在排除故障之后，仍然显得“负压”过 高，只能在“负压段”增设“钛制的鼓风机”来增加压力，促使离心 式压缩机的压力上升，来实现提高输送能力、增加主机出口压力的目 的。注：进气压力不影响压缩比，进气压力越高，排气压力越高，压缩机 输送氯气流量越高，电机轴功率越大。进气太低的话，压缩机的输送 气量将会下降（重量流量）。3.输送介质性质变化的影响对于输送介质性质的变化，仅两个主要参数有关。即气体分子

20、量 与比热比（绝热系数）。对氯气离心式压缩机来说，在运行过程中， 输送介质就会出现空气、淡氯气、浓氯气等介质的变化，因此也要予 以重视的。1分子量的影响首先，在容积流量一定的情况下，气体的分子量（介质）越大， 气体的重度也越大（称为重气体）。因此重量流量越大。重量流量与 分子量成正比。G / G = M / M式中的G、G分别表示变化前后的重量流量，M 、M分别表示 变化前后的分子量。这就让我们联想到氯气离心式压缩机组与电解槽同步开车时，机 内主要输送介质是空气，随着电解通电开车，机内的输送介质成为较 淡的氯气和较浓的氯气。与空气相比，氯气要比空气重 2.5倍。其次，随着气体分子量的增加，介质

21、就越容易受到压缩，压缩气 体所需要的能量可以少一些。在压缩机转速不变和气体容积流量不变的前提下，叶轮作功所产生的能量头显然也是不变的， 因此分子量大一些的气体，重度也大。要想使气体的压力升高比增加的话，必须使 机组的排出压力在进气压力一定的前提下也大幅度增加。还是用空气 与氯气来比较，在同样的容积流量的情况下，前者排出压力为O.IMPa,而后者的排出压力就为 0.35 M pa。最后，就是气体分子量越大，它的重量流量也越大。轴功率与重 量流量成正比，N p o 1/ N p o i = Gl G = M/ M在实际的运行中我们就会发现：机组在空气状态下运转时，主机的电流指示比较低，所消耗的功

22、率也较少；在氯气状态下运转时，主机的电流指示就高，所消耗的功 率也相应增大，缘由就在于此。2比热比的影响比热比K是等压比热C p与“等容比热” C v之比，又称为绝热指 数(adiabatic index)。它对重量流量并没有太多的影响，但是它对压 缩比有些影响。h p o l = K / (K -1) RT j ( (K-1)/ K n p o l -1)从多变压缩能头的计算式可以看到，在压缩能头、进气温度不变 的情况下，压缩比与绝热指数K有一定的影响关系。但是总体上绝 热指数的变化是不太大的，对压缩比的影响也不是很大；那么对功率 的影响也就很小了。综上所述，分析了几个主要参数在转速、容积流

23、量相同的情况下, 离心式压缩机的重量流量与“进气压力”、输送介质的分子量成正比； 与“进气温度”成反比。压缩机的排出压力与“进气压力”成正比； 排出压力随着“进气温度”的降低、气体分子量的增加而增加。压缩 机的功率与“进气温度”成反比，随着“进气压力”、气体分子量增 加而增加（成正比关系）。以上这些参数间的变化关系在日常操作运 行中必须了解掌握。由于压缩机特性曲线的任何变化，在一定运行工况条件下还可能 出现“喘振”。所以希望压缩机运行过程中尽可能保持压力不变，气 体的容积流量可以改变。如果“进气温度”升高比较多的话，或者输 送介质分子量减少很多的话（压缩机内抽入空气），就有可能使压缩 机处于“

24、喘振”工况条件之下运行（从性能曲线上看，压缩机处于喘 振区域之内）。从分子量变化对性能曲线的影响图中可以看出， 气体分子量M = 71 （氯气）时，工作点处于性能曲线较为平坦的区 域。但是分子量减少到 M = 29 （空气）时，要是主机保持出口压力 不变的话，工作点就处于性能曲线较为陡峭的“喘振区域”了。同样 气体的温度升高也会带来使压缩机处于“喘振工况”的条件。一般对 输送介质的分子量波动范围作出规定，不能超过 6 10 %。4“进气状态”变化和气体性质变化时性能曲线的换算上面已经简单分析了氯气离心式压缩机的“进气条件”、气体性质 变化对性能曲线的影响。那么如何根据这些条件变化对主机性能曲线

25、 的影响来估算性能曲线呢？在第一台氯气离心式压缩机组投入运行， 取代了“液环式压缩机”（纳氏泵）之初，现场校核压缩机性能。由于现场的工况条件（进气状态、气体性质等）与机组在出厂试验时有所不同；就是说，在相同的压缩机转速和容积流量条件下，压缩机的排出压力不同。必须适当地变更压缩机的转速和容积流量。 如何来改 变呢？一个先决条件是要求压缩机保持工作条件相似，希望气体在主机“流道”流动与各类损失也相似，实际上是气体流动速度三角形相 似（影响各种流动等损失的主要参数马赫数一样）。n = coiistantQ = constant如图所示， OAB是相应于“进气温度” Ti的叶轮进口速度三角形，此时压缩

26、机的转速是常数；如果“进气温度”改变（如降低）为Ti 要保持容积流量也为常数，当然要保持着相似的速度三角形。这样就满足了第一个条件（主机流道流动状态相似）。但是未必能保 持压缩机的损失情况相同，无法满足第二个条件（各类损失相似） 。 究竟是什么原因呢？因为气体的马赫数 M不同。马赫数是表征输送 介质可压缩性能的一个准数。它是气流速度 C与该速度所在点气体 温度下的音速a之比（M二C / a ）。音速只与气体的温度有关，与气 体的压力没有关系的参数。温度提高时会使音速变大，对于不同气体 来说，绝热指数K和气体常数R是不同的，因此音速也不同。而气体常数R = 848 / ，分子量大的气体（如氯气）

27、音速也小，因为R = （K g RT） 0.5。由此可见，气体性质参数 K、R的任何变化以及“进 气温度”的任何变化，都会使音速发生变化。即使气流速度不变，气 流的马赫数也会发生变化。音速大，气流的马赫数减小；音速小，气 流的马赫数增大。一般来说，气流的马赫数大于 1气流就是超音速气流；马赫数小于1。气流就是亚音速气流。气流马赫数的变化使得 气体在流动过程中损失情况发生变化。 为了同时满足上面所述的两个 条件，只有依据工况条件的变化而使容积流量和圆周速度同时发生变 化。这样做既能满足马赫数不变，又能满足速度三角形的相似。例如：“进气温度”降低至音速就会减少，成为a=（ K g RT 0.5为了

28、保持气流的马赫数不变，相应的气流速度也必须减少，应按照音速减少的倍数相应减少。0.5a /a =(T / T)0.5;/ ui = ci / c i =(T / T)综上所述，可以得出:hp o i=h p or (T / T) 0.5or Q=Q (T / T) 0.5其他，如气体性质的变化也和温度变化一样，要使转速和容积流量也作出相应的变动。这就意味着可以将原有特性的参数乘以相应的 比例系数就可以换成适应新的情况。具体的换算方式是:1对应于原性能曲线上的数值（在 Pi、Ti、R的情况下），容积流量为Q、主机转速为n的话，换算到所求的性能曲线数值为（RT / R T）0.5；2对应于原性能曲

29、线上的数值（在 Pi、R的情况下），重量 流量为G的话，换算到所求的性能曲线数值为 P / P（R T / R T） 0.53对应于原性能曲线上的数值（在 Pi、Ti、R的情况下），排出 压力为P c的话，换算到所求的性能曲线数值为 P / P；4对应于原性能曲线上的数值（在 Pi、Ti、R的情况下），压缩 机轴功率为 N K 的话，换算到所求的性能曲线数值为 P / P（R T / R T） 0.5；5对应于原性能曲线上的数值（在 Pi、Ti、R的情况下），压缩 比与多变效率之积为 n p o I的话，换算到所求的性能曲线数值为i.O。以上的换算方法中没有反映出气体比热比 （绝热指数K）,因

30、为在运行过程中虽然会有一些变化， 但是绝热指数的变化并不大， 因此可 以不予考虑。如果输送介质完全不同的话，原则上破坏了相似条件； 要做近似估算，也可以和“进气温度” 、气体常数等一般处理。至于不同转速情况下的性能曲线换算在实际操作运行中意义不是 很大，因为目前国内的氯气离心式压缩机不管是进口机组还是国产机 组，原动机的功率与转速基本在运行过程中没有什么变化。 因此举个 实例来说明一下：已知：氯气离心式压缩机组的其中一段性能曲线（ i00 %），转速 为i04i0 rpm,三点A、B、C的有关参数为（进气流量、压力升高比以及压缩机轴功率）如下所示:项目ABC进气容积Qj ( m3 / h r)

31、370040004200压力升咼比1.671.551.50压缩机轴功率N （ Kw）300310320请计算95 %转速时相应的参数。解：取绝热指数K = 1.322，多变效率n p o l = 0.75;因此m / (m -1) = k / (k T) n p o l=1.322 X 0.75 / 0.322 = 3.1;（m -1） / m = 0.32;其他计算列入下表：项目ABC备注进气容积Qj ( m3 / h r)351538003990Q = Q n / n(m T)/m / - 10.180.150.14，(m -1) / m - 10.160.140.13压力升高比 1.581.51.47轴功率N (K w)257266274三、氯气离心式压缩机调节方式1氯气离心式压缩机和管路的联合运行氯气离心式压缩机组的工作点是与压缩机所在管路系统的特性曲线密切相关的。所谓的管路特性曲线就是当管路工况条件固定时 （如:氯气用户都能正常运行，使管路中的氯气压力、流量