天然气涡旋压缩机增压装置供油流量的控制模型.pdf

第3 9 卷第4 期化工机械4 6 5 天然气涡旋压缩机增压装置供油流量的 控制模型+ 张萍料1 2 李超1谷波3 ( 1 兰州理工大学石油化工学院；2 甘肃建筑职业技术学院；3 上海交通大学制冷与低温工程研究所) 摘要对卧式天然气涡旋压缩机增压装置中的供油回路进行了全面分析，根据机械密封的热负荷需 油量和压缩机高效运行时压缩腔中气体润滑油的最佳含量建立了该装置总需油量的数学模型，由模型 可以看出只要装置中各结构参数和气体、润滑油的特性参数确定下来，其各部分的需油量就可以确定。 装置在运行时可根据计算出的最佳油量，通过传感器控制各个部分的供油量。实现供油系统的油量自动 控制。 关键词涡旋压缩机天然气供油流量自动控制 中图分类号T Q 0 5 1 2 1文献标识码 A 文章编号0 2 5 4 石0 9 4 ( 2 0 1 2 ) 0 4 J 0 4 6 5 - 0 5 由于涡旋压缩机具有特殊的结构和独特的运 行方式，其显著的特点是摩擦副多，对每个摩擦副 进行充分的润滑是至关重要的，润滑油不但起到 降摩擦、减磨损、减振及降噪等作用，而且工作腔 内的润滑油还可冷却被压缩气体，降低气体的排 气温度；机械密封中的润滑油带走摩擦产生的热。 通常工作腔内的润滑油来源有两个途径：一是直 接向工作腔喷油；二是曲轴箱内的润滑油经动涡 旋底盘与支架体支撑面的间隙流进工作腔。工作 腔内润滑油的数量对涡旋压缩机整机性能有很大 的影响，油量过多会降低压缩机的容积效率，增加 压缩耗功，且加重油分离器的负担，影响排出气体 的质量，因此笔者采用压缩腔内混合气体的最佳 含油量进行计算。 1 天然气涡旋压缩机增压装置简介 1 1 增压装置的作用 燃气轮机所需天然气的增压有两种情况：一 是由于天然气输配管线的压力不足，导致燃气轮 机燃烧所需供气量不足；二是增加燃气轮机进气 管中充量的密度，使得进入燃烧室的实际进气量 比自然吸气的进气量多，来达到增加燃气轮机功 率的目的。该增压装置的作用主要用于后者。 1 2 增压系统中涡旋压缩机内的油路 供给涡旋压缩机中的润滑油由两个用途：第 一部分用于涡旋压缩机机械密封的冷却及密封； 第二部分用于润滑涡旋压缩机的轴承和动静涡旋 摩擦副。涡旋压缩机内部供油位置如图1 所 示。天然气增压装置如图2 所示。 图1涡旋压缩机内部供油位置 1 3 增压系统的工况要求 ， 该增压系统中所用介质为天然气，使用单级、 风冷、涡旋式压缩机，驱动方式为电动机经皮带轮 传动；排气量1 5 m 3 m i n ；最大排气压力O 6 M P a ； 额定转速33 0 0 r m i n ；轴功率3 0 4 k W ；在进气温 国家自然科学基金项目( 5 0 9 7 5 1 3 2 ) 和兰州理工大学博士基金项目( B S 0 5 2 0 0 9 0 6 ) 。 一张萍，女，1 9 7 5 年1 0 月生，讲师。甘肃省兰州市，7 3 0 0 5 0 。 万方数据 4 6 6 化工机械 2 0 1 2 年 图2天然气增压装置 度小于2 0 的情况下排气温度小于1 2 5 ，经后 冷却器后小于8 0 。 2 循环油路的数学模型 2 1 第一循环油路 2 1 1 双端面机械密封的结构及密封机理 双端面密封结构如图3 所示，由一对垂直于 旋转轴线的端面在液体压力和补偿机构弹力的作 用以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而 构成防止流体泄露的装置。主要功能是将易泄漏 的轴向密封改变为较难泄漏的端面密封。该装置 由动环、静环、压紧元件和密封元件组成。其中动 环随机轴一起旋转，动环和静环紧密贴合组成密 封面，以防止介质泄漏。动环靠密封室内流体的 压力使其端面压紧在静环端面上，并在两环端面 上产生适当的比压、保持一层极薄的液体膜从而 达到密封的目的。压紧元件产生压力，可使压缩 机在不运转状态下也保持端面贴合，保证密封介 质不外漏，并防止杂质进人密封端面。密封元件 起密封动环与机轴的间隙、静环与压盖的间隙作 用，同时弹性元件对压缩机的振动、冲击起缓冲作 用。 图3双端面密封结构 2 1 2 机械密封摩擦副工作时的性能参数p 。” 机械密封摩擦副性能参数p 。秽表征密封面实 际工作状态，端面的发热量和摩擦功耗与其成正 比，其值必须小于许用值。即： ”_ p b ( 半) 署 ( 1 ) | Db “ = p 。( 早) 署( 1 ) 式中 D 。机械密封面内径，m ； D ：机械密封面外径，m ； n 压缩机的工作转速，r m i n ； p 。接触端面的比压； ”密封的平均线速度，m s 。 2 1 3 机械密封端面温度 考虑端面摩擦热和通过导热方式沿轴向导出 的摩擦热为： 缸= 蒜 ( 2 ) 式中6 密封面的宽度，m ； c 。散热系数； ，摩擦系数； A 。、A ：动、静环材料的导热系数。 2 1 4 双端面机械密封润滑油流量模型 在双端面机械密封处会产生大量的热，如果 这些热不被及时地排除，会在密封端面出现热裂、 变形等情况，因此要用润滑油将该处摩擦副中产 生的热量及时带走，即摩擦副产生多少热量，就需 要相应量的润滑油带走多少热量。密封腔内的热 量Q 主要来源有：密封面摩擦产生的热量Q ，、旋 转的密封件与流体搅拌产生的热量Q ：和轴承侧 传人的热量Q ，即旧1 ： G r 警 ( 3 ) 式中c 润滑油比热，J ( k g ) ； 卜一润滑油进入、流出密封腔的温 差，； 万方数据 第3 9 卷第4 期化工机械 4 6 7 p 润滑油密度，k g m 3 。 当转速较低时，Q ：、Q ，可以忽略不计。笔者 采用摩擦传热法计算Q 。，即： Q 。= 扫。以 每) G ：辈( 5 ) 。 p c # 式中A 密封面面积，m 2 。 由式( 4 ) 、( 5 ) 可得： G 。= 兰掣孟n 。 D c t 43 0 由以上计算可知，当机械密封的材料、结构、 电机转速和两侧气体的压力一定时，机械密封结 构中的润滑油为恒定流动，各参数为定值，可以根 据以上的计算过程得出机械密封所需的油量。 2 2 第二循环油路 图4 中3 G 。是向机头喷油量，G 。是主轴供 油量，G ：是主轴承流量，G ，是副轴承流量，G 。吸 人气体的含油量。涡旋压缩机润滑油第二循环流 程由两部分组成：一部分直接由机头送进吸气腔， 跟混合气体混合；另一部分通过曲轴中心孔，流经 各滑动轴承，然后汇集到背压腔，背压腔中的润滑 油经过动、静涡旋盘端面间隙进入吸气侧，与机头 加入的润滑油、气体混合后进人压缩腔“ 。 压缩机 i 丙潞j 体 口 图4第二循环油路流量分配图 2 2 1 通过动、静涡旋盘端面间隙的泄漏量 由机头喷入的油量为3 G 。，通过动、静涡旋盘 端面间隙的泄漏量为G 。，即： G 。：f 。笪垡等盟 ( 7 ) 喑 式中p 。吸气压力； R ，静涡旋盘内缘当量半径； 尺：动涡旋盘外缘当量半径； 6 动、静涡旋盘端面间隙高度； 肛。混合气体的粘度； f 。混合气体中润滑油的含油率； p 。混合气体的密度。 2 2 2 润滑系统最佳润滑油量分析 压缩腔气体中含油率亭为1 ： f = 蔫= 丧 ( 8 ) 产= 一= 一 Io ， G q + G l + 3 G oC q + G 4 、叫 式中 G 。天然气的质量流量。 涡旋压缩机的主要性能指标是容积效率和机 械效率，当压缩腔气体中的含油率处于5 一 1 0 时，涡旋压缩机处于高效区。所以，在此 范围选取适宜含油率f 。可使涡旋压缩机获得较 高的容积效率和机械效率。 由以上分析可得最佳润滑油流量G 。 为 8 圳1 ： c 4 0 p _ 南G - ( 9 ) G 。：生掣 ( 1 0 ) 眠p l n 者 式中肛。混合气体的含油率为手叩时的粘度； f 。混合气体中润滑油的含油率； p 。，混合气体的含油率为f 。，时的密度。 2 2 3 通过滑动轴承的润滑油流量 通过主轴中心孔的润滑油质量流量C ，为： c 。= 南u d 2 ( 1 1 ) 取油气分离器液面为基准面，由伯努利方程 可得分支点口压力为： l E 2 一址2 p = p d 一巩一J 曙一p 亡一P 三h o 一 ( 1 2 ) 式中g 重力加速度； 一。分支点与油池液面的垂直距离； p 。排气压力； u 0 _ 油气分离器液面流速； “曲轴中心孔润滑油流速； p 润滑油密度； m 一。润滑油从油池到分支点口流动时的 阻力损失。 通过滑动轴承的润滑油质量流量C ：、G ，为： G 2 ：票孕( p I _ P b ) ：叩H 2 印： ( 1 3 ) 6 22 面p - 一P b ) 2 叩“2 6 2 u 2 【1 3 ， G ，= 警( p I _ p b ) = 吣印，( 1 4 ) 式中 D ：、D ，滑动轴承I 、内径； 万方数据 4 6 8 化工机械2 0 1 2 年 ：、，滑动轴承I 、的宽度； p 。背压腔压力； “：、M ，润滑油通过滑动轴承I 、的 流速； 6 ：、岛滑动轴承I 、与轴的间隙； p 润滑油粘度。 由图4 可知，G 。= G ：+ G ，由伯努利方程可推 出背压腔压力为： p 。：p 。一昭乩。一p 坠 旦一p 乏 。 ( 1 5 ) 式中风山背压腔内润滑油液面与油分器液 面的垂直距离； u 。油分器液面流速； u 。背压腔内润滑油液面流速； 乏 ，。“润滑油从油分器到背压腔流动阻 力损失。 由于油分器和背压腔液面远大于曲轴中心孔 截面，可认为M 。一0 ，u 。一0 ，则： p b = p d p g 风一b p 乏以o b ( 1 6 ) 流动阻力损失乏I t m 。由两部分组成，即： 乏k o “= 乏。+ 乏k “ 或乏k o “= 乏k o 一+ = k 山” ( 1 7 ) 其中乏b “，乏 ，。山”，分别为润滑油通过滑 动轴承的流动阻力损失。为了讨论问题方便，将 这3 部分流动阻力损失表示为： I I 2 k 。一= 孝。 ( 1 8 ) U 2 。“= 善“ ( 1 9 ) U 2 ，b ”= f 。b ” ( 2 0 ) 其中参蚰，亭“，f 。”，均为各部分的阻力系数， 其值由该部分结构尺寸确定。从而得出： ，上2l 正2 p h = p d 一凰一艚一p ( f 。+ f “) ( 2 1 ) 或p b = p d 一风一b p g p ( f 。_ + f h _ 。 ) ( 2 2 ) U lU ， 涡旋压缩机的背压腔贮存气体平衡动涡旋盘 所受气体轴向力，这种平衡不仅要保证动涡旋盘 与静涡旋盘在压缩过程中不发生分离，防止气体 径向泄漏，而且还要保证两涡旋盘接触面上作用 力不致过大，避免动、静涡旋盘端面产生较大的摩 擦、磨损，降低机械效率，所以背压腔气体压力的 稳定性是至关重要的。在设计涡旋压缩机时，根 据动涡旋盘所受气体轴向力来确定背压腔气体压 力。由于背压腔与润滑系统联通，只有合理匹配 润滑系统的结构参数，才能保证背压腔气体压力 的稳定。当涡旋压缩机结构参数给定时，可以 根据以上公式算出G ：、C ，两个流量。 3结束语 天然气涡旋压缩机增压装置中的涡旋压缩机 存在各种摩擦副，适量的润滑油不仅可以降低功 耗，还起到降温的作用。笔者根据涡旋压缩机压 缩腔气体的最佳含油量建立了控制油量的模型， 对机械密封按其热负荷确定了润滑油的流量。此 结果为实现油量自动控制的仿真研究提供了一定 的理论依据。笔者下一步的工作是用M A T L A B 软件对该模型进行仿真研究，以验证其正确性。 参考文献 1 司玉宝，屈宗长，王迪生w X A 一1 7 型涡旋式空气压 缩机的开发 J 流体机械，2 0 0 0 ，2 8 ( 1 0 ) ：1 4 一1 6 2 李超，刘振全，赵荣珍双端面机械密封在涡旋式天 然气压缩机中的应用 J 流体机械，2 0 0 5 ，3 3 ( 7 ) ： 4 9 5 1 3 c h e nJ ，w a n gLc ，L isL s t u d ya n dP I 、o f o u n dA n a l y - 8 i 8o nG e n e r a lP r o f i l eT h e o r yo fS c r o U 8 ( i nC h i n e s e ) J c h i n e 8 eJM e c hE n g ，2 0 0 6 ，4 2 ( 5 ) ：l l 一1 5 4 L n c k m 8 n nAJ ，A l v e 8MVC ，B a r b 0 8 aJR A n a l y 8 i so f 0 i lP u m p i n gi naR e c i p r o c a t i n gC o m p r e 8 8 0 r J A p p l T h e mE n g ，2 0 0 9 ，2 9 ( 1 4 1 5 ) ：3 1 1 8 3 1 2 3 5 w a n gL ，z h a oY ，L iL ，e ta 1 R e s e a r c ho n0 i l - f r e eH e r - m e t i c R e 衔g e m t i o n s c r o U c o m p r e s s o r J P r o c I M e c h EP a nA ：J P o w e ra n dE n e r g y ，2 0 0 7 ，2 2 1 ( 7 ) ： 1 0 5 0 1 0 5 2 6 王君，李超，马小礼，等涡旋压缩机工作腔润滑油 密封的实验研究 J 润滑与密封，2 0 0 6 ，( 3 ) ：1 0 0 1 0 2 7 赵兴艳，刘振全涡旋压缩机润滑系统润滑油量优 化分析 J 甘肃工业大学学报，1 9 9 7 ，2 3 ( 2 ) ：3 7 4 0 8 李超，赵荣珍，刘振全，等涡旋式空气压缩机润滑 系统的研究 J 润滑与密封，2 0 0 4 ，( 4 ) ：1 0 4 一1 0 5 9 屈宗长，程志明，王迪生车用涡旋空调压缩机含油 量优化 J 河北工业科技，1 9 9 8 ，1 5 ( 2 ) ：l 一4 1 0 屈宗长，朱杰，李心伟，等多级涡旋压缩机压力比 与喷油量的优化 J 西安交通大学学报，1 9 9 j ，2 9 ( 1 1 ) ：4 4 4 8 ( 收稿日期：2 0 l l - 0 9 - 2 2 ) ( 下转第4 9 9 页) 万方数据 第3 9 卷第4 期化工机械 4 9 9 影响回弹率的最主要因素，圆弧半径跟波齿深度 影响较小，在波齿骨架厚度为2 5m m 的时候，有 最大的回弹率，回弹率最优化的组合为T 2 R 2 日l 。 4结束语 波齿骨架厚度r 是影响柔性石墨波齿复合 垫片的压缩率跟回弹率的主要因素，波齿骨架厚 度在2 0 2 5 m m 时拥有最好的压缩率和回弹 率，最优化方案为T l R 3 仍，此时柔性石墨波齿复 合垫片的压缩率为3 6 3 ，回弹率为5 1 4 ，均 符合标准要求；建议膨胀石墨波齿复合垫片在出 厂的时候进行预压缩处理，这样垫片在使用的过 程中就拥有较高的回弹率；下一步的工作就是用 实验的方法对模拟得到的结果进行验证。 参考 文献 陈庆，李君，卜辛国，等压力管道用金属波齿结构 力学性能研究 J 化工机械，2 0 l o ，3 7 ( 6 ) ：7 3 0 7 3 1 G B T1 9 0 6 6 1 2 0 0 3 。柔性石墨波齿复合垫片技术 条件 S 北京：国家质量监督检验检疫总局，2 3 G B T1 2 6 2 2 2 0 0 8 ，管法兰用垫片压缩率和回弹率 实验方法 s 北京：国家质量监督检验检疫总局， 2 0 0 8 赖盛刚，奚滕膨胀石墨密封材料及其制品 M 北 京：中国石化出版社，1 9 9 4 ( 收稿日期：2 0 1 1 - 0 3 3 1 ) F i n i t eE I e m e n tA n a I y S i SO fM e C h a n i C a IP r O p e r l t yO f C O r r u g a t e dF I e x i b l eGr a p h i t eM e t a IG a s k e t s L U OW e i ( & o o Z 矿| | I f e c d 良4 zd “P D 埘e rE 增i M e r i 昭，d ，班增妇e ，s 妨矿扎c l j I n o l o 盯，肫蛳增2 1 0 0 0 9 。傩i n 口) A b s t r a c tT h eo r t h o g o n a la n a l y s i 3a n df i n i t ee l e m e n tm e t h o dw e r eu 8 e dt oa n a l y z et h ei n n u e n c eo fm e t a ls k e l e t o nt h i c k n e s s ，c i r c l er a d i u sD fc o r l l l g a t e dm e n t a lg a s k e t sa n dc o 咖g a t e dm e t a ls h e e td e p t ho nt h ep r o p e r t yo f c o r m g a t e dm e t a lg a s k e t s T h ec a l c u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eg r e a t e s ti n n u e n c ec o m e sf r o mm e t a l8 k e l e t o n t h i c k n e s s ，a n dt h ec o r r u g a t e dm e n t a lg a s k e to p t i m i z e di nt h ep a m m e t e rd e s i g nh a sb e t t e rc o m p r e s s i o nr a t i oa n d r e b o u n dr a t e K e yw o r d sc o 哪g a t e dm e t a lg a s k e t ，o r t h o g o n a la n a l y s i s ，f i n i t ee l e m e n t ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y ( 上接第4 6 8 页) O i lF I O wC O n t r O IM O d e lf O rP r e S S U r i z a t i O nD e v i C eO f N a t u r a IG a sS c r O C O m p r e s s O r Z H A N GP i n 9 1 ”，L IC h a 0 1 ，G UB 0 3 ( 1 c o Z z e g eo ，P e 加c e m 面口Z 扎c l I | ，1 0 如盯，k 船l I I D uU n 沁r s 妙D ，n c J I l n D 如g y ， k n 抽D u7 3 0 0 5 0 ，C _ I l 讯n ；2 能瑚uc o 础t 兀c 砌n c 口t i o M Z 死以n 缸以C o Z 如伊，k 儿小o H7 3 0 0 5 0 ， C _ I I i n 口；3 t i t u t 已旷月毫7 咖，c 幻n 口n dc r ) ，0 笞e n 泌，l s 口，l g 口i ，i t o ，l g 妇i t 砖，s i t ) ，S d ，l g 口i2 0 0 2 3 0 ，c i n 口) A b s t r a c tT h eo i lf e e d1 0 0 pi nh o r i z o n t a ln a t u r a lg a ss c r o l lc o m p r e s s o rw a st h o r o u g h l ya n a l y 跹d 。a n db a s i n go n t h ea m o u n to ft h eo i lr e q u i r e db yt h eh e a tl o a do fm e c h a n i c a ls e a la n dt h eo i lc o n t e n ti nc o m p r e s s i o nc h a m b 打 w h i