喷液冷却的两级无油螺杆氨气压缩机性能研究

　　液氨广泛应用于化学肥料、农药、医药等的生产以及化工产品氨化，可在制冷系统中充当制冷剂，还可在国防工业中用于火箭和导弹的推进剂。将纯液氨电离制成的氢氮混合气体常用于半导体和冶金等工业的保护气体。国家标准规定液氨产品按照氨的浓度分为三等：优等品99.9%，―基金项目：海洋公益性行业科研专项经费项目（201305011）等品99.8%，合格品99.6%.不同品质液氨每吨价差约50元。但是按照产地不同，出厂价格波动较大，约2400~3300元/t.目前工业上常用的合成氨生产方式，虽然工艺流程十分成熟且能达到较大规模，但其能耗较高且污染严重。该法生产液目前国内化工行业含有大量的含氨尾气和副产品氨，需要将其回收提纯。

　　提纯氨成本大大低于直接合成氨，此举将带来巨大的经济效益及环境效益。因为氨水混合物蒸气具有压力越高其饱和状态下气体组分的氨浓度便越高的性质，工业上通过对氨气进行压缩来提纯。但是压缩氨气应用现有的往复活塞压缩机和通用的制冷喷油螺杆压缩机非常困难。在部分气量较大且气体中含碳铵等颗粒杂质较多的工况下，往复活塞压缩机运行稳定性较差。

　　喷油螺杆压缩机由于润滑油等杂质的引入，使得产品品质不能达标；同时介质气中的h2s等杂质容易混入润滑油中，导致润滑油污染变质。而无油螺杆压缩机的工作腔与轴承座由密封装置隔开，能够很好地避免上述问题。

　　现在有化工企业采用了一种喷氨水的无油螺杆压缩机，并利用化工流程软件进行了初步计算，但是其中具体的物理过程并不清楚，需要进步的理论计算并用实际运行数据支撑。

　　考虑到该压缩过程是个两相的二元非共沸混合物的传热传质过程，十分复杂。本文首先解决了氨水物性计算和工艺螺杆压缩机平衡管流量计算，并在已研究的喷水螺杆压缩机的基础上，利用湿压缩和喷制冷剂压缩的思路对该两相压缩过程进行了模拟计算，并将计算结果和现场运行数据进行对比验证。然后对排气压力、中间压力、中间温度等关键参数进行了优化计算，并分析了他们对系统性能的影响。

　　2应用场合及技术参数2.1工艺流程如所示，该系统为一个两级的氨气压缩系统，观察图中各节点。第一级压缩机吸入0.19MPa，30丈，98%的低压低温过热氨水蒸气（1，同时喷入55，0.62MPa饱和氨水溶液（8.假设吸气和喷液可以瞬间混合为两相流（2，喷液量较少时可能为纯气体之后开始压缩。压缩后的排气Q补入一定量40丈，5%稀氨水4，混合之后5经第一级冷却器冷却为两相流（6，并进入第级气液分离器分离。分离出的气体为第二级吸气（7，液体为第一级喷液，并排出多余积液到氨粗精馏塔。第二级流程与第1级类似，但压缩后无需补液。二级气液分离器分离得到的高压氨气（13浓度应达到99.6%以上，然后通入氨冷却器冷却为液氨。2.2状态变化观察，图中1-3s1表示没有喷液情况下吸入过热氨水蒸汽的压缩情况，虚线1-3s'表示等熵压缩，实线1-3'表示实际压缩。

　　喷入液体后，当喷液量达到一定程度时，如（a所示，压缩机吸气混合为两相流，随着压缩进行，液体蒸发，最终得到高压过热蒸气；如所示，喷液量进一步增加到临界值时，压缩机出口处高压蒸气达到饱和态；喷液量继续增加，如（C所示，压缩机出口处为高压两相流。

　　随后压缩机排气进入压缩后冷器被冷却到两相流，再经过气液分离后，绝大部分的液体做为喷液，喷回压缩机。

　　第级气液分离后的气体被引入第二级压缩机进一步压缩，第二级压缩过程与第级致。

　　2.3系统参数，见表1指标第一级第二级压缩介质过热氨水蒸气进气温度进气压力排气压力理论容积流量喷液饱和氨水溶液注：忽略极少量的氧气和氮气，仅考虑氨和水。

　　注：喷液状态参数取为压缩后气液分离器内液体状态参数，不考虑气液分离器至喷液口的压力损失。

　　1+手喊2.4工艺气压缩机特点为保障工艺压缩可靠性，使压缩机运转平稳，该两级无油螺杆氨气压缩机组设计有3组平衡管。分别联通：一级排气平衡腔和一级吸气平衡腔，二级排气平衡腔和二级吸气平衡腔，以及二级排气平衡腔和级吸气平衡腔。

　　3计算模型3.1性能计算模型（3）求压缩机入口流量m2及气液组分的焓熵值P假设喷液后m2带液，含有液体组分ma，气体组分。由质量守恒、能量守恒关系其中下标2表示压缩机入口状态，l表示液体组分，g表示气体组分，3和ll分别表示一二级排气状态。联立求解可得入口处各状态参数。

　　（2）计算轴功率气体组分按等熵压缩液体组分按等容压缩。

　　假设气液二元组分是一个动态的平衡过程，在一个非常小的压力变化之后能够进入一个新的平衡状态。根据物料守恒和能量平衡关系，列出下式压缩机产生的热量会蒸发部分液体持续更新压缩机入口气体状态，直到时为止，有下标i表示压缩机入口状态，o表示压缩机出口处状态。

　　3计算电机输出功率电机的传动效率nd表示压缩机轴功率ns与电机输出功率Nd之比。它与电动机的效率和变频器的效率有如下关系3.2氨水物性计算氨水混合物泡点和露点公式取自，参数取值详见该。

　　1液态时泡点温度2气态时露点温度焓熵及比体积。

　　3.3平衡管计算模型分析平衡管内气体流动，应为两侧压差驱动的定常一元可压缩流体在等截面管道中有摩擦的绝热流动。已知平衡管管长1，管径D，高压侧压力Pi，低压侧压力内，高压侧温度Ti，计算管内的质量流量M.首先应用绝热摩擦临界长度的公式其中下标i=1，2，分别表示管道高压侧和低压侧f―壁面摩擦系数，不锈钢管可取为0.04k―绝热指数，氨气取为1.29 R气体常数，氨气取为489，（kg-K然后列出绝热摩擦临界压力公式a/蝴瘤傩农ru并对高压侧根据状态方程补充下式联立求解后可求得质量流量4结果分析4.1计算结果与实际运行数据对比选取某曰典型工况下运行数据与计算结果进行对比，结果示于表2.表2现场运行数据与计算数据对比指曰标第一级第二级运行数据估算数据运行数据估算数据吸气压力/MPa吸气温度户c吸气量/kgh-1喷液量/kg-h-1平衡气量/kg-h-1容积效率/%排气压力/MPa排气温度户c冷却水流量/m3-h-1冷却水温升/C耗功AW纯氨产量/kg-h-1电机输出功率运行数据：1379kW，估算数据：1407kW分析数据对比情况：1冷却器热负荷。2个换热器冷却水温升设计值均为10丈。第一级冷却器热负荷较大，但却由于第一级氨路积液较多，换热效率较差，运行时水路阀门全开才满足换热需求。计算表明，第一级冷却器的热负荷受第一级压缩后补液的影响较大。第一级压缩后补液，选取参数为：温度40丈，压力补液量越大，越能吸收溶解氨气，放热就越多，后冷器热负荷就越大。

　　对于第二级冷却器，换热效率较高，并且由于冬季给水温度低，使得冷却器可以以较小流量、高于设计温差的状态工作。

　　2喷液量。机组运行时应根据排气温度控制喷液量。现在进行校核计算，固定排气温度计算喷液量，并且忽略了冷却风机对机壳的冷却作用以及轴承腔润滑油带走的部分热量。如考虑机壳及润滑油散热，对于相同的排气温度，喷液量约为该计算值的70%~80%. Q平衡气量。其中第级平衡气包括两部分，分别来自第级排气端平衡腔和第二级排气端平衡腔。考虑到平衡腔与排气端的道碳环密封节流效果较差，计算时取排气端平衡腔压力等于排气压力。

　　4电机输出功率。电机额外耗功包括电动机能量损失、变频器能量损失、增速箱的耗功以及冷却风机耗功。如考虑增速箱的耗功以及冷却风机耗功，电机传动效率应该不止估取的85.5%.4.2液氨品质控制参数某一具体浓度下饱和态的氨水蒸气混合物，其压力和温度应符合曲线所示。压力越高，温度越低，其氨组分的浓度便越高。生产液氨工况变化时，应注意控制第二级气液分离器内的温度和压力以分离出足够浓度的氨气。

　　通过增加压力来提高氨气浓度提升产品品质的话，势必增大压缩机的功耗。而降低气液分离的温度却提高了对冷却水的要求。对于冬季较低的冷却水温，较低的压力便可提纯氨气。考虑到夏季环境要求，该气液分离温度不应低于40丈，对应的分离压力也不应低于1.17MPa.- 99.6%二级排气压力/MPa当其他参数不变时，压缩机喷液量与压缩机排气温度及耗功的关系示于。当喷液低于该临界值时，冷却不足，排气温度及耗功显著升高；当喷液高于该临界值时，排气温度及耗功几乎不再变化。因此，为保证压缩机安全运行，喷液量必须高于该临界值，第一级为0.19kg/s，第二级4.4优化两级排气压力固定两级喷液量，选取第一级喷液温度为45丈，并根据实线选取第二级喷液温度以控制最终分离出氨气的浓度达到99.9%.表示优化计算中间压力的结果，图中实线表示理论中间压力虚线表示计算所得能耗最低时的中间压力Pm，4.5优化两级喷液温度取第二级排气压力1.55MPa，第一级排气压力0.50MPa，以两级压缩整体为考虑对象，固定喷液量。改变某个喷液温度，观察液氨的压缩机能耗的变化情况，计算结果见、7.因为喷液温度即为气液分离器所要求的温度，所以存在一定的范围。首先，喷液温度必须足够高。第一级喷液温度应根据环境温度确定，不宜低于40丈。第二级喷液温度还需考虑氨水性质：氨水溶液的露点温度随着氨浓度的升高而降低，当氨浓度升至100%时，露点温度达到最小值即纯氨液的蒸发温度。在1.55MPa下为39.7T：，气液分离器低于该温度则无法分离出气体。因此气液分离器温度必须高于该温度一定程度，才能分离出足够的高压气体。其次，喷液温度也有上限，喷液温度越高，气液分离器中分离出的液体就越少，超过某个温度后，便不能分离出足够的液体用于喷液冷却。该上限温度计算得：第一级为62.5U第二级为单位质量液氨压缩机能耗与第二级啧液温度的关系事实上，对于2个单独的压缩机，固定喷液量，改变喷液温度，液氨的压缩机功耗，随喷液温度的升高而降低，即均应表现为的下降趋势。但是如果考虑两级压缩的整体，第一级气液分离温度升高势必导致第二级冷却不足，使得第二级耗功增加的程度高于第一级降低的程度，总体表现为的上升趋势。

　　5结论利用提纯方法生产液氨的成本大大低于传统合成氨方法，具有较好的经济效益和环境效益。无油螺杆压缩机由于其优良的稳定性和对工艺气体无污染的特性，使得利用该种机器的氨气压缩工艺流程能够满足液氨提纯的工业要求。

　　通过在压缩过程喷入氨水溶液，可以显著降低压缩机排气温度，改变出口含液量，防止温度过高造成转子咬合等问题。通过计算可以初步确定喷液量以及压缩机功耗，并据此优化调整喷液参数。

　　根据氨水的性质，通过控制气液分离的温度和压力就可以控制分离出氨气的浓度。气液分离时，如果可以将氨水冷却到较低的温度，便仅需将氨气压缩到较低的压力，40丈对应的压力为1.18MPa.因此，应该尽量降低气液分离的温度，而该温度取决于环境温度和冷却水的冷却能力。

　　对于采用两级压缩的系统，固定喷液量，第级喷液温度取45丈，第二级喷液温度取中99.9%浓度所对应的临界温度时，中间压力可取为第一级喷液温度越低压缩机能耗便越低，因此应尽量降低中间冷却的温度。假如能将其从45丈降至35丈，便可降低压缩机能耗约5%.对于含有平衡管的类工艺螺杆压缩机，不能忽视平衡气的流量。当平衡腔和排气腔密封效果不好，平衡腔压力较高时，该流量可能较大，并进而影响到压缩机和整个系统的性能指标。