离心及轴流式压缩机的应用及经济分析

炼油990712 炼油设计 PETROLEUM REFINERY ENGINEERING 　1999年　第29卷　第7期　Vol.29　No.7 1999 离心及轴流式压缩机的应用及经济分析 高建炜 摘要：从气动性能、结构及经济效益方面对离心式压缩机和全静叶可调式轴流压缩机 进行了详细的比较，分析了一定转速下压缩机的实际运行工况点偏离设计工况点时压 缩机效率的变化，根据压缩机的实际运行和调节过程分析了流道内气流的分离损失和 管网阻力损失对压缩机效率的影响。通过对5E1390-3.315/1.02离心式压缩机和AV40-9轴 流式压缩机压缩功的实际计算得出，使用AV40-9轴流式压缩机比5E1390-3.315/1.02离心 式压缩机每年可节电6.944×106 kW．h，节约压缩机运行费用3.472×106 RMB￥。 主题词：流化催化裂化装置　离心压缩机　轴流压缩机　压缩比　效率　能耗　经济 分析　比较 APPLICATION & ECONOMIC ANALYSIS OF CENTRIFUGAL AND AXIAL-FLOW COMPRESSORS Gao Jianwei Shanxi Air Blower Company(Xi'an,Shanxi 710611) Abstract Detail comparison between centrifugal compressors and adjustable full stator blade axial-flow compressors were carried out from the aspects of pneumatic characteristics,structure and economic benefits.The variation of the compressor efficiency was analyzed when the practical working point deviates from the design working point at certain rotating speed.The influences of both separation loss of gas flow in flow channel and tube network resistance on the compressor efficiency were analyzed according to the practical running and adjusting causes of the compressor.It was obtained by practical calculation of compressing works of the 5E 1390- 3.315/1.02 centrifugal compressor and the AV 40-9 axial-flow compressor that the latter can save electricity 6944000 kWh and operation cost 3472000 RMB￥ annually than that of the former. Keywords fluid catalytic cracking unit,centrifugal compressor,axial-flow compressor, compressing ratio,efficiency,energy consumption,economic analysis,comparison 1　压缩机选用方案的提出 　　离心式压缩机和轴流式压缩机广泛应用在冶金、石油化学、天然气输送、动力和 制药等工业部门。离心式压缩机普遍适用于流量为100～2 000 m3/min，压力为0.07～70 MPa的场合；轴流式压缩机普遍适用于流量为1 000～20 000 m3/min，压力为0.3～0.7 MPa的场合。因此，在一定的流量和压力下，既可选用离心式压缩机，也可选用轴流 式压缩机，关键是哪种压缩机方案更好和更经济。 file:///E|/qk/lysj/lysj99/lysj9907/990712.htm（第 1／9 页）2010-3-23 4:01:30 万方数据 炼油设计990712 　　例如，新建一套催化裂化装置，或扩大原有催化裂化装置的能力，须选用一台新 压缩机作为该装置的主风机。该压缩机的设计参数为进口流量(标准状态，下同)1 170 m3/min，排气压力为0.32 MPa左右。新选用的压缩机必须满足工艺操作系统的需要， 运行安全可靠，投资省，运行费用低，并具有良好的调节性能和灵活可靠的安全保护 系统以及易于检修和维护等优点。图1是催化裂化用压缩机的运行工况示意图。为方便 起见，用A，B，C代表夏季工况点；D，E，F代表年平均工况点；G，H，I代表冬季工 况点。 图1　催化裂化装置用压缩机的运行工况 2　气动性能比较 　　从图1可以看出，该压缩机的运行工况点A的风量和压比均大于工况点E的风量和 压比。假设工况点E作为压缩机的设计点，即进口流量为1 170 m3/min，排气压力为 0.32 MPa。若主风机选用离心式压缩机，由于受到离心式压缩机有效运行区的限制， 很难满足工况点A，B，D，G的风量及风压的要求。因此，当工艺系统要求压缩机必 须满足工况点A，B，D，G的风量时，只有采取降压操作的方法。由于受到其结构的 限制，离心式压缩机的可调节性能较差，要保证工况点C，F，I的风量及风压，只有采 取调节进口节流阀或关小管网中的阀门，但这样会给操作带来许多不便。调节进口节 流阀，将增大压缩机进口管道的压力损失。在压缩机出口压力保持不变的情况下，压 缩机的压比会增大，从而增加压缩机的能耗，增大压缩机运行的成本。 　　全静叶可调式轴流压缩机克服了用离心式压缩机作主风机的许多不利之处。首先 是该轴流式压缩机采用改变静叶片角度来代替调节进口节流阀，以改变流量的大小。 采用这种调节方式，不会增大进口管道的压力损失，而且由于进口流量的减小，进口 管道内气流的速度随之减小，因而将减小气流的沿程阻力损失，在压缩机排气压力保 持不变的情况下，不会因为压缩机压比的增大而增加压缩机的能耗。 　　全静叶可调式轴流压缩机静叶角度的改变可使气流流入动叶叶栅的相对速度方向 在流量改变时基本保持设计状态的方向，即保持冲角的最佳值变化不大［1］，从而可 避免气流的分离和喘振，扩大稳定工况区域。而当离心式压缩机流量增大时，进气角 增大，气流以负冲角进入叶道［1］。这时，气流射向吸力面,在工作面上将产生气流边 file:///E|/qk/lysj/lysj99/lysj9907/990712.htm（第 2／9 页）2010-3-23 4:01:30 万方数据 炼油设计990712 界层分离现象。当流量减小时，进气角随之减小，气流以正冲角进入叶道。这时，气 流射向压力面，在吸力面上将产生气流边界层分离现象。因此，由于受结构的限制， 离心式压缩机的稳定工况区域要比轴流式压缩机的小。 　　离心式压缩机和轴流式压缩机的特性曲线如图2和图3所示。图中曲线P为压缩机的 实际特性曲线；直线Pth为忽略摩擦损失和分离损失等其它损失的理想状态下的特性曲 线；曲线W为压缩机的功率曲线；Q max为最大流量，Q 0为设计流量，Q min为最小流 量，E为设计工况点。从图中可以看出，当轴流式压缩机的静叶角度固定不变(如图3中 的曲线3)时，轴流式压缩机的特性曲线要比离心式压缩机的曲线陡的多。所以，相对 于流量的微小变化，轴流式压缩机的排气压力呈急剧变化。当压缩机的转速一定时， 其有效工况范围是由喘振工况和滞止工况来限定的。由图2和图3可知，离心式压缩机 的有效工况范围(即Qmin和Q max之间的范围)比轴流式压缩机静叶角度固定不变时的工 况范围大，因此离心式压缩机对流量的变化有较大的适应性。而轴流式压缩机静叶角 度可调时对流量变化的适应性明显提高。 图2　离心式压缩机特性曲线 file:///E|/qk/lysj/lysj99/lysj9907/990712.htm（第 3／9 页）2010-3-23 4:01:30 万方数据 炼油设计990712 图3　轴流式压缩机特性曲线 注：曲线1～6为不同静叶角度时的特性曲线 　　在一定的的转速下，压缩机设计工况点E应位于压缩机的特性曲线的最佳效率区 内。在设计工况点E，由于气体的摩擦损失和分离损失最小，所以实际特性曲线在该点 接近理想状态下的特性曲线Pth。压缩机在E点附近工作，气体的流动处于最佳状态， 因此压缩机的效率最高。对于离心式压缩机来说，当压缩机的运行工况点偏离E点时， 效率的变化非常明显。对于全静叶可调式轴流压缩机来说，当静叶角度改变时，则有 相应的实际特性曲线P和相对应的理想状态下的特性曲线Pth。在实际特性曲线P上肯定 有一点接近理想状态下的特性曲线Pth，该点即为静叶角度改变后实际特性曲线P上最 佳效率点，因此静叶角度每改变一次，则有相应的一个最佳效率点。将这些点用曲线 连接起来，即为全静叶可调式轴流压缩机的静叶角度改变时的最佳效率曲线（在该曲 线上各点的效率并不是全等于轴流压缩机的最大效率），而一定转速的离心式压缩机 不可能有这一曲线。全静叶可调式轴流压缩机的运行工况点偏离设计工况点E时，静叶 角度随之改变，故效率的变化没有离心式压缩机那么明显。 　　在一定转速下，当全静叶可调式轴流压缩机的静叶角度增大时，特性曲线随之改 变，流量随之增大，最大流量Q max和最小流量Q min也相应地增大，喘振压力随之提 高。反之，当静叶角度减小时，流量随之减小，最大流量Q max和最小流量Q min也相应 减小，喘振压力随之降低。将静叶角度改变时的所有喘振点连接起来，即为轴流式压 缩机的喘振线。显然，在一定转速下的全静叶可调式轴流压缩机的喘振压力随着流量 的增大而提高，恰好与一定转速下的离心式压缩机的特性曲线相反(因为在一定转速下 的离心式压缩机的特性曲线仅有一条)。 　　轴流式压缩机的效率比离心式压缩机的效率高。由于压缩机流道中气体质点的运 动是十分复杂的三元流动，轴流式压缩机流道较短，气体的流动基本上是轴向流动， 所以减少了损失，提高了效率。气体在离心式压缩机的流道中流动时，有较多的急剧 流动转向，故气体流动过程中的损失较大。即使采用三元叶轮，离心式压缩机的最大 效率也不可能大于或等于轴流式压缩机的最大效率。离心式压缩机的最大效率为80% 左右，采用三元叶轮的离心式压缩机的最大效率为84%左右，而轴流式压缩机的最大 file:///E|/qk/lysj/lysj99/lysj9907/990712.htm（第 4／9 页）2010-3-23 4:01:30 万方数据 炼油设计990712 效率为89%左右。因此，轴流式压缩机的最大效率比离心式压缩机高出5～10个百分 点。 　　综上所述，轴流式压缩机在气动性能方面比离心式压缩机具有更大的优越性。 3　结构比较 　　离心式压缩机主要由机壳、转子、隔板、回流器、扩压器、轴承和密封件等组 成。气体在离心式压缩机中的运动是沿着垂直于压缩机轴的径向进行的。离心式压缩 机中气体压力的提高是由于气体流经旋转的叶轮时，气体受到离心力的作用而产生压 力所致。与此同时，气体获得速度，而气体流经叶轮、扩压器等扩张通道时，气体的 流动速度又逐渐减慢而使气体压力得到提高。 　　轴流式压缩机主要由机壳、转子、叶片承缸、调节缸、扩压器、轴承和密封件等 组成。气体在轴流式压缩机中的运动是沿着平行于压缩机轴的轴向进行的。轴流式压 缩机中气体压力的提高是由于转子的旋转，使气体产生很高的速度，而当气体流过依 次排列着的动叶和静叶叶栅时，气体的流动速度就逐渐减慢而使气体压力得到提高。 　　具有相同进口流量和排气压力的离心式压缩机，其体积比轴流式压缩机大得多， 并且比轴流式压缩机重，这将增大基建费用。但轴流式压缩机在结构上比离心式压缩 机复杂得多，零部件的加工及安装精度要求也高。 4　经济效益比较 　　现将选用离心式压缩机或轴流式压缩机的经济效益作一比较。 　　某地需建一套催化裂化装置，当地气象条件列于表1，压缩机在各工况下的进口流 量和排气压力列于表2。为方便起见，表2中已将各工况下压缩机的排气压力换算为年 平均气象条件下的排气压力。 表1　气象条件 项　目 大气温度/℃大气压力/MPa 相对湿度，% 夏季 33.0 0.098 5 80.0 年平均 12.5 0.100 0 62.0 冬季 -5.2 0.102 5 50.0 表2　压缩机的进口流量和排气压力 工况点 A B C D E F G H I 进口流量/m3 ． min-1 1 3001 170995 1 3001 170995 1 3001 170995 排气压力(绝压)/MPa 0.320.320.280.320.320.280.320.320.28 换算后排气压力(绝压)/MPa0.3250.3250.2840.3200.3200.2800.3120.3120.273 　　若把年平均工况点E作为离心式压缩机的设计点，经计算可选用5E1250-3.263/1.02 离心式压缩机，将各工况点绘制在压缩机的特性曲线图上，如图4所示。从图4可以看 出，5E1250-3.263/1.02离心式压缩机远远不能满足A，B，D，G点的运行工况。在保证 A，D，G点排气压力不变的前提下，风量约差130 m 3/min。 file:///E|/qk/lysj/lysj99/lysj9907/990712.htm（第 5／9 页）2010-3-23 4:01:30 万方数据 炼油设计990712 图4　5E1250-3.263/1.02离心式压缩机运行工况区示意 　　为了满足工况点A的流量和压力，取工况点A作为离心式压缩机的设计点，经计算 可选用5E1390-3.315/1.02离心式压缩机，将各工况点绘制在压缩机的特性曲线图上，如 图5所示。压缩机满足了工况点A的流量和压力，且效率也较高。为了与轴流式压缩机 进行比较，假设工况点C，F，I均位于5E1390-3.315/1.02离心式压缩机的有效运行区域 内。 图5　5E1390-3.315/1.02离心式压缩机运行工况示意 　　若把年平均工况点E作为轴流式压缩机的设计点，经计算可选用AV40-9轴流式压 缩机，将各工况点绘制在压缩机的特性曲线图上，如图6所示。从图6可以看出，AV40- 9轴流式压缩机完全能适应催化裂化装置工况变化的需要，其运行工况区完全包含在压 缩机的有效使用区之内，A点的运行效率达85%，B，E，H点均处于压缩机的最高效率 区，效率达89%以上，压缩机全年有较长时间在高效区范围内运行。 file:///E|/qk/lysj/lysj99/lysj9907/990712.htm（第 6／9 页）2010-3-23 4:01:30 万方数据 炼油设计990712 图6　AV40-9轴流式压缩机运行工况区示意 注：曲线1～6为不同静叶角度时的特性曲线 　　为简便起见，这里仅对5E1390-3.315/1.02离心式压缩机与AV40-9轴流式压缩机的能 耗作一比较。将压缩机多变压缩功的计算公式［2］写成如下形式 式中：p——压缩机的多变压缩功，kW； 　　　p1——压缩机进口法兰处的压力(绝压)，MPa； 　　　p2——压缩机出口法兰处的压力(绝压)，MPa； 　　　T 1——压缩机进口法兰处的温度，K； 　　　Q——进口流量，m3/s； 　　　ρ——气体密度，kg/m3； 　　　cp——气体的等压比热容，kJ/(kg．K)； 　　　k——气体的多变指数； 　　　η——多变效率。 　　在计算5E1390-3.315/1.02离心式压缩机各工况点的多变压缩功之前，首先讨论一下 离心式压缩机的特性与管网特性之间的关系。如果把离心式压缩机的特性曲线和管网 的特性曲线绘在同一图上，显然，两条特性曲线的交点就是离心式压缩机的运行工况 点。如图7所示，正常管网特性曲线R1与压缩机的特性曲线的交点F1即为压缩机的设计 工况点。当压缩机的特性曲线不变时，关小管网中的阀门，管网阻力也随之改变。管 网特性曲线由R1变为R2和R3，这时压缩机的工况点沿压缩机的特性曲线移动到F2和F3 点。 file:///E|/qk/lysj/lysj99/lysj9907/990712.htm（第 7／9 页）2010-3-23 4:01:30 万方数据 炼油设计990712 图7　离心式压缩机运行工况点的变化 　　由图7可见，当要求压力不变而流量减小时(F1→F4)，需在管网、阀门上增加Δp1 的压力降；当要求流量减小而压力也降低时(F1→F5)，需在管网阀门上增加Δp2的压力 降，即增加了功耗。基于上述理由，可以算出各工况点的多变压缩功。 　　5E1390-3.315/1.02离心式压缩机和AV40-9轴流式压缩机各工况点的多变压缩功计算 结果见表3。表中内功率即压缩机的多变压缩功，不包括压缩机轴承等其它机械损失。 表3　5E1390-3.315/1.02离心式压缩机与AV40-9轴流式压缩机各工况点的多变压缩功 项　目 A B C D E F G H I 5E1390-3.315/1.02离心式压缩机 　多变效率，% 80.077.074.580.078.076.580.078.076.5 　内功率/kW 4 3354 2643 7904 3354 2643 7904 3354 2643 790 AV40-9轴流式压缩机 　多变效率，% 85.089.189.085.089.189.085.089.189.0 　内功率/kW 4 0253 4222 5283 9623 3692 4883 8603 2832 418 file:///E|/qk/lysj/lysj99/lysj9907/990712.htm（第 8／9 页）2010-3-23 4:01:30 万方数据 炼油设计990712 　注：计算采用大气压力为0.100 MPa，大气温度为12.5℃，大气等压比热容为1.011 kJ/ (kg ． K)。 　　从表3可以算出AV40-9轴流式压缩机与5E1390-3.315/1.02离心式压缩机内功率的 差，并取A～I九个工况点内功率差的平均值，计算得AV40-9轴流式压缩机比5E1390- 3.315/1.02离心式压缩机少耗功868 kW。假设压缩机每年欲运行8 000 h，AV40-9轴流式 压缩机就比5E1390-3.315/1.02离心式压缩机每年可节电6.944×106 kW．h，电价按0.5 RMB￥/(kW ．h)计算，每年可节约运行费用3.472×106 RMB￥。 5　结　论 　　对于整套装置来说，选用压缩机时，除从压缩机的性能、运行的经济性方面进行 比较外，还应进一步从投资、装置全年运行经济性以及操作维护等方面作综合的技术 经济比较，最终确定是使用离心式压缩机还是使用轴流式压缩机。 作者简介：高级工程师，1982年毕业于西安交通大学动力机械系压缩机及制冷技术专 业，一直从事透平机械设计工作。 作者单位：高建炜　陕西鼓风机公司(陕西省西安市710611) 参考文献 1　乐志成，吕文灿编.轴流式压缩机.北京：机械工业出版社，1980 2　徐　忠编.离心式压缩机原理.北京：机械工业出版社，1990 收稿日期：1998-10-30 修稿日期：1998-12-15 file:///E|/qk/lysj/lysj99/lysj9907/990712.htm（第 9／9 页）2010-3-23 4:01:30 万方数据 离心及轴流式压缩机的应用及经济分析 作者： 高建炜， Gao Jianwei 作者单位： 陕西鼓风机公司,陕西省西安市710611 刊名： 炼油设计 英文刊名： PETROLEUM REFINERY ENGINEERING 年，卷(期)： 1999,29(7) 被引用次数： 1次 参考文献(2条) 1.徐忠 离心式压缩机原理 1990 2.乐志成;吕文灿 轴流式压缩机 1980 引证文献(1条) 1.姚爱国 炼油厂压缩机组控制系统及改造[学位论文]硕士 2005 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_lysj199907012.aspx 本地磁盘 炼油设计990712