【壓縮機(jī)網(wǎng)】〈接上期——〉

　　5.3性能曲線的影響因素

　　氯氣離心式壓縮機(jī)組運(yùn)行的正常與否，是依據(jù)一系列狀態(tài)參數(shù)、依據(jù)變動工況下的性能曲線，去作出準(zhǔn)確的判斷，以便確定壓縮機(jī)的運(yùn)行工況是否處于最佳狀態(tài)。當(dāng)然，對于輸送介質(zhì)是有毒的重氣體氯氣，更要掌握性能曲線中工作點(diǎn)的隨機(jī)變化，以便隨時進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整。掌握影響機(jī)組性能曲線的參數(shù)變化因素，就是要了解這些參數(shù)與運(yùn)行介質(zhì)有關(guān)的分子量、絕熱系數(shù)、多變系數(shù)；與運(yùn)行條件有關(guān)的進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度、主機(jī)轉(zhuǎn)速等。

　　下面著重分析進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、分子量、絕熱系數(shù)等參數(shù)對性能曲線的影響。在作具體分析時，首先確定轉(zhuǎn)速和容積流量為定值（constant），這樣的話葉輪對氣體作功也為定值。此外忽略效率的變化，這樣葉輪產(chǎn)生的多變能量頭也就不會改變。分析參數(shù)對性能c曲線的影響，就是要分析這些參數(shù)對重量流量、壓力升高比、排氣壓力和功率的影響。

　　a、離心式壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度的影響

　　①在容積流量不變的情況下，壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度的變化將影響主機(jī)的重量流量。一般說來，在主機(jī)進(jìn)氣壓力不變時，進(jìn)氣溫度降低，那么氣體的“重度”就會增加，在相同的容積流量流通情況下，氣流的重量流量就要增加。同樣道理，如果進(jìn)氣溫度升高，就會使氣流的重量流量減少。由此可見，進(jìn)氣溫度的變化會使氣體的“重度”也發(fā)生變化，使得輸送氣量發(fā)生相應(yīng)的變化。氣流的重量流量與溫度成反比，用數(shù)學(xué)式表示為：

　　G′/G=T_J/T_J′or GT_J=G′T_J′

　　式中的G、G′分別為變化前后的氣體重量流量；T_J、T_J′分別為變化前后的進(jìn)氣溫度。在實(shí)際運(yùn)行中，進(jìn)氣溫度升高，會使機(jī)組的回流量減少，機(jī)組的輸送氣量有所降低。尤其在夏季，進(jìn)氣溫度較高的話，在同樣的電解直流載荷情況下，機(jī)組運(yùn)行中的回流量遠(yuǎn)少于冬季。如果機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)盈余量少的話，一旦進(jìn)氣溫度升高，也會出現(xiàn)透平壓縮機(jī)組“抽拉不動”電解槽產(chǎn)出的氯氣，被迫降低電解槽直流電載荷的情況發(fā)生。但是在冬季，這種情況就極少發(fā)生。由此可見，嚴(yán)格地控制進(jìn)氣溫度是十分重要的。需要強(qiáng)化中間冷卻，以確保各級的進(jìn)氣溫度正常。有的氯堿企業(yè)采取中間冷卻器使用冷凍水進(jìn)行冷卻，那么機(jī)組的生產(chǎn)能力將會得到進(jìn)一步的強(qiáng)化。

　　②進(jìn)氣溫度影響主機(jī)的排出壓力。一般說來，要是機(jī)組的進(jìn)氣溫度降低的話，壓縮機(jī)對氣體作功所需要的多變能頭就將減少。這一點(diǎn)可以從多變能頭的計算式中看出來。

　　h_pol=m/(m-1)·RTJ(ε^(m1)/m-1)

　　上面計算式中，“多變壓縮能頭”與“進(jìn)氣溫度”成正比關(guān)系。在壓縮機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速和容積流量不變的情況下，對氣體所作的功是相同的；這樣的話，壓縮氣體的壓力比就會增加。在進(jìn)氣壓力相同的情況下，排氣壓力也會增加。同樣道理，如果進(jìn)氣溫度升高，會使排氣壓力降低。

　　實(shí)際運(yùn)行中，由于氯氣的進(jìn)氣溫度較高，造成排出壓力降低；但是電解槽氯氣的“抽拉”卻相當(dāng)困難，夏季出現(xiàn)這種情況屢見不鮮。

　　③進(jìn)氣溫度影響主機(jī)軸功率。一般說來，進(jìn)氣溫度升高會使主機(jī)輸送氣量（重量流量）降低，而壓縮機(jī)的軸功率為：

　　N_pol=G·h_pol/102·η_pol

　　由計算式可知，在轉(zhuǎn)速不變的情況下，壓縮機(jī)軸功率是與重量流量成正比，因此進(jìn)氣溫度升高可以使主機(jī)的軸功率下降，同時使葉輪對氣體所作的功也將減少。同樣主機(jī)的軸功率與進(jìn)氣溫度成反比，用數(shù)學(xué)表達(dá)式：

　　N_pol·T_J=N_pol′·T_J′

　　式中的N_pol、N_pol′分別為變化前后的壓縮機(jī)軸功率；T_J、T_J′分別為變化前后的進(jìn)氣溫度。當(dāng)然隨著進(jìn)氣溫度的上升，機(jī)組的排出壓力也隨著下降。

　　b、離心式壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力的影響

　　壓縮機(jī)的進(jìn)氣壓力是影響機(jī)組性能曲線的重要參數(shù)。在進(jìn)氣溫度不變的情況下，將會影響到進(jìn)氣的重度。一般來說，進(jìn)氣壓力增加，那么氣相重度增加，這是依據(jù)氣體方程式得到的：

　　PV=nRT or P=GRT/VM=γRT/M

　　式中：

　　P——?dú)怏w壓力，

　　V——?dú)怏w的容積，

　　G——?dú)怏w的重量，

　　R——?dú)怏w常數(shù)，

　　T——?dú)怏w溫度，

　　M——?dú)怏w分子量，

　　γ——?dú)怏w重度。

　　在容積流量不變的情況下，壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力與重量流量成正比。

　　G′/G=P_J′/P_J

　　此外，由于進(jìn)氣壓力并不影響壓縮氣體所需要的能量頭以及葉輪對氣體所作功需要的能量頭，因此氣體的壓力升高比不會改變。可見機(jī)組的排氣壓力與進(jìn)氣壓力也成正比。

　　P_J′/P_J=P_c′/P_c

　　壓縮機(jī)的軸功率因?yàn)橹亓苛髁颗c進(jìn)氣壓力成正比，也與進(jìn)氣壓力成正比。

　　N_pol′/N_pol=P_J′/P_J

　　在實(shí)際的運(yùn)行過程中，壓縮機(jī)的進(jìn)氣壓力對機(jī)組運(yùn)行的影響很大。一般的進(jìn)氣壓力是負(fù)壓，而負(fù)壓不能太高。要是進(jìn)氣負(fù)壓太高的話，壓縮機(jī)的輸送氣量將會下降（重量流量）；此外，機(jī)組的排出壓力也不會太高，葉輪作功也不多。如果壓縮機(jī)的進(jìn)口“負(fù)壓”太高，首先要想到從電解槽出口的陽極氯氣總管至離心式壓縮機(jī)的進(jìn)口段的阻力太大（或有堵塞的可能，要么鈦冷卻器氯水結(jié)冰，要么硫酸除霧器濾網(wǎng)堵塞等）。在排除故障之后，仍然顯得“負(fù)壓”過高，只能在“負(fù)壓段”增設(shè)鈦制的鼓風(fēng)機(jī)來增加壓力，促使離心式壓縮機(jī)的壓力上升，來實(shí)現(xiàn)提高輸送能力、增加主機(jī)出口壓力的目的。

　　c、輸送介質(zhì)性質(zhì)變化的影響

　　對于輸送介質(zhì)性質(zhì)的變化，僅兩個主要參數(shù)有關(guān)。即氣體分子量與比熱比（絕熱系數(shù)）。對氯氣離心式壓縮機(jī)來說，在運(yùn)行過程中，輸送介質(zhì)就會出現(xiàn)空氣、淡氯氣、濃氯氣等介質(zhì)的變化，因此也要予以重視。

　　①分子量的影響

　　首先，在容積流量一定的情況下，氣體的分子量（介質(zhì)）越大，氣體的重度也越大（稱為重氣體），因此重量流量越大。重量流量與分子量成正比。

　　G′/G=M′/M

　　式中的G′、G分別表示變化前后的重量流量，M′、M分別表示變化前后的分子量。

　　這就讓我們聯(lián)想到氯氣離心式壓縮機(jī)組與電解槽同步開車時，機(jī)內(nèi)主要輸送介質(zhì)是空氣。隨著電解通電開車，機(jī)內(nèi)的輸送介質(zhì)成為較淡的氯氣和較濃的氯氣。與空氣相比，氯氣要比空氣重2.5倍。

　　其次，隨著氣體分子量的增加，介質(zhì)就越容易受到壓縮，壓縮氣體所需要的能量可以少一些。在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不變和氣體容積流量不變的前提下，葉輪作功所產(chǎn)生的能量頭顯然也是不變的，因此分子量大一些的氣體，重度也大。要想使氣體的壓力升高比增加，必須使機(jī)組的排出壓力在進(jìn)氣壓力一定的前提下也大幅度增加。還是用空氣與氯氣來比較，在同樣的容積流量的情況下，前者排出壓力為0.1MPa，而后者的排出壓力就為0.35MPa。

　　最后，氣體分子量越大，它的重量流量也越大。軸功率與重量流量成正比，

　　N_pol′/N_pol=G′/G=M′/M

　　在實(shí)際的運(yùn)行中我們會發(fā)現(xiàn)，機(jī)組在空氣狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時，主機(jī)的電流指示比較低，所消耗的功率也較少；在氯氣狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時，主機(jī)的電流指示就高，所消耗的功率也相應(yīng)增大，緣由就在于此。

　　②比熱比的影響

　　比熱比K是等壓比熱Cp與等容比熱CV之比，又稱為絕熱指數(shù)（adiabatic index）。它對重量流量并沒有太多的影響，但是它對壓縮比有些影響。

　　h_pol=K/(K-1)·RTJ(ε^(K-1)/Kηpol-1)

　　從多變壓縮能頭的計算式可以看到，在壓縮能頭、進(jìn)氣溫度不變的情況下，壓縮比ε與絕熱指數(shù)K有一定的影響關(guān)系。但是總體上絕熱指數(shù)的變化不太大，對壓縮比的影響也不是很大，那么對功率的影響也就很小了。

　　綜上所述，分析了幾個主要參數(shù)在轉(zhuǎn)速、容積流量相同的情況下，離心式壓縮機(jī)的重量流量與進(jìn)氣壓力、輸送介質(zhì)的分子量成正比；與進(jìn)氣溫度成反比。壓縮機(jī)的排出壓力與進(jìn)氣壓力成正比；排出壓力隨著進(jìn)氣溫度的降低、氣體分子量的增加而增加。壓縮機(jī)的功率與進(jìn)氣溫度成反比，隨著進(jìn)氣壓力、氣體分子量增加而增加（成正比關(guān)系）。以上這些參數(shù)間的變化關(guān)系在日常操作運(yùn)行中必須了解掌握。

　　由于壓縮機(jī)特性曲線的任何變化，在一定運(yùn)行工況條件下還可能出現(xiàn)“喘振”。所以希望壓縮機(jī)運(yùn)行過程中盡可能保持壓力不變，氣體的容積流量可以改變。如果進(jìn)氣溫度升高比較多，或者輸送介質(zhì)分子量減少很多（壓縮機(jī)內(nèi)抽入空氣），就有可能使壓縮機(jī)處于“喘振”工況條件之下運(yùn)行（從性能曲線上看，壓縮機(jī)處于喘振區(qū)域之內(nèi)）。從分子量變化對性能曲線的影響圖中可以看出，氣體分子量M=71（氯氣）時，工作點(diǎn)處于性能曲線較為平坦的區(qū)域。但是分子量減少到M=29（空氣）時，要是主機(jī)保持出口壓力不變的話，工作點(diǎn)就處于性能曲線較為陡峭的喘振區(qū)域了。氣體的溫度升高也會帶來使壓縮機(jī)處于喘振工況的條件。一般對輸送介質(zhì)的分子量波動范圍作出規(guī)定，不能超過6～10%。

　　d、“進(jìn)氣狀態(tài)”變化和氣體性質(zhì)變化時性能曲線的換算

　　上面已經(jīng)簡單分析了氯氣離心式壓縮機(jī)的進(jìn)氣條件、氣體性質(zhì)變化對性能曲線的影響。那么如何根據(jù)這些條件變化對主機(jī)性能曲線的影響來估算性能曲線呢？在第一臺氯氣離心式壓縮機(jī)組投入運(yùn)行，取代了液環(huán)式壓縮機(jī)（納氏泵）之初，現(xiàn)場校核壓縮機(jī)性能。由于現(xiàn)場的工況條件（進(jìn)氣狀態(tài)、氣體性質(zhì)等）與機(jī)組在出廠試驗(yàn)時有所不同，就是說，在相同的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和容積流量條件下，壓縮機(jī)的排出壓力不同，因此必須適當(dāng)?shù)刈兏鼔嚎s機(jī)的轉(zhuǎn)速和容積流量。如何來改變呢？一個先決條件是要求壓縮機(jī)保持工作條件相似，希望氣體在主機(jī)流道流動與各類損失也相似，實(shí)際上是氣體流動速度三角形相似（影響各種流動等損失的主要參數(shù)馬赫數(shù)一樣）。

　　如圖所示，ΔOAB是相應(yīng)于進(jìn)氣溫度T1的葉輪進(jìn)口速度三角形，此時壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速是常數(shù)；如果進(jìn)氣溫度改變（如降低）為T1′，要保持容積流量也為常數(shù)，當(dāng)然要保持著相似的速度三角形。這樣就滿足了第一個條件（主機(jī)流道流動狀態(tài)相似）。但是未必能保持壓縮機(jī)的損失情況相同，無法滿足第二個條件（各類損失相似）。究竟是什么原因呢？因?yàn)闅怏w的馬赫數(shù)M不同。馬赫數(shù)是表征輸送介質(zhì)可壓縮性能的一個準(zhǔn)數(shù)。它是氣流速度C與該速度所在點(diǎn)氣體溫度下的音速a之比（M=C/a）。音速只與氣體的溫度有關(guān)，與氣體的壓力沒有關(guān)系的參數(shù)。溫度提高時會使音速變大，對于不同氣體來說，絕熱指數(shù)K和氣體常數(shù)R是不同的，因此音速也不同。而氣體常數(shù)R=848/μ，分子量大的氣體（如氯氣）音速也小，因?yàn)镽=（KgRT）^0.5。由此可見，氣體性質(zhì)參數(shù)K、R的任何變化以及進(jìn)氣溫度的任何變化，都會使音速發(fā)生變化。即使氣流速度不變，氣流的馬赫數(shù)也會發(fā)生變化。音速大，氣流的馬赫數(shù)減小；音速小，氣流的馬赫數(shù)增大。一般來說，氣流的馬赫數(shù)大于1，氣流就是超音速氣流；馬赫數(shù)小于1，氣流就是亞音速氣流。氣流馬赫數(shù)的變化使得氣體在流動過程中損失情況發(fā)生變化。為了同時滿足上面所述的兩個條件，只有依據(jù)工況條件的變化而使容積流量和圓周速度同時發(fā)生變化。這樣做既能滿足馬赫數(shù)不變，又能滿足速度三角形的相似。

　　例如：進(jìn)氣溫度降低至T1′，音速就會減少，成為a′=（KgRT′）^0.5為了保持氣流的馬赫數(shù)不變，相應(yīng)的氣流速度也必須減少，應(yīng)按照音速減少的倍數(shù)相應(yīng)減少。

　　a/a′=(T/T′)^0.5；

　　u₁′/u₁=c1′/c1=(T′/T)^0.5

　　or：h_pol′/h_pol=Q′/Q=(T′/T)^0.5

　　綜上所述，可以得出：

　　h_pol′=h_pol·(T′/T)0.5，or Q′=Q(T′/T)^0.5

　　其他，如氣體性質(zhì)的變化也和溫度變化一樣，要使轉(zhuǎn)速和容積流量也作出相應(yīng)的變動。這就意味著可以將原有特性的參數(shù)乘以相應(yīng)的比例系數(shù)就可以換成適應(yīng)新的情況。具體的換算方式是：

　　①對應(yīng)于原性能曲線上的數(shù)值（在P1、T1、R的情況下），容積流量為Q、主機(jī)轉(zhuǎn)速為n的話，換算到所求的性能曲線數(shù)值為（R′T′/RT）^0.5；

　　②對應(yīng)于原性能曲線上的數(shù)值（在P1、T1、R的情況下），重量流量為G的話，換算到所求的性能曲線數(shù)值為P′/P（RT/R′T′）^0.5；

　　③對應(yīng)于原性能曲線上的數(shù)值（在P1、T1、R的情況下），排出壓力為PC的話，換算到所求的性能曲線數(shù)值為P′/P；

　　④對應(yīng)于原性能曲線上的數(shù)值（在P1、T1、R的情況下），壓縮機(jī)軸功率為NK的話，換算到所求的性能曲線數(shù)值為P′/P(R′T′/RT）^0.5；

　　⑤對應(yīng)于原性能曲線上的數(shù)值（在P1、T1、R的情況下），壓縮比與多變效率之積為εηpol的話，換算到所求的性能曲線數(shù)值為1.0。

　　以上的換算方法中沒有反映出氣體比熱比（絕熱指數(shù)K），因?yàn)樵谶\(yùn)行過程中雖然會有一些變化，但是絕熱指數(shù)的變化并不大，因此可以不予考慮。如果輸送介質(zhì)完全不同，原則上破壞了相似條件；要做近似估算，也可以和進(jìn)氣溫度、氣體常數(shù)等一般處理。

　　至于不同轉(zhuǎn)速情況下的性能曲線換算在實(shí)際操作運(yùn)行中意義不是很大，因?yàn)槟壳皣鴥?nèi)的氯氣離心式壓縮機(jī)不管是進(jìn)口機(jī)組還是國產(chǎn)機(jī)組，原動機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速基本在運(yùn)行過程中沒有什么變化。

　　e、氯氣離心式壓縮機(jī)調(diào)節(jié)方式

　　[1]氯氣離心式壓縮機(jī)和管路的聯(lián)合運(yùn)行

　　氯氣離心式壓縮機(jī)組的工作點(diǎn)是與壓縮機(jī)所在管路系統(tǒng)的特性曲線密切相關(guān)的。所謂管路特性曲線就是當(dāng)管路工況條件固定時（如：氯氣用戶都能正常運(yùn)行，使管路中的氯氣壓力、流量等處于均衡狀態(tài)），氣體流過管路所需要的能量頭（h_tub）與管路流量（Q_J）之間的關(guān)系曲線。在分析管路特性曲線時，假設(shè)所有管路都處于壓縮機(jī)出口（不計壓縮機(jī)段間的管道，主機(jī)出口與整個氯氣管網(wǎng)相通連）。這樣壓縮機(jī)的進(jìn)氣條件（進(jìn)氣溫度與進(jìn)氣壓力）將不隨工況條件的變化而變化，管路所需的能頭（h_tub）可以用管端壓力（P_e）的大小來反映，因此管路特性曲線可以用P_e-Q_J來表示。

　　1）壓縮機(jī)正常工作時的工作點(diǎn)和氣體流量

　　①管路特性曲線（pipeline characteristic curve）

　　一般氯氣離心式壓縮機(jī)組是與出口的氯氣管網(wǎng)相串聯(lián)的，在正常工作狀態(tài)時，流過壓縮機(jī)的氣體容積流量必然等于流過管網(wǎng)的氣體容積流量。即：壓縮機(jī)輸送氣量GC=管網(wǎng)氣體流量Gtub；同樣，壓縮機(jī)的排出壓力也應(yīng)該與管網(wǎng)的“端壓”相等。也就是：壓縮機(jī)排出氯氣壓力PC=管網(wǎng)“端壓”PE。我們知道，管路特性曲線實(shí)質(zhì)上是一條二次曲線。在管網(wǎng)氯氣壓力十分穩(wěn)定的情況下，氯氣管網(wǎng)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。管網(wǎng)中的阻力系數(shù)、管網(wǎng)中某一處的截面積、某一處的壓力都是定值。“管端”的氯氣溫度也可以看作定值，與主機(jī)的排出溫度相同。對于局部管路的特性曲線來講是一條約45°向右上方舒展延伸的曲線。如果管網(wǎng)中的工作狀態(tài)出現(xiàn)變化，管路的局部阻力系數(shù)就會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致管路的特性曲線的斜率也發(fā)生變化。在用戶的使用氯氣量放大（用戶的氯氣進(jìn)口閥門開大）時，管路中的局部阻力系數(shù)減小，管路特性曲線的斜率也相應(yīng)減小，使得特性曲線伸展的角度（與橫坐標(biāo)流量相交的角度）變小，因此曲線顯得平緩舒展。相反，用戶的使用氯氣量減小（用戶的氯氣進(jìn)口閥門關(guān)小或關(guān)閉）時，使得管網(wǎng)中的氯氣流量失去了平衡；管路中的阻力系數(shù)增大，管網(wǎng)中氯氣“端壓”增高，管路特性曲線的斜率相應(yīng)增大，使得特性曲線伸展的角度增大，曲線顯得陡峭。由此可見，管路特性曲線是反映管網(wǎng)阻力損失為主的特性方程曲線。曲線所處的位置變動很直觀的反映出管網(wǎng)中氯氣“端壓”的高低、管路阻力損失的大小。

　　注：本文未完待續(xù)，更多精彩見下期！