任务五 压缩机送料工艺系统的调控
【任务导入】
气体物料因其具有可压缩性，输送过程的工艺参数的调控是操作的关键。下面通过对来自某一设备压力为1.2～1.6kg/cm2（绝压，1kg/cm2=98.07kPa）、温度为30℃左右的低压甲烷由压缩机送至下一工段燃料系统的操作训练，加深对气体物料输送的原理和操作方法的理解。
【任务实施】
一、工艺流程
压缩机的DCS图和现场图如图1-32和图1-33所示。
图1-32 压缩机DCS图
图1-33 压缩机现场图
1.工艺流程
在生产过程中产生的压力为1.2～1.6kg/cm2（绝压，1kg/cm2=98.066kPa）、温度为30℃左右的低压甲烷经VD01阀进入低压甲烷贮罐FA311，罐内压力控制在300mmH2O（2.94kPa）。甲烷从贮罐FA311出来，进入压缩机GB301，经过压缩机压缩，出口排出压力为4.03kg/cm2（绝压，即395.21kPa）、温度为160℃的中压甲烷，然后经过手动控制阀VD06进入燃料系统。
该流程为了防止压缩机发生喘振，设计了由压缩机出口至贮罐FA311的返回管路，即由压缩机出口经过换热器EA305和PV304B阀到贮罐的管线，返回的甲烷经冷却器EA305冷却。另外贮罐FA311有一超压保护控制器PIC303，当FA311中压力超高时，低压甲烷可以经PIC303控制放火炬，使罐中压力降低。压缩机GB301由蒸汽透平GT301同轴驱动，蒸汽透平的供汽为压力15kg/cm2（绝压）的来自管网的中压蒸汽，排汽为压力3kg/cm2（绝压，即294.20kPa）的降压蒸汽，进入低压蒸汽管网。
2.仪表说明
本操作系统的仪表说明见表1-13。
表1-13 压缩机相关仪表
注：1atm=101.325kPa；1mmH2O=0.0098kPa。
二、操作规程
1.冷态开车
（1）开车前准备工作
①启动公用工程：按公用工程按钮，公用工程投用。
②油路开车：按油路按钮。
③盘车：按盘车按钮开始盘车，待XN301转速升到199r/min时，停盘车。
④按暖机按钮，打开换热器冷却水阀门VD05，开度为50%。
（2）罐FA311充低压甲烷
①打开低压甲烷原料阀VD11，手动调节PIC303，打开PV303放火炬，开度为50%。
②逐渐打开FA311入口阀VD01，开度为50%。
③调整FV311顶部安全阀VD03开度，使贮罐FA311压力PRC304保持稳定。
④调节PV303阀门开度，使PIC303压力维持在0.1atm（10.13kPa）。
（3）透平单级压缩机开车
①手动升速。
a.缓慢打开透平低压蒸汽出口阀VD10。
b.将调速器切换开关切到HC3011方向。
c.手动缓慢打开HC3011，开始压缩机升速，开度递增级差保持在10%以内，使透平压缩机转速在250～300r/min。维持一段时间无异常后，开大HC3011，使压缩机转速升至1000r/min。
d.通过调节FV311顶部安全阀VD03的开度，使贮罐FA311压力PRC304保持稳定。
②跳闸实验。按动紧急停车按钮，压缩机转速XN301迅速下降为零。手关HC3011，关闭蒸汽出口阀VD10。等待半分钟后，按压缩机复位按钮。
③重新手动升速。开透平低压蒸汽出口阀VD10。打开HC3011，缓慢升至1000r/min，再升转速至3350r/min。
④启动调速系统。将调速开关切到PRC304方向。缓慢打开PV304A阀，若阀开得太快会发生喘振。使阀PV304B缓慢关闭，同时可适当打开压缩机GB301出口安全阀SV310的旁路阀VD13调节出口压力，使PI301压力维持在3～5atm（303.975～506.625kPa）范围以内，防止喘振发生。
⑤调节操作参数至正常值。
a.当PI301压力指示值为3.03atm（307.01kPa）时，一边关出口放火炬旁路阀VD13，一边打开VD06去燃料系统阀，同时相应关闭PIC303放火炬阀。
b.通过改变VD03大小，控制入口压力PRC304在300mmH2O（2.94kPa），慢慢升速。
c.逐渐开大阀PV304A，使压缩机慢慢升速，当压缩机转速达全速4480r/min左右，将PIC304切为自动，设定为295mmH2O（2.89kPa）。
d.将PIC303投自动，设定为0.1atm（表压，10.13kPa）。
e.联锁投用，顶部安全阀VD03缓慢关闭。
2.正常运行
（1）正常工况下工艺参数 见表1-14。
表1-14 正常工况下的工艺参数
注：1atm=101.325kPa；1mmH2O=0.0098kPa。
（2）压缩机防喘振操作 启动调速系统后，必须缓慢开启PV304A阀，此过程中可适当打开出口安全旁路阀调节出口压力，以防喘振发生。当有甲烷进入燃料系统时，应关闭PIC303阀。当压缩机转速达全速时，应关闭出口安全旁路阀。
3.停车操作
（1）正常停车过程
①停调速系统：确认解除联锁。
a.将PRC304切换为手动，逐渐减小PRC304的输出值，使PV304A关闭。
b.缓慢打开PV304B阀，降低压缩机转速。
c.将PIC303切换为自动，调大输出值，打开PV303阀排放火炬。
d.开启出口安全旁路阀VD13，同时关闭去燃料系统阀VD06。
②手动降速。
a.将HC3011开度置为100%，将调速开关切换到HC3011方向。
b.缓慢关闭HC3011，同时逐渐关小透平蒸汽出口阀VD10。
c.当压缩机转速降为300～500r/min时按紧急停车按钮，降低压缩机转速为0，关闭透平蒸汽出口阀VD10。
③停FA311进料。
a.关闭FA311入口阀VD01，用PIC303关放火炬阀PV303。
b.关闭FA311进口阀VD11，开启FA311泄料阀VD07，泄液。
c.关换热器冷却水阀VD05。
（2）紧急停车 按动紧急停车按钮，确认PV304B阀及PIC303置于打开状态。关闭透平蒸汽入口阀及出口阀。甲烷气由PIC303排至火炬。其余同正常停车。
4.常见事故现象及处理措施
本操作中压缩机常见的事故现象及处理措施见表1-15。
表1-15 压缩机常见事故现象及处理措施
【任务评价】
①能识读压缩机单元仿真工艺流程图；
②能正确地完成气体输送单元的开车、停车操作；
③能根据生产任务来调控工艺指标，并能正确判断事故并处理；
④能掌握相关基础理论。
【知识链接】
知识点 气体输送机械
气体输送机械，其作用与液体输送设备颇为类似，都是对流体做功，以提高流体的压力。气体输送机械在化工生产中应用十分广泛，主要用于：
（1）气体输送 为了克服输送过程中的流动阻力，需要提高气体的压力。
（2）产生高压气体 有些化学反应或单元操作需要在高压下进行，如氨的合成、冷冻等，需要将气体的压力提高至几十、几百甚至上千个大气压。
（3）产生真空 有些化工单元操作，如过滤、蒸发、蒸馏等往往要在低于大气压的条件下进行，这就需要从设备中抽出气体，以产生真空。
由于气体的可压缩性，输送机械内部的气体压力变化的同时，体积和温度都随之变化。气体输送机械可按其终压（出口气体的压力）或压缩比（出口与进口气体绝对压力的比值）来分类。根据终压大致将压送机械分为：
（1）通风机 终压不大于15kPa（表压）；
（2）鼓风机 终压为15～300kPa（表压），压缩比小于4；
（3）压缩机 终压在300kPa（表压）以上，压缩比大于4；
（4）真空泵 将低于大气压的气体从容器或设备内抽至大气中。
此外，输送机械按其结构与工作原理又可分为离心式、往复式、旋转式和流体作用式。
一、离心式通风机
1.离心式通风机的结构
离心式通风机的结构与离心泵相似，如图1-34所示，但也有其自身特点：通风机的叶轮直径一般比较大；叶片的数目比较多；叶片有平直、前弯、后弯三种；机壳内逐渐扩大的通道及出口截面常为矩形。离心式通风机的工作原理与离心泵完全相同。
根据所产生风压的大小，离心式通风机可分为：
（1）低压离心通风机 出口风压低于1kPa（表压）；
（2）中压离心通风机 出口风压为1～3kPa（表压）；
（3）高压离心通风机 出口风压为3～15kPa（表压）。
2.离心式通风机的性能参数
离心式通风机的主要性能参数有风量、风压、轴功率和效率，图1-35为其性能图。由于气体通过风机的压力变化较小，在风机内运动的气体可视为不可压缩，所以伯努利方程式亦可用来分析离心式通风机的性能。
图1-34 离心式通风机
图1-35 离心式通风机特性曲线示意图
（1）风量Q 是单位时间内从风机出口排出的气体体积，单位为m3/h或m3/s。离心通风机的风量取决于风机的结构、尺寸（叶轮直径与叶片宽度）和转速。
（2）全风压HT 是单位体积的气体流过风机时所获得的能量，单位J/m3或Pa。由于HT的单位与压力的单位相同，故称为风压。离心式通风机的风压取决于风机的结构、叶轮尺寸、转速与进入风机的气体密度。
离心通风机的风压一般通过测量风机进、出口处气体的流速与压强的数据，按伯努利方程式来计算风压。性能表上的风压，一般都是在20℃、常压下以空气为介质测得的，若实际的操作条件与上述的实验条件不同，应进行校核。
（3）轴功率与效率 离心通风机的轴功率为：
（1-30）
式中 N——轴功率，kW；
Q——风量，m3/s；
HT——风压，Pa；
η——效率，因按全风压定出，故又称为全压效率。
应注意，应用式（1-30）计算轴功率时，式中的Q与HT必须是同一状态下的数值。
3.离心通风机的选择
离心通风机的选择和离心泵的情况相类似，其选择步骤为：
（1）计算风压HT 根据工艺条件，先计算出输送系统所需的实际风压H'T，再换算成实验条件下的风压。
（2）确定风机类型 根据所输送气体的性质（如清洁空气，易燃、易爆或腐蚀性气体以及含尘气体等）与风压范围，确定风机类型。若输送的是清洁空气或与空气性质相近的气体，可选用一般类型的离心通风机，常用的有4-72型、8-18型和9-27型。前一类型属中、低压通风机，后两类属于高压通风机。
（3）确定风机型号 根据以风机进口状态计的实际风量与实验条件下的风压HT，从风机样本或产品目录中的特性曲线或性能表选择合适的机型。
每一类型的离心通风机又有各种不同直径的叶轮，因此离心通风机的型号是在类型之后又附注机号，如4-72No.12型通风机：4-72表示类型；No.12表示机号，其中12表示叶轮直径为12dm。
（4）核算轴功率 若风量用实际风量Q'，风压也用实际风压H'T；若全风压用校正为实验状态下的风压HT，风量也用实验状态下的风量。
二、鼓风机
1.离心鼓风机
离心鼓风机又称涡轮鼓风机，工作原理与离心通风机相同，结构类似于多级离心泵（见图1-36）。离心式鼓风机的蜗壳形通道亦为圆形，但外形直径与厚度之比较大，叶轮上叶片数目较多，转速较高，叶轮外周都装有导轮。气体由吸气口进入后，经过第一级的叶轮和导轮，然后转入第二级叶轮入口，再依次通过以后所有的叶轮和导轮，最后由排出口排出。由于在离心鼓风机中，气体的压缩比不高，所以无需冷却装置，各级叶轮的直径也大体上相等。单级出口表压多在30kPa以内，多级可达0.3MPa。
图1-36 离心式鼓风机
图1-37 罗茨鼓风机转子结构
2.罗茨鼓风机
化工生产中，罗茨鼓风机是最常用的一种旋转式鼓风机，其工作原理与齿轮泵相似。如图1-37所示，机壳内有两个渐开摆线形的转子，两转子的旋转方向相反，可使气体从机壳一侧吸入，从另一侧排出。转子与转子、转子与机壳之间的缝隙很小，使转子能自由运动而无过多泄漏。属于正位移型的罗茨鼓风机的风量与转速成正比，与出口压力无关。该风机的风量范围为2～500m3/min，出口表压可达80kPa，在40kPa左右效率最高。该风机出口应装稳压罐，并设安全阀。
流量调节采用旁路，出口阀不可完全关闭。操作时，气体温度不能超过85℃，否则转子会因受热膨胀而卡住。
三、压缩机
1.往复式压缩机
往复式压缩机的基本结构和工作原理与往复泵相似，如图1-38所示。但是，由于往复式压缩机处理的气体密度小，具有可压缩性，压缩后气体的温度升高，体积变小，因此往复式压缩机又有其特殊性。以单动往复式压缩机为例，其压缩循环过程包括四个阶段：压缩阶段、排气阶段、膨胀阶段和吸气阶段。
图1-38 往复式压缩机
压缩比：压缩机各段出口压力和进口压力的比值。当生产过程的压缩比大于8时，因压缩造成的升温会导致吸气无法完成或润滑失效或润滑油燃烧。因此，当压缩比较高时常采取多级压缩。所谓多级压缩是指气体连续依次经过若干气缸的多次压缩，两级压缩之间设置冷却器，从而安全达到最终压力。多级压缩的优点是：避免排出气体温度过高；提高气缸容积利用率；减少功率消耗；压缩机的结构更为合理，从而提高压缩机的经济效益。但若级数过多，则会使整个压缩系统结构复杂，能耗加大。
2.离心式压缩机
离心压缩机常称为透平压缩机，如图1-39所示，是进行气体压缩的常用设备。其主要结构、工作原理都与离心鼓风机相似，只是离心压缩机的叶轮级数多，可在10级以上，转速较高，故能产生更高的压力。由于气体的压缩比较高，体积变化就比较大，温度升高也较显著。因此，离心压缩机常分成几段，每段包括若干级，叶轮直径与宽度逐段缩小，段与段间设置中间冷却器以免气体温度过高。
图1-39 离心式压缩机结构图
1、1'—吸入室；2—叶轮；3—扩压器；4—弯道；5—回流器；6—蜗壳；7、8—前、后轴封；9—级间密封；10—叶轮进口密封；11—平衡盘；12、12'—排出管；13—径向轴封；14—径向推力轴承；15—机壳
离心压缩机流量大、供气均匀、体积小、机体内易损部件少、可连续运转且安全可靠、维修方便、调节方便、机体内无润滑油污染气体等一系列优点，但也存在着制造精度要求高、不易加工、给气量变动时压强不稳定、负荷不足时效率显著下降等缺点。近年来在化工生产中，离心压缩机的应用日趋广泛。而且，离心式压缩机已经发展成为非常大型的设备，流量达到几十万立方米，出口压力达到几十兆帕。