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压缩机及泵驱动方案选择原则 内容摘要 通过对某工程实例中电动机驱动压缩机与蒸汽透平驱动压缩机两种方案的分析与比较以及类似工程的经验,提出了在工程设计中压缩机及泵驱动方案选择的原则.一,简述在许多化工装置中,都要采用泵及压缩机,且其能耗所占比例在一个化工装置中也是相当大的.一旦这些装置开车投入运行,就要求这些泵及压缩机需连续工作约一到二年.所以这些泵及压缩机的驱动器必须要求相当可靠,在保证装置运行和控制可靠的同时,还必须要求投资和能耗最低.由此可见,压缩机及泵驱动方案的选择显得尤为重要.常见的压缩机及泵驱动器如下:电动机驱动蒸汽透平驱动柴油机驱动燃气透平驱动压缩机及泵选择何种驱动器,要根据装置的工艺过程及装置所处的场所,地理位置及周围环境来决定.在无特殊要求时,一般柴油机及燃气透平作为驱动器较少使用,特别是天然气,分离气或石油裂解气等比较缺乏的地区,则无法使用燃气透平作驱动机.下面以某工程压缩机驱动方案的选择为例,来说明压缩机及泵驱动器选择电动机及蒸汽透平时的方案比较与选择原则.在某工程配套装置中,正常生产需要两台压缩机(一台空气压缩机,一台制冷压缩机),并且反应器副产一定数量的中压蒸汽.因此,压缩机的驱动方式,是采用电机驱动还是蒸汽透平驱动,这两种方案,那一种方案更节能,更经济,更合理.方案的比较与优化,显得比较重要.蒸汽系统简介反应器副产蒸汽参数为:压力P1=4.1MPa(G),温度t1=343,蒸汽量Q1=54.29t/h.热用户用汽参数为:压力P2=0.3MPa(G),温度t2=144的饱和蒸汽量Q2=44.84t/h.根据这样一组用汽,产汽条件,有下述两个压缩机驱动方案可供选择.现对这两种方案作比较.二, 压缩机驱动方案(一) 方案一 电机驱动压缩机方案(见图一)将副产蒸汽用于驱动背压式蒸汽透平发电,其背压排汽供给0.3MPa(G)的蒸汽热用户,发出的电并入厂内6000V电网. 而两台压缩机分别由两台防爆电机驱动,电机所需电能由厂内6000V电网提供.1, 发电机输出电功率计算由水蒸汽焓熵图(i-s图)查得:在 P1,t1条件下,蒸汽焓为:i1=3075kJ/kg,在P2,t2条件下,焓值为:i2=2735kJ/kg,绝热焓降至焓值为i绝=2590kJ/kg,则有效焓降为:i=i1-i2=340kJ/kg,绝热焓降为:i绝=i1-i绝=485kJ/kg,此时该透平内效率为:内=i/i绝=70%此值对背压式小功率透平而言,为正常值.输出的电功率为:(假定管道效率为管为98%,蒸汽透平机械效率机为97%,联轴器效率为联为99%,发电机效率为电为98%)N=iQ1管机联电/3.6=4728.8kW2,电动机输入功率计算由于驱动两台压缩机的透平功率N1,N2分别为 3450kW,1345kW,转速分别为7063r/min,9481r/min(转/分).为了使电机转速与压缩机转速相匹配,必须设增速器.假定电动机功率与蒸汽透平功率相同,则电动机从厂内6000V电网需要的电功率为:(假定厂内电网变送损失为变按3%计,增速器损失增按2%计, 电动机效率为电动为98%)N=(N1+N2)/(1-变) (1-增) 电动 =5147kW3, 二者功率差N=N-N=418.2kW由此可见,方案一中发电机输出电功率不能满足电动机的输入功率.(二) 方案二 蒸汽透平驱动压缩机方案(见图二) 将副产蒸汽用于驱动背压式蒸汽透平直接带动压缩机, 透平背压排汽供给0.3MPa(G)的蒸汽热用户.1, 进入两台压缩机蒸汽透平的蒸汽流量计算a, 进入空压机蒸汽透平的蒸汽流量计算由于空气压缩机属于国内制造厂商制造,使得压缩机配套透平也属于国内制造厂商配套,按照国内透平厂商提供数据,在N1=3450kW,n=7063r/min下,且进汽参数在P1,t1,排汽参数在P2(此时绝热焓降至焓值为i绝=2590kJ/kg)时,内=80.5%,透平进汽量按下式计算:(假定管道效率为管为98%)m1=N13.6/(i1-i绝)内管=32.46t/h b,进入制冷机蒸汽透平的蒸汽流量计算由于制冷压缩机属于国外制造厂商制造,使得压缩机配套透平也属于国外制造厂商配套,按照国外透平厂商提供数据,在N2=1345kW,n=9481r/min下, 且进汽参数在P1,t1,排汽参数在P2(此时绝热焓降至焓值为i绝=2590kJ/kg)时,内=67%,转速对效率的修正系数为A=0.95,过热度对效率的修正系数为B=1.006,背压对效率的修正系数为C=0.985,则透平进汽量按下式计算:(假定管道效率为管为98%)图一 电机驱动压缩机方案图二 蒸汽透平驱动压缩机方案m1=N23.6/(i1-i绝)内ABC管=16.15t/hc,两台透平总用汽量为m=m1+m2=48.61t/h.2, 透平用汽量与副产蒸汽的差值为m=m-Q1=-5.68t/h因此,方案二中副产蒸汽不仅满足了透平对汽量的要求,而且有节余.三, 方案的比较与分析(一),能量消耗电机驱动压缩机方案,不仅造成能量浪费,而且发电机输出电功率,不能满足电动机输入功率要求(差418.2kW).而蒸汽透平直接驱动压缩机方案,副产蒸汽不仅满足了蒸汽透平对汽量的要求,而且有节余(5.68t/h).多余的蒸汽,若送入厂外热电厂用于发电,则能多发出的电功率按下式计算:N1 =i凝m管机联电/3.6=909.5kW上式计算中,按凝汽机考虑,排汽压力按0.007MPa(A),此时蒸汽焓值为:i4=2450kJ/kg(假定该凝汽式蒸汽透平排汽湿度按5%考虑),则有效焓降:i凝=i1-i4=625kJ/kg,假定管道效率为管为98%,蒸汽透平机械效率机为97%,联轴器效率为联为99%,发电机效率为电为98%)由此可见,蒸汽透平直接驱动压缩机方案的能耗低于电机驱动压缩机方案,功率节省值为:N省 =N1+N=1327.7kW上述节省的电功率,每小时可发1327.7kWh电,每年操作小时数按8000小时计算,可发10621600 kWh /年,每kWh电价按0.18元计,每年可节约190多万元.其经济价值比较可观.上述定量分析的结果表明,在该工程中,蒸汽透平驱动压缩机方案比电动机驱动压缩机方案节能.(二), 主要设备购置费及占地由于本装置该压缩机所处场所电气防爆等级划分为dIIAT2,并且有开车外供汽源(由3.9MPa(G)的蒸汽管网供给),开车不需要设置大型防爆电机.因此蒸汽透平驱动压缩机方案比电动机驱动压缩机方案少两台大型防爆电机,少两台增速器,少一台6000kW背压透平发电机组,而多两台小功率透平.另外,蒸汽透平驱动压缩机方案比电动机驱动压缩机方案少一个发电厂房.上述定性分析的结果表明,蒸汽透平驱动压缩机方案比电动机驱动压缩机方案节省设备投资及占地面积.(三),蒸汽平衡结果采用了蒸汽透平驱动压缩机方案后,副产4.1MPa(G),343的蒸汽尚多余5.68t/h,经调节阀调压后,并入3.9MPa(G)的管网(3.9MPa(G)的蒸汽管网为开车蒸汽管网,由装置外供给).背压式蒸汽透平排出的0.3 MPa(G),143的蒸汽供热用户使用后还剩3.77t/h(m-Q3而得), 并入0.3MPa(G)的蒸汽管网,供其它工艺装置及公用工程用户使用.通过上述计算与分析,其结果列于表1中.方案比较表 表1序号比较类别方案一方案二结论1能量消耗不能自平衡 蒸汽有节余方案二优2主要设备费较多较少方案二优3占地较大较小方案二优4蒸汽平衡向外管网供低压蒸汽向外管网供中压蒸汽方案二优根据以上工程实例分析,可以得出,在有副产蒸汽或蒸汽汽源的时候, 蒸汽透平驱动压缩机方案不论从节能,投资,占地诸方面都比电动机驱动压缩机方案优越.因此就本工程实例而言,设计选用蒸汽透平驱动压缩机方案为最佳方案.四,结论根据以上工程实例及类似工程经验,在压缩机及泵的工程设计中,驱动器的选择一般按下述原则进行:(一), 500kW以下的驱动器, 不论是正常运行还是作备用,电动机作为驱动器应视为优选对象通常情况下,蒸汽透平的价格同它们的功率变化关系不如电机的价格同它们的功率变化关系那样大,要选择一台功率为500kW以下的驱动器,蒸汽透平比电机所需费用要高.因此,无论是正常使用还是作为备用,电机应作为优选对象.除非有特殊要求,比如NEMA SM23与API614规定:作为给蒸汽透平,压缩机及泵的润滑系统,密封系统及调节油系统供油的油泵应设主油泵和备用油泵,且主辅油泵应使用不同的能源做动力.除另有规定外,主油泵应由蒸汽透平驱动,而备用泵由电机驱动.(二), 500kW以上的驱动器, 蒸汽透平作为驱动器一般应视为备用如果所要求的驱动器功率超过500kW,则正常情况下使用电机作为驱动器,而蒸汽透平仅作为备用.如果该装置内为了达到蒸汽平衡,而不得不采用高中压蒸汽降压措施,则上述备用蒸汽透平作为正常运行,而电机作为备用.(三),1000kW以上的驱动器, 蒸汽透平作为驱动器一般应视为常用由于凝汽式蒸汽透平及抽凝式蒸汽透平比背压式蒸汽透平在同功率的情况下,要昂贵一些,且占地或土建投资要大,配管要复杂的多.但汽耗要小的多.因此,凝汽式及抽凝式蒸汽透平的选用,一般在蒸汽平衡允许的情况下,经技术经济比较后决定.(四),蒸汽透平驱动比电机驱动有如下突出的优点1,电动机启动时,瞬时电流高出额定电流510倍.如果电机功率相当大,则可能使电源的运行受到影响.而蒸汽透平驱动根本不存在这种情况.2,作为用电设备的电机,易引起火花,从而发生火灾的可能性比较大.而蒸汽透平不存在这种可能性.因此,从安全性方面蒸汽透平要安全的多.3,蒸汽透平的高转速能够适应高转速压缩机及高压泵的驱动要求.而电机则不能,必须增设增速器等设备.(五),相对于电机驱动而言蒸汽透平驱动的缺点是日常维修与停车维修的工作量比电机要大,且不易检修.轴承温度,轴振动,轴位移,润滑油压油温,油箱液位等参数的运行状况须随时得到监控.系统复杂,占地面积大.三,从汽机的发电量分析W=1(hgr-h抽)+2(hgr-hq)式中 1-抽汽占总汽量的份额;2-供汽占总汽量的份额;假定不考虑除氧器及低加的用汽量,则1+2=11.采用tgs=150C,2=1-1W1=(hgr-hq)-1(h抽-hq)2.采用tgs=104C,1=0,2=1-1=1 W2=hgr-h抽所以,当抽汽压力不等于供汽压力时h抽hq,W1W2,采用150C给水温度,发电量减少.需设中压加热器,加热蒸汽压力为1.3MPA以上,需抽汽.而采用104C给水,由于加热温度较低,低加及除氧器用汽均可采用背压汽加热.不影响发电量,仅供热量有所减少.四,从热量分析 由于抽出一部份蒸汽加热给水,也就是增加了系统的自用蒸汽量.供汽量,供热量减少,对供热不利.150C较104C给水温度,供汽量约减少56%.五,从操作,管理,经济角度分析增加一套加热系统,管道,阀门,仪表相对增加,势必造成投资增加及操作,检修量增加.六,结论从上面的分析,笔者认为,在以供热为目的的热电站中,应根据全厂热负荷平衡,进行技术经济比较,优先考虑抽汽背压机组,只有在不能满足热负荷平衡时,采用部份抽凝式机组作为调节.采用抽汽背压式机组时,锅炉给水温度采用104C在经济,技术上都是合理的.参考文献1锅炉原理及计算 清华大学热能工程系热能工程教研室编著,1985.2热能工程设计手册 化工部热工设计技术中心站, 1998.3全国化工热工设计技术中心站年会论文集4全国化工热工设计技术中心站年会论文集 .1）什么叫空气？什么湿空气？ 地球周围的大气，我们习惯上称它作空气。自然界中的空气是由多种气体（O2、N2、CO2等）混合而成的，水蒸气是其中的一种。含有一定量水蒸气的空气叫湿空气，不含水蒸气的空气叫干空气。我们周围的空气都是湿空气。在一定海拔高度下，干空气的组成成分及比例基本稳定不变，它对整个湿空气的热工性能无特殊意义。湿空气中的水蒸气含量虽然不大，但含量的变化对湿空气的物理性质影响很大。水蒸气含量的多少决定了空气的干燥和潮湿程度。冷干机的工作对象就是湿空气。2）什么叫饱和空气？ 在一定的温度和压力条件下，湿空气中水蒸气的含量（即水蒸气密度）是有一定限度的；在某一温度下，所含水蒸气的量达到最大可能含量时，这时的湿空气叫饱和空气。水蒸气未达到最大可能含量时的湿空气就叫未饱和空气。3）未饱和空气在什么条件下成为饱和空气？什么叫“结露”？ 在含水量不变的情况下，通过降低未饱和空气的温度可使之成为饱和空气。未饱和空气在成为饱和空气的瞬间，湿空气中会有液态水珠凝结出来，这一现象称之为“结露”。4）什么是大气压？什么是绝对压力？什么是表压力？ 包围在地球表面一层很厚的大气层对地球表面或表面物体所造成的压力称为“大气压”，符号为B；直接作用于容器或物体表面的压力，称为“绝对压力”，绝对压力值以绝对真空作为起点，符号为PABS；用压力表、真空表、U形管等仪器测出来的压力叫“表压力”（又叫相对压力），“表压力”以大气压力为起点，符号为Pg。 三者之间的关系是：PABS = B + Pg 压力的法定单位是帕（Pa），大一些单位是兆帕(MPa)=106Pa 1标准大气压 = 0.1013MPa 在旧的单位制中，压力用kgf/cm2(公斤/平方厘米)作单位，1 kgf/cm2=0.098MPa5）什么叫温度？常用温度单位有哪些？ 温度是物质分子热运动的统计平均值。绝对温度以气体分子停止运动时的最低极限为起点的温度，记为T。单位为“开（开尔文）”，单位符号为K。摄氏温度：以冰的融点为起点的温度，单位为“摄氏度”，单位符号为此外英美国家还经常用“华氏温度”，单位符号为F 温度单位之间的换算关系是： T(K) = t () + 273.16 t(F) = 1.8 t()+326）湿空气中水蒸气分压力指的是什么? 湿空气是水蒸气与干空气组合的混合物,在一定体积的湿空气里水蒸汽所占的份量(以重量计)通常比干空气要少得多,但它占有干空气相同的体积,也具有相同的温度.湿空气所具有的压力是各组成气体(即干空气与湿空气)分压力的和.湿空气中水蒸气所具有的压力,称为水蒸气分压力,记作Ps.其值反映了湿空气中水蒸气含量的多少,水蒸气含量越高,水蒸气分压力也越高.饱和空气中水蒸气分压力叫水蒸气饱和分压,Psb.7）什么叫空气的湿度?湿度有几种? 表示空气干湿程度的物理量叫”湿度”.常用的湿度表示方法的”绝对湿度”“相对湿度”和“含湿量”。在标准状态下，1m3容积中湿空气含有水蒸气的重量称为“绝对湿度”，单位是g/m3。绝对湿度只表明单位体积湿空气中，含有多少水蒸气，而不能表示湿空气吸收水蒸气的能力，即不能表示湿空气的潮湿程度。绝对湿度也就是湿空气中水蒸气的密度。湿空气中实际所含的水蒸气量与同温度下最大可能含有水蒸气量的比值称为“相对湿度”，相对湿度在0100%之间。值越小，空气越干燥，吸水能力越强。值越大，空气越潮湿，吸水能力越弱。8）什么叫含湿量？含湿量怎样计算？ 在湿空气中，1kg干空气含有水蒸气的重量叫做“含湿量”，常用d来表示，单位：g/kg干空气。含湿量的计算公式是：d=622 x Ps/（PPs） 或者 d622 x Psb/(P-Psb)式中:P空气压力（Pa），Ps水蒸气分压力（Pa）, 相对湿度（%）。从上式可以看出，含湿量d几乎同水蒸气分压力Ps成正比，而同空气总压力P成反比。D确切反映了空气中含有水蒸气量的多少。由于某一地区，大气压力基本上是定值。所以空气含湿量仅同水蒸气分压力Ps有关。9）饱和空气中水蒸气的密度取决于什么？ 空气中水蒸气的含量（水蒸气密度）是有极限的。在气动压力（2MPa）范围内，可认为饱和空气中水蒸气的密度只取决于温度的高低而和空气压力大小无关，温度越高，饱和水蒸气的密度越大，譬如，在40时，1m3空气，不论其压力是0.1MPa还是1.0MPa，它的饱和水蒸气密度都是51g。10）空气在加压状态下（即压缩空气）的相对湿度及含水量是怎样确定的？ 当压力P提高后，空气中饱和含湿量将减少。压缩空气的相对湿度及实际含水量s由下式确定： Pb *P/（Pb*P） b( kg/m3 ) 式中P P压缩前、后空气的绝对压力（Pa） Pb Pb压缩前、后与各自温度下的饱和水蒸气分压力（Pa） 压缩前空气的相对湿度（%），压缩后空气的相对湿度（%） b压缩后与其温度相对应的饱和水蒸气密度（g/m3） 若=100%，则压缩空气处于饱和状态。压缩空气的饱和水蒸气分压：Pb*Pb*P/P (Pa) 该式可用来确定压缩空气的“压力露点”与常压露点的对应换算关系。11）什么是空气的标准状态？ 在温度t=20，绝对压力P=0.1MPa，相对温度=65%时的空气状态叫空气的标准状态。在标准状态下，空气密度是1.185kg/m3。（空压机排气量、干燥机、过滤器等后处理设备的处理能力都是以空气标准状态下的流量来标注的，单位写作Nm3/min，也可m3/min后回ANR）。 实际空气状态与标准状态通过状态方程进行转换。状态方程有多种形式，其中一种形式是： P1*V1/T1=P0*V0/T0 式中：P气体的绝对压力（Pa），V气体的比容（m3/kg）， T气体的温度（K） （单位符号带脚标0的是标准状态参量，带1的是实际状态参量） 因为加压前后空气质量是不变的，利用状态方程可以计算出加压后空气的体积： V1P0*V0/T0(假定T1=T0) 12）什么是热量？ 热量是能量的一种形式。在物理学中用“比热”来计算热量，即Q=G*C*（t1-t2），式中：Q热量，G物体的质量，C物体的比热，t1,t2物体的初温和终温。热量单位是J（焦耳）。热量是依*温差（即t1-t2）传递的能量，没有温差就无所谓热量传递。 13）什么是显热？什么是潜热？ 物体在加热或冷却过程中，温度升高或降低而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量，称为“显热”。它能使人们有明显的冷热变化感觉，通常可用温度计测量出来。（如将水从20的升高到80所吸收到的热量，就叫显热。） 在物体吸收或放出热量过程中，其相态发生了变化（如气体变成液体），但温度不发生变化，这种吸收或放出的热量叫“潜热”。“潜热”为能用温度计测量出来，人体也无法感觉到，但可通过实验计算出来。 饱和空气在吸收一定冷量（即放出热量）后，一部分水蒸气会相变成液态水，而此时饱和空气温度并不下降，这部分放出的热量就是“潜热”。 14）什么是空气的焓值？怎样计算？ 空气的焓值是指空气所含有的决热量，通常以干空气的单位质量为基准。焓用符号i表示，单位是kj/kg干空气。湿空气焓值等于1kg干空气的焓值与dkg水蒸气焓值之和。 湿空气焓值计算公式化为： i=1.01t+(2500+1.84t)d 或i=(1.01+1.84d)t+2500d（kj/kg干空气） 式中： t空气温度 d 空气的含湿量 g/kg干空气 1.01 干空气的平均定压比热 kj/(kg.K) 1.84 水蒸气的平均定压比热kj/(kg.K) 2500 0时水的汽化潜热 kj/kg 由上式可以看出：（1.01+1.84d）t是随温度变化的热量，即“显热”；而2500d 则是0时dkg水的汽化潜热，它仅随含湿量而变化，与温度无关，即是“潜热”。 上式经常用来计算冷干机的热负荷。 15）什么是压缩空气？有哪些特点？ 空气具有可压缩性，经空气压缩机做机械功使本身体积缩小、压力提高后的空气叫压缩空气。压缩空气是一种重要的动力源。与其它能源比，它具有下列明显的特点：清晰透明，输送方