大化肥101J空压机能力核算及其分析陈宗华张亚丁陈彦峰吴龙（天华化工机械及自动化研究设计院） （宁夏化工厂）机进行了一系列计算和分析，分析了该空压机实际打气能力不足的原因，并指出了原设计存在的缺陷与不足。
1前言某厂二化肥装置是1992年从加拿大拉姆顿（ Lamton）厂买回重建的一套二手大化肥装置，日产合成氨约1000t，系凯洛格（ Kellogg）工艺。由于该装置系20世纪60年代设计与建造，并且该厂的冷却水温度、气象条件、天然气条件等与加拿大明显不同，因此导致该厂二化肥装置生产能力达不到907tN H /d原设计要求。
其中， 101J空压机能力不足是限制合成氨产量的主要瓶颈之一。为了提高装置产量，该厂拟从其一化肥引一股约5000Nm /h空气加入101J空压机高压缸入口。为此，需要对101J空压机进行能力核算。
2 101J空压机特点101J空压机的主要作用是向工艺气体提供工艺空气（ N H中的来源）和向气动仪表提供仪表空气。其主要特点有：（ 1）采用蒸汽轮机101JT驱动，齿轮增速器101 JG增速，整个机组共用一个公共底座。
（ 2）采用两个水平剖分型气缸，其中低压缸缸4段11级。
（ 3）高低压缸叶轮均采用顺排结构，配平衡盘平衡轴向力。
（ 4）叶轮结构除第1级为半开式三元叶轮外，其余10级均为闭式二元叶轮（其中第2、4弧叶片）。
（ 5）气动热力设计采用一元设计方法。
（ 6）采用无叶扩压器，其宽度小于叶轮出口叶片宽度。
（ 7）所有气封、轴封均采用迷宫密封。
（ 8）采用可倾瓦轴承，强制给油润滑。
空压机能力核算为了较准确地核算101J空压机的设计能力，既要了解其原始设计性能参数、几何参数、实际操作参数，又必须知道其多变效率、功率、压比等实际性能参数，因此需要进行一系列的计算和换算工作。
3. 1机组主要设计特性参数101J/JT空压机组主要由101J空压机、空压机驱动透平、101JG齿轮增速器、油陈宗华，男， 1965年10月生，硕士，高级工程师。兰州市， 730060.
系统、冷却器、分离器等组成，其配置图如图1所示。其中机组主机部分主要设计特性参数如下：（ 1） 101J空压机设计特性参数（）101 J空压机设计特性参数缸别低压缸高压缸型号段别级数介质空气相对湿度/压缩因子进口分子量定熵指数进口压力进口温度/℃出口压力出口温度/℃多变能量头质量流量进口容积流量标准容积流量功率/kW注： 不抽气为46450. 338kg /h，某厂为不抽气。
（ 2） 101JT驱动透平设计特性参数（见表蒸汽透平设计特性参数型号级数设计功率/kW额定功率/kW蒸汽温度/℃蒸汽流量/kg h（ 3） 101 JG齿轮增速器设计特性参数（见表101JG齿轮增速器设计特性参数输入转速/r min额定功率/kW输出转速/r min功率损失/kW增速比3. 2机组实际操作参数为便于计算和比较，现将某厂2001年5月空压机组实际操作参数整理列于表4.与表1比较可知，操作流量减小了，出口压力反而低了，这说明该压缩机设计能力偏低。
空压机实际操作参数名称第1段第2段第3段第4段进口压力p进口温度t出口压力p出口温度t进口容积流量q出口容积流量q质量流量q注：某厂当地大气压为0. 089M Pa，三个冷却器压力损失分某厂第4段入口前不抽气。
标准状态下空气（分子量28. 4）密度为1. 2671kg /m需要说明的是，测量参数中标准容积流量参数明显有误。因为压缩机存在内漏和外漏，中间冷却后又分离出少量水分，因此压缩机出口标准容积流量必然小于进口标准容积流量。计算时我们取进口标准容积流量35500Nm为质量流量计算依据。
3. 3主要几何参数（见表5）大化肥101J空压机能力核算及其分析空压机主要几何参数缸别低压缸（ 4C K高压缸（ 7C K段别进气法兰管线内径D实测mm出气法兰管线内径D实测mm级别叶轮进口内径叶轮进口外径叶轮叶片进口轮盘侧直径叶轮叶片进口轮盖侧直径D叶轮叶片进口直径D叶轮叶片进口宽度b叶轮叶片进口叶片角U叶轮叶片进口叶片数Z /片叶轮叶片进口厚度W叶轮叶片进口边倾角V/ （°）轮盖密封间隙s /m m轮盖密封直径D轮盖密封齿数z /个叶轮叶片出口直径D叶轮叶片出口宽度叶轮叶片出口叶片角U叶轮叶片出口叶片数/片叶轮叶片出口厚度W无叶扩压器进口直径D无叶扩压器进口宽度b无叶扩压器出口直径D无叶扩压器出口宽度b回流器进口直径D回流器进口宽度b回流器进口叶片角U回流器进口叶片数Z /片回流器叶片进口厚度W回流器出口直径D回流器出口宽度b回流器出口叶片角U回流器出口叶片数/片回流器叶片出口厚度W 3. 4多变效率计算多变效率是离心式压缩机特性参数中*重要的参数之一，其数值大小既反映了离心式压缩机设计水平，又直接决定了离心式压缩机实际操作能耗的高低[2 ].具体计算时，我们采用我院开发的离心式压缩机计算机辅助设计与分析计算大型软件包中之多变效率计算程序进行。从多变效率计算结果来看，设计参数中第1段设计不合理（效率太高，早期设计的半开式叶轮及二元闭式叶轮效率不会很高第2、3段的效率也偏高） ，操作参数中第2段的测量值存在较大的误差（第3段也有误差）。
3. 5性能参数计算性能参数主要是指流量、压比（或排气压力）、效率、功率、能量头、温升等，它们反映了离心式压缩机的性能。性能参数的计算采用离心式压缩机计算机辅助设计与分析计算大型软件包中之性能参数计算程序进行7分别列出了101 J空压机设计条件与某厂操101 J空压机设计条件下性能参数计算结果名称第1段第2段第3段第4段定熵指数k分子量_压缩因子z进口压力p进口温度t出口压力p出口温度质量流量压比X多变压缩功多变效率Z内功率N注：总内功率6406. 32kW，整机平均多变效率为77. 1.
101 J空压机操作条件下性能参数计算结果名称第1段第2段第3段第4段定熵指数k分子量_压缩因子z进口压力p进口温度t出口压力p出口温度t质量流量q容积流量q压比X多变压缩功多变效率Z内功率N注：总内功率6203. 24kW，整机平均多变效率为76. 9392.
作条件下计算出的性能参数。从操作压比数据来看，第2段压比偏高，第3段压比偏低，并且也说明高压缸（尤其是第3段）设计能力偏低。从操作温度来看，第2段出口温度偏高，第3段出口温度偏低（且进口温度高）。
3. 6性能换算由于某厂的操作条件（进口压力、进口温度、转速等）与加拿大拉姆顿厂的设计条件存在明显的不同，为了弄清101J空压机的实际工作能力，需要将某厂操作数据换算成设计条件下数据。为此，我们采用离心式压缩机计算机辅助设计与分析计算大型软件包中之变工况性能换算程序进行性能换算（见表8）表8空压机性能换算结果名称第1段第2段第3段第4段进口压力p进口温度t出口压力出口温度质量流量内功率多变效率Z压比X注：总内功率？N显然，与表1设计数据相比，换算后的质量流量第1、2段比设计流量高，第3、4段比设计流量低。其中第3段的质量流量低得很多，这说明第3段设计流量偏低，第3段是限制流量的瓶颈。
这里强调一下，由于操作数据测量结果存在误差，因此导致换算结果也存在误差。
3. 7气动复算气动复算是根据压缩机气流通道几何参数来计算压缩机流道各特征截面上的气动热力参数及整机性能参数的。具体计算采用离心式压缩机计算机辅助设计与分析计算大型软件包中之气动复算程序（效率法）进行，表9、表10分别列出了设计条件、操作条件下气动复算主要结果。鉴于设计数据和操作数据都存在偏差，大化肥101J空压机能力核算及其分析根据计算、操作、经验等综合考虑，四段的多此外，由于测绘几何数据有误差（例如理论设计时第6、7级应一样，第9、10级应一样，但实测结果不一样） ，必然导致计算结果存在一定偏差。
从设计条件下的计算结果来看，第1段、第2段的出口压力、出口温度与设计值几乎相同，第3段、第4段的出口压力、出口温度比设计值低，说明高压缸设计能力（打气气量、压比）偏低而且第3段、第4段内功率偏低导致整机计算内功率偏低，说明高压缸设计做功能力偏低（几何参数存在问题）。
从操作条件下的计算结果来看，第1段的出口压力、出口温度与测量值几乎相同，第2段出口压力、出口温度比测量值低，第3段出口压力低、出口温度高，第4段出口压力、出口温度比测量值低，说明低压缸设计能力足够，高压缸几何参数存在设计和测量偏差，并且也说明第2段、第3段的出口压力、出口温度都存在较大的测量误差，即第2段出口压力、出口温度测量值偏高，第3段出口压力、出口温度测量值偏低。
此外，从设计优化的角度看，气动复算结果也说明101J空压机存在以下设计缺陷与不足：（ 1）叶轮进口气流速度c没有按逐级递减原则设计，其中第2、4、6、11级c偏高（叶轮进口气流通道截面积偏小，影响叶轮通流能力）（ 2）叶轮叶片进口冲角i（ 3）叶轮叶片进口安装角U没有按30°～35°*佳角度设计（ 4）叶轮叶片进口相对宽度b不在（ 5）叶轮扩压度W在第2、5级偏大（ 6）流量系数h整机都偏大，并且第3、6、取值不合适（ 7）扩压器宽度b设计不合适（第3、4、6、按设计非*佳） （ 8）弯道进出口宽度比b太大（ 9）回流器叶片进口冲角i（ 10）第5级回流器出口宽度b设计太小出口直径D设计不合理（ 12）第6级与第7级、第9级与第10级分别设计成一样不合理（ 13）第1段多变效率取值偏高（ 14）各段压比分配不合理（未按*佳压比来分配）。
3. 8性能预测与气动复算不同，性能预测是采用流道损失法计算，通过给定压缩机流道所有几何参数来计算压缩机流道各特征截面上的气动热力参数，并预估压缩机变工况特性及性能曲线。表101J空压机设计条件下性能预测结果名称第1段第2段第3段第4段进口压力进口温度出口压力出口温度t转速质量流量q多变效率Z压比X内功率N注：总内功率为5823. 86kW.
101J空压机操作条件下性能预测结果名称第1段第2段第3段第4段进口压力p进口温度t出口压力p出口温度t质量流量q多变效率Z压比X内功率注：总内功率为5865. 75kW.
11、表12分别列出了设计条件、操作条件下性能预测主要结果。计算过程中高压缸第5、6、9级出现气流阻塞，证明他们的设计流量偏低。显然，性能预测结果与气动复算结果非常接近。
上述计算结果表明， 101J空压机高压缸设计能力不足，其中第3段流量为瓶颈。
必须指出，由于某厂二化肥101J空压机几何参数、操作参数等数据存在较大的测量误差，因此给计算与分析工作既增加了很大难度，又影响了计算结果的准确性。
空压机加气计算从某厂现有操作条件下的实际打气量来看， 101 J空压机能力不能满足日产千吨合成氨要求。究其原因，主要有三点：一是某厂当地大气压低而冷却水温度高二是机器机壳变形严重，存在较大泄漏三是机器设计制造年代较早，设计能力不足。为了提高合成氨产量，某厂拟从其一化肥引一股约5000Nm的空气加入二化肥101J空压机高压缸进口（ 3段进口）。下面来分析一下能否加入、能加入多少、加气后对101J空压机低压缸的影响等问题。
4. 1加气量计算向高压缸加气，如果高压缸不是流量设计瓶颈，那么高压缸理论上能够加气，且加气量应为高压缸*大打气量与现有打气量之差。经过计算和分析，高压缸在目前操作条件下加气量约为500Nm确定综合考虑到下述两个方面：一是现有操作能力向设计能力的换算二是加气量不断增加时出现的气流阻塞和性能分析。由于操作参数和几何参数都存在较大测量误差，因此该加气量是在目前条件下计算出的*大加气量。
4. 2轴向力计算向高压缸加气，对低压缸而言相当于增加了阻塞，低压缸操作点沿性能曲线向小流量方向移动，即低压缸排气流量减小、排气压力增大，从而导致轴向力增大。具体计算轴向力时采用离心式压缩机计算机辅助设计与分析计算大型软件包中之轴向力计算程序进行。其中设计条件下低压缸、高压缸轴向力分别为操作条件下分别为缸轴向力分别增加了1. 7N、84. 5N，比加气前分别增加了5. 2和31. 2.
由于加气量不大，低压缸轴向力变化不大，由加气前27342N变为加气后28759. 7N，只增加了5. 2.加气后的高压缸轴向力增加较大，主要原因是高压缸几何参数测量存在误差和加气后三段进口压力及进口温度变化所致。
5计算结果分析经过上述多变效率计算、性能参数计算、性能换算、气动复算、性能预测、轴向力计算等一系列计算，结果表明：（ 1）某厂101J空压机设计存在叶轮进口速度c偏高（第2、4、6、11级）、叶轮进口冲角i偏大、叶轮叶片进口设计不合理（叶片进口角、叶片进口相对宽度b未按*佳值设计）、叶轮扩压度W偏大（第2、5级）、流量系数h整机偏大（且第3、6、8级取值也不合适）、扩压器宽度b和弯道出口宽度b非*佳设计、回流器叶片进口冲角i偏大、第5级回流器出口宽度级）叶轮叶片出口直径D设计不合理、第1段多变效率取值偏高、第6、7级与第9、10级分别设计成一样不合理、各段压比未按*佳压比分配原则分配等一系列设计缺陷与不足。
（ 2）低压缸两段的出口压力、出口温度、内功率等与设计值吻合，高压缸两段的出口压力、出口温度、内功率等与设计值相比偏小，说明高压缸设计能力（打气量、压比等）不足，其中第3段打气量是瓶颈。
（ 3）操作参数的测量存在较大误差，如第2大化肥101J空压机能力核算及其分析段出口压力与出口温度都偏高，第3段出口压力与出口温度都偏低等。
（ 4）几何参数的测量存在较大误差（尤其是高压缸）。
（ 5）采用性能换算、气动复算、性能预测三种方法计算压缩机打气量，计算结果基本一致。
6结论（ 1）某厂二化肥101J空压机高压缸设计能力不足，整机设计存在许多设计缺陷与不足。
（ 2）某厂二化肥101J空压机实际操作能力不足，主要由某厂当地大气压力低、冷却水温度高、泄漏、设计能力不足等因素造成。
（ 3）某厂101J空压机第3段设计流量偏低，是限制压缩机打气量的瓶颈。
（ 4）现有条件计算表明，向第3段（高压缸入口）加气量约为500Nm /h，此股气对低压缸（第1、2段）性能及轴向力影响较小。
（ 5）某厂101 J空压机几何参数、操作参数存在较大测量误差。
7建议（ 1）由于可加气量太少，建议不要施工（从一化肥辅管道至二化肥101J空压机）。
（ 2）建议改善101J空压机各中间冷却器的冷却效果（如清洗、加大换热面积、采用新型高效换热器等）。
（ 3）建议对101 J空压机进行整机扩容节能技术改造，以显著提高合成氨产量和降低机组能耗。
1陈宗华。宁夏化工厂二化肥101J空压机能力核算报告。
化学工业部化工机械研究院， 2001.
2徐忠。离心式压缩机原理。北京：机械工业出版社， 1990.
3陈宗华等。离心式压缩机计算机辅助设计系统。化工机4陈宗华等。离心式压缩机的能力核算及其软件开发。化利用进行活塞式压缩机的热力复算蔡克霞包小俊王毅（宁夏大学机械系） （西北轴承股份有限公司）在实际使用活塞式压缩机的过程中，常碰到这样的情况：按额定工况设计的压缩机（结构尺寸已确定）遇到工况有较大的改变时，将使压缩机的级间压力、温度以至压缩机的功率、排气量等发生变化，为了掌握变化的程度，就必须进行复算性热力计算，首先是算出级间的压力。另外，生产上常遇到代用某些现成的压缩机来压缩非原定气体或非额定工况的情况，也应进行复算。再如，在压缩机的设计性热力计算过程中，由于圆整气缸直径也需要作复算性蔡克霞，女， 1967年2月生，副教授。银川市， 750021.
