一种单轴离心压缩机组及低能耗操作方法与流程

本发明属于透平压缩机领域，涉及单轴离心压缩机组，具体涉及一种单轴离心压缩机组及低能耗操作方法。

背景技术

单轴离心式压缩机广泛应用流程工业，具有运行稳定，可靠性高的特点。一般离心压缩机设计时，将按照用户提供的最严苛工况进行设计，保证压缩机能够提供满足工艺需求的最大流量和最大压比。而当工艺负荷发生变化时，比如需求的流量变小、出口压力降低等发生变化时，压缩机则需要进行调节来适应工艺变化的需求。

离心压缩机进行负荷调节的方式一般有节流调节、进口导叶调节、变转速调节和及回流调节。其中进口导叶调节与阀门调节类似，只是加入了部分改变叶轮做工的能力，较单纯的阀门调节相比，效率较高。但因结构复杂，在单轴离心压缩机上不常采用。

如果工艺装置需求的是压力和流量一定的工艺气体，而此时进入压缩机组的入口压力存在大范围波动时，压缩机按最低入口压力进行设计。当压缩机入口压力升高且变化幅度很大时，则只能采用入口节流调节或者回流调节来实现。进口导叶和可调叶片形式的调节方案结构复杂且调节范围有限，而变转速调节受限于转子动力学因素，要同时保证出口压力和流量恒定十分困难，只能在较小的变化范围内实现。但直接采用入口节流调节和回流调节的方案，机组综合运行效率低，经济性差。

当前出现这种入口压力工况变化特别大的做法一般是采用减压节流的调节方案，或者干脆设计成两台适应不同工况的压缩机来满足运行的节能要求。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种单轴离心压缩机组及低能耗操作方法，解决现有技术中的压缩机，当工艺要求出口压力和流量恒定而入口压力变化范围宽时，压缩机的综合运行效率低下的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种单轴离心压缩机组，包括单轴两段式离心压缩机，所述的单轴两段式离心压缩机分为一段离心压缩机和二段离心压缩机，其特征在于，所述的一段离心压缩机上设置有第一进气管和第一出气管，所述的二段离心压缩机上连接有第二进气管和第二出气管；

所述的第一进气管从进气端至一段离心压缩机之间依次串联有第一进气调节阀；所述的第一出气管从一段离心压缩机至火炬端之间依次串联有第一冷却器、四通分流节点和火炬调节阀；

所述的第二进气管从进气端至二段离心压缩机之间依次串联有第二进气调节阀、二段进气单向阀和四通合流节点；所述的第二出气管从二段离心压缩机至出气端之间串联有第二冷却器；

所述的四通分流节点和一段离心压缩机的入口之间连接有第一防喘振回流调节阀；所述的四通合流节点和第二冷却器的出口之间连接有第二防喘振回流调节阀；所述的四通分流节点和四通合流节点之间依次串联有一段出口切断阀和一段出口单向阀。

本发明还具有如下技术特征：

所述的单轴两段式离心压缩机通过增速机和变频调速电机驱动。

本发明还保护一种单轴离心压缩机组的低能耗操作方法，该方法采用如上所述的单轴离心压缩机组，实时监测进气端的来气压力，该方法具体包括以下步骤：

步骤一，当进气端的来气压力大于等于阈值时，使得单轴离心压缩机组从一段离心压缩机和二段离心压缩机同时高负荷工作到二段离心压缩机单独高负荷工作之间的切换实现在线不停机切换，

步骤二，当进气端的来气压力小于阈值时，单轴离心压缩机组从二段离心压缩机单独高负荷工作向一段离心压缩机和二段离心压缩机同时高负荷工作切换，该切换过程为在线不停机切换。

步骤一的具体过程为：

初始状态，一段离心压缩机和二段离心压缩机同时高负荷工作，第一进气调节阀开启，第二进气调节阀关闭，第一防喘振回流调节阀关闭，第二防喘振回流调节阀关闭，一段出口切断阀开启，火炬调节阀关闭；当进气端的来气压力大于等于阈值时：

步骤11，打开第二进气调节阀；

步骤12，关小第一进气调节阀，使得一段离心压缩机的入口压力降低，一段离心压缩机的出口压力也相应降低；

步骤13，当一段离心压缩机的出口压力降低至小于等于进气端的来气压力时，逐渐打开第一防喘振回流调节阀，第二进气管通过四通合流节点给二段离心压缩机补气，直至第一防喘振回流调节阀全开；

步骤14，完全关闭第一进气调节阀，关闭一段出口切断阀，一段离心压缩机实现自循环；

步骤15，开启火炬调节阀，一段离心压缩机中的自循环气体通过火炬端放空，使得一段离心压缩机处于低负荷运行状态，然后关闭火炬调节阀，切换完成，二段离心压缩机单独高负荷工作。

步骤二的具体过程为：

初始状态，一段离心压缩机低负荷工作，二段离心压缩机高负荷工作，第一进气调节阀关闭，第二进气调节阀开启，第一防喘振回流调节阀开启，第二防喘振回流调节阀关闭，一段出口切断阀关闭，火炬调节阀关闭；当进气端的来气压力小于阈值时：

步骤21，完全打开一段出口切断阀；

步骤22，完全打开第一进气调节阀；

步骤23，逐渐关小第一防喘振回流调节阀，一段离心压缩机出口压力逐渐升高；

步骤24，当一段离心压缩机出口压力大于等于二段离心压缩机的进气压力后，第二进气管对二段离心压缩机处于停止补气状态，关闭第二进气调节阀，切换完成，一段离心压缩机和二段离心压缩机同时高负荷工作。

所述的阈值为单轴离心压缩机组入口压力变化的中间范围值。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(ⅰ)本发明的压缩机组拓宽了单轴离心压缩机适应的入口压力波动工况范围，尤其适用于因入口压力的变化导致的总体需求压比变化在2倍以上的区间情况，提高了整体运行能效水平。

(ⅱ)本发明适用于将输入压力波动范围宽(要求压缩机工作压比变化范围大)的真实气体增压至输出压力和流量恒定的化工流程用单轴离心压缩机组的硬件配置与操作方法，通过这种硬件配置方案与操作方法的实施，扩大了机组能够适应的入口压力范围及提高了整体工况实际运行效率。

(ⅲ)本发明的操作方法通过改变压缩机的工作模式，来实现压缩机运行效率的提高，同时这种压缩机工作模式的改变是在线进行的。当压缩机进气压力升高时，需要压缩机工作的压比就低：当变化不大时，拟采用变转速调节的方式来进行高效调节；而当进口压力波动过大时，通过减少或增加压缩机实际参与有效工作的叶轮级数，并让不参与有效工作的叶轮处于低负荷下运行来降低机组驱动机功耗，从而提高系统效率。

(ⅳ)本发明的操作方法，可以实现在线不停车切换，可以实现当工艺系统要求压缩机出口流量和压力恒定时，拓宽单轴离心压缩机组能够适应的入口压力波动范围，同时提高在偏离设计工况较大的工况上的机组运行效率。这种配置方案与操作方法具体实现的解决方案为，将进口压力波动的范围分为两个区段，让压缩机组的进气压力在不同的区段内采取不同的工作模式：即根据实际需求压比情况，分配参与有效增压的压缩机级的数量。而在某一区段内入口压力的小范围波动，则采用变转速调节的方案。

附图说明

图1是本发明的整体连接关系示意图。

图中各个标号的含义为：1-一段离心压缩机，2-二段离心压缩机，3-第一进气管，4-第一出气管，5-第二进气管，6-第二出气管，7-进气端，8-第一进气调节阀，9-火炬端，10-第一冷却器，11-四通分流节点，12-火炬调节阀，13-第二进气调节阀，14-二段进气单向阀，15-四通合流节点，16-出气端，17-第二冷却器，18-第一防喘振回流调节阀，19-第二防喘振回流调节阀，20-一段出口切断阀，21-一段出口单向阀，22-增速机，23-变频调速电机。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

如何提高压缩机在入口压力波动大而要求出口压力和流量恒定时，偏离设计工况的各个工况下压缩机的运行效率，同时能够实现在线调节工况是本发明关注的问题。本发明的方案用来实现当工艺要求出口压力和流量恒定而入口压力变化范围宽时的压缩机综合运行效率，降低用户能耗。这种因入口压力变化，导致的压缩机输出的最大压比至少为最小压比的2倍以上。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

遵从上述技术方案，如图1所示，本实施例给出一种单轴离心压缩机组，包括单轴两段式离心压缩机，所述的单轴两段式离心压缩机分为一段离心压缩机1和二段离心压缩机2，所述的一段离心压缩机1上设置有第一进气管3和第一出气管4，所述的二段离心压缩机2上连接有第二进气管5和第二出气管6；

所述的第一进气管3从进气端7至一段离心压缩机1之间依次串联有第一进气调节阀8；所述的第一出气管4从一段离心压缩机1至火炬端9之间依次串联有第一冷却器10、四通分流节点11和火炬调节阀12；

所述的第二进气管5从进气端7至二段离心压缩机2之间依次串联有第二进气调节阀13、二段进气单向阀14和四通合流节点15；所述的第二出气管6从二段离心压缩机2至出气端16之间串联有第二冷却器17；

所述的四通分流节点11和一段离心压缩机1的入口之间连接有第一防喘振回流调节阀18；所述的四通合流节点15和第二冷却器17的出口之间连接有第二防喘振回流调节阀19；所述的四通分流节点11和四通合流节点15之间依次串联有一段出口切断阀20和一段出口单向阀21。

作为本实施例的一种优选方案，单轴两段式离心压缩机通过增速机22和变频调速电机23驱动。具体的驱动方式可以根据实际情况调整。

实施例2：

本实施例给出一种单轴离心压缩机组的低能耗操作方法，该方法采用如实施例1所述的单轴离心压缩机组，实时监测进气端7的来气压力，该方法具体包括以下步骤：

步骤一，当进气端7的来气压力大于等于阈值时，单轴离心压缩机组从一段离心压缩机1和二段离心压缩机2同时高负荷工作向二段离心压缩机2单独高负荷工作切换，该切换过程为在线不停机切换；

步骤一的具体过程为：

初始状态，一段离心压缩机1和二段离心压缩机2同时高负荷工作，第一进气调节阀8开启，第二进气调节阀13关闭，第一防喘振回流调节阀18关闭，第二防喘振回流调节阀19关闭，一段出口切断阀20开启，火炬调节阀12关闭；当进气端7的来气压力大于等于阈值时：

步骤11，打开第二进气调节阀13；

步骤12，关小第一进气调节阀8，使得一段离心压缩机1的入口压力降低，一段离心压缩机1的出口压力也相应降低；

步骤13，当一段离心压缩机1的出口压力降低至小于等于进气端7的来气压力时，逐渐打开第一防喘振回流调节阀18，第二进气管5通过四通合流节点15给二段离心压缩机2补气，直至第一防喘振回流调节阀18全开；

步骤14，完全关闭第一进气调节阀8，关闭一段出口切断阀20，一段离心压缩机1实现自循环；

步骤15，开启火炬调节阀12，一段离心压缩机1中的自循环气体通过火炬端9放空，使得一段离心压缩机1处于低负荷运行状态，然后关闭火炬调节阀12，切换完成，二段离心压缩机2单独高负荷工作。

步骤二，当进气端7的来气压力小于阈值时，单轴离心压缩机组从二段离心压缩机2单独高负荷工作向一段离心压缩机1和二段离心压缩机2同时高负荷工作切换，该切换过程为在线不停机切换。

步骤二的具体过程为：

初始状态，一段离心压缩机1低负荷工作，二段离心压缩机2高负荷工作，第一进气调节阀8关闭，第二进气调节阀13开启，第一防喘振回流调节阀18开启，第二防喘振回流调节阀19关闭，一段出口切断阀20关闭，火炬调节阀12关闭；当进气端7的来气压力小于阈值时：

步骤21，完全打开一段出口切断阀20；

步骤22，完全打开第一进气调节阀8；

步骤23，逐渐关小第一防喘振回流调节阀18，一段离心压缩机1出口压力逐渐升高；

步骤24，当一段离心压缩机1出口压力大于等于二段离心压缩机2的进气压力后，第二进气管5对二段离心压缩机2处于停止补气状态，关闭第二进气调节阀13，切换完成，一段离心压缩机1和二段离心压缩机2同时高负荷工作。

作为本实施例的一种优选方案，阈值为单轴离心压缩机组入口压力变化的中间范围值，避免频繁切换。

本实施例中，二段进气单向阀14，实现单轴离心压缩机组从二段离心压缩机2单独高负荷工作向一段离心压缩机1和二段离心压缩机2同时高负荷工作切换的过程中，自动阻断当一段离心压缩机1出口工艺气压力不断升高时，通过第二进气管5向一段离心压缩机1入口的逆流。

本实施例中，一段出口单向阀21的这种配置能后实现当一段离心压缩机1和二段离心压缩机2同时高负荷工作时，自动阻隔由第二进气管5进来的高压气体逆流至一段离心压缩机1，实现一段离心压缩机1和二段离心压缩机2的分离。

本实施例中，第一防喘振回流调节阀18和第二防喘振回流调节阀19，实现两段的独立防喘振控制和运行控制，从而实现当二段离心压缩机2单独高负荷工作时，二段离心压缩机2能够独立安全的运行。

本实施例中，一段出口切断阀20实现一段离心压缩机1在低压力自回流运行时防止高压气体通过一段出口单向阀21泄漏至一段离心压缩机离心压缩机1，造成能耗的增加。

具体应用例的计算分析：

如某燃气调压站装置，压缩机工作介质为天然气，其运行流量为45000nm/h，入口压力变化范围为4.5bar.a～16bar.a，出口压力要求稳定为28bar.a(这里忽略实际应用时允许的出口压力在小范围内的变化)。入口温度和冷却后的温度均为40℃。

根据上述实例，压缩机的设计压比为28/4.5＝6.2，实际运行的需求最小压比为28/16＝1.75。离心压缩机设计为两段结构，中间带有冷却器，分配一段离心压缩机设计压比2.5，二段离心压缩机设计压比为2.48(多段设计各级压比的匹配一般相当，根据实际所选的模型级可微调以实现最大设计工况效率)，一般能够达到的压缩机各段多变效率为：一段离心压缩机85％，二段离心压缩机75％(一般值，根据模型级的效率不同，实际会有差别，但差别不大)。

同时，一般工程应用上，两段式压缩机的变转速高效调节范围为80％～100％(级数越多，范围越窄)，因此上述条件下的两段同时工作变转速高效调节，压比调节范围为4.96～6.2。

基于上述实例，则转换的中间点阈值选为11bar.a～12bar.a，即进气压力逐渐变大至大于12bar.a时切换为仅二段离心压缩机增压模式，当进气压力逐渐降低值低于11bar.a时切换为压缩机两段同时增压模式，中间的范围为确认切换的过渡区间，避免出现若只设定一个值当进气压力处于该值附近时的控制系统频繁切换。

采用aspen-hysys进行模拟计算。

当压缩机入口压力为4.5bar.a时的需求压缩机最大出力工况轴功率为：一段离心压缩机1752kw，二段离心压缩机1984kw；综合轴功率3736kw。采用进口节流减压或者回流调节的方案，压缩机轴功率不会变化；

而采用变转速调节，当入口压力在4.5～5.65bar.a(压比4.96～6.2)可实现高效调节，假定调节过程压缩机各段的效率不变化(实际偏离设计点会微小降低)。其最小压缩机轴功率计算为(压缩机入口压力为5.65bar.a，出口压力不变，一段离心压缩机压比调整为2.23，二段离心压缩机压比为2.22)：一段离心压缩机1508kw，二段离心压缩机1705kw，综合轴功率3213kw；

当采用本发明方案时，由于一段离心压缩机自运行工况状态难以确定，假定其耗功为1705kw(实际通过操作，一段离心压缩机的功耗肯定会低于该值，但因实际压缩机运行状态复杂，无法进行准确的计算，此处暂按不节能考虑)，二段离心压缩机原设计压比为2.48，在区间内实行变转速调节，按80％估算最低高效区间，为压比1.98，此时对应的二段离心压缩机进口压力为28/1.98bar.a＝14.14bar.a。当二段离心压缩机进气压力为14.14bar.a时，可得二段离心压缩机的最大运行轴功率仅为1247kw；综合轴功率为2952kw。

综上，采用本发明方案，试算的模拟工况，相对目前的已有的常规组合调节手段，估算降低能耗至少261kw，综合能耗降低率＞8.12％。且该值还不包含一段离心压缩机低功耗运行所带来的节能效果。