基于VB.NET的活塞式压缩机选型软件的开发.pdf

工艺优化石油化工设计()基于.的活塞式压缩机选型软件的开发戴 岳 李金波(中国石化工程建设有限公司 北京)摘要:面对活塞式压缩机选型的数字化、精准化、高效化等需求 以.作为开发平台开发出活塞式压缩机选型软件 软件主要由压缩气体的组分物性分析、常用单位换算和压缩机选型计算 个模块组成操作流程清晰界面简洁友好实用性强可靠性高关键词:压缩机 选型软件.热力学计算:./.活塞式压缩机广泛应用于石油化工领域是石化行业重要的设备之一主要用于提高气体压力和输送气体 活塞式压缩机在国内外拥有很长的发展历史设计理论已经趋于成熟但是按照传统人工的设计流程需要进行大量的数据查取和繁琐的重复计算造成产品设计周期长生产效率低 随着计算机技术的不断发展开发相适应的计算机软件应用于活塞式压缩机设计选型对工程技术人员的实际工作具有重要意义和实用价值 软件实现的编程系统及其功能模块.的活塞式压缩机选型软件(以下简称选型软件)是以 操作系统和 开发工具包应用 语言在.上编程(即.)开发而成并按照工程技术人员设计项目装置的流程从接收设计条件进行其性能参数的数据计算到完成设备选型从而设计成压缩气体的组分物性分析、常用单位换算和压缩机选型计算 个模块 个功能模块的实现.压缩气体的组分物性分析模块工程技术人员接收到的工艺条件中压缩气体的组分信息非常重要对压缩气体的组分进行物性分析是活塞式压缩机设计选型的重要一步也是其他设计计算的基础和前提 该模块可以根据工艺条件中压缩气体的组分输入各种介质的体积占比从而计算出混合气体的分子量、密度和气体绝热指数得到的分析数据结果也会应用到常用单位换算和压缩机选型计算 个模块 压缩气体的组分物性分析计算流程如图 所示图 压缩气体的组分物性分析计算流程根据气体的组分可以把气体分为单组分气体和混合气体 单组分气体只含有一种组分如收稿日期:作者简介:戴岳男 年毕业于北京化工大学过程装备与控制工程专业工学学士主要从事石油化工设备的设计工作工程师已发表论文 篇 联系电话:.石 油 化 工 设 计 年第 期(第 卷)氮气、氢气、氧气、甲烷、二氧化碳等 常见单组分气体的基本物理性质已经由实验室测得并可以从相关资料里查找 混合气体是含有多种组分的气体压缩机处理的气体实际上多为混合气体其物理性质不同于任何一种单组分的性质但是可以通过各单组分的特征参数关联计算求得混合气体的虚拟特征参数由混合气体的总体积与混合气体中各组分的体积占比的关系可得到混合气体的相对分子量:()/()()式中:混合气体的相对分子量 混合气体的体积分数 混合气体中各组分的分子量 混合气体中第 组分的分体积 混合气体的总体积再由混合气体的相对分子量和通用气体常数得到混合气体的气体常数:/()式中:混合气体的气体常数 通用气体常数确定了混合气体的气体常数之后用气体状态方程即可计算出混合气体的热力参数、标准状态下混合气体的气体密度和绝热指数 标准状态是指.(绝压)、时的状态以混合气体组分进行测试验证某火炬气所含混合气体组分的体积()占比为:氧气.、氮气.、一氧化碳.、二氧化碳.、氢气.、甲 烷、乙 烷.、丙 烷.、丁烷.、戊烷.软件的输入条件界面如图 所示 准确输入各气体组分的体积占比软件自动完成计算得到分析结果:火炬气的气体分子量为.标准状态下的气体密度./气体绝热指数为.软件的输出结果如图 所示.常用单位换算模块众所周知工艺条件里的各项参数由数据和单位组成没有单位的数据是无效和无意义的工艺参数没有单位或者定义不清的都需要首先与条件提出者进行规范参数的确认 比如流量是标准状态下的还是在某个指定状态下的?压力是绝对压力还是表压?这些工作是不容忽视和必须特别关注的 因为一旦对某项参数的单位理解有误其数据就会自带巨大的偏差使计算和选型结果也就随之偏离了真实的工艺条件 所以面对工艺参数使用的各种单位在进行往复压缩机选型计算之前应当将设计计算的工艺参数换算成软件输入要求的单位这对最终取得准确的活塞式压缩机设计选型结果是重要的一步 常用单位的换算流程如图 所示图 软件气体组分输入条件界面图 软件气体组分分析结果输出本软件据此研发出了压力、温度和流量的常用单位换算程序 年第 期(第 卷)戴 岳等.基于.的活塞式压缩机选型软件的开发 图 常用单位的换算流程.压力工程上常用的压力计量单位有:(标准大气压)、(巴)、(磅每平方英寸)、(兆帕)等()指的是绝对压力()指的是表压如无特别说明 均指表压(标准大气压)等于.()(兆帕)(巴)等于.(兆帕)(磅每平方英寸)等于.(兆帕)运用压力参数单位间换算单元可以实现压力参数在压力单位(兆帕)、(标准大气压)、(巴)、(磅每平方英寸)之间的数据换算 软件界面举例测试结果如图 所示图 软件压力单位换算测试结果.温度常用的温度计量单位有:摄氏温度()、绝对温度()、华氏温度()等 摄氏温度、绝对温度、华氏温度之间具有以下关系:.()()/.()式中:绝对温度 摄氏温度 华氏温度运用温度参数单位间换算单元可以实现温度参数在温度单位摄氏温度()、绝对温度()、华氏温度()之间的数据换算 软件界面举例测试结果如图 所示图 软件温度单位换算测试结果.流量标准状态下质量流量与体积流量之间具有以下关系:/()式中:质量流量/或/体积流量/或/气体密度/运用流量参数状态及单位间换算单元一可以实现流量参数从质量流量单位(/)向体积流量单位(/)的数据换算 计算过程需要用到流体介质标准状态下的密度如果在工艺条件中没有提供可以根据压缩气体的组分信息使用本软件的物性分析模块自行计算得到 软件界面举例测试结果如图 所示图 软件流量单位换算单元一测试结果运用流量参数状态及单位间换算单元二即可以实现流量参数从指定状态某个压力()和某个温度()下的体积流量(/)向标准状态下的体积流量(/)的数据换算根据气体状态方程/常数()式中:气体压力()气体体积 气体热力学温度即绝对温度 气体常数/()标准状态时的体积流量与某个压力和温度时的体积流量之间具有以下关系:石 油 化 工 设 计 年第 期(第 卷)/()式中:标准状态时压力即.()标准状态时温度即 .标准状态时的流量/指定状态时的压力()指定状态时的温度 指定状态时的流量/软件界面举例测试结果如图 所示图 软件流量单位换算单元二测试结果运用流量参数状态及单位间换算单元三可实现流量参数从美国常用体积流量单位(标准立方英尺/分钟 百万标准立方英尺/天)向标准状态时体积流量(/)的数据换算 软件界面举例测试结果如图 所示图 软件流量单位换算单元三测试结果.压缩机选型计算模块进入压缩机选型计算界面首先呈现的是工艺条件的输入窗口 选型计算需要的基本工艺条件参数包括压缩气体的绝热指数(无量纲)、压缩机入口气体的标准体积流量(/)、压缩机吸入条件即进气压力()、进气温度()和级间进气温度()压缩机排出条件即排气压力()以上都是选型计算前必须获取的工艺条件其中的压缩气体的绝热指数如果没有取得则需要获取到压缩气体的组分可以通过本软件的压缩气体的组分物性分析模块先行计算得到除了工艺条件的输入窗口该模块增加了对标准规范要求的响应条件输入窗口包括活塞许用速度和许用排气温度 两个参数都有默认的预设值也可以根据实际情况进行数值更改 石油、化学和气体工业设施用往复压缩机第 版中对活塞许用速度的说明:压缩机应保持低于或等于制造商规定的额定转速这样可以在规定的使用条件下少维修并无故障运行 同时可以规定活塞的最大许用平均速度和最大许用转速经验表明:对给定的使用条件不宜超过规定的极限 通常无油润滑压缩机的转速和活塞速度宜小于相当的有油润滑压缩机 根据/石油化工往复压缩机工程技术规定在气缸有油润滑的情况下压缩机的速度限制值应符合表 的要求表 压缩机的速度限制值压缩机功率/最大曲轴转速/()最大活塞平均速度/().在气缸无油润滑的情况下压缩机转速和对应的平均活塞速度应小于同机型的气缸有油润滑压缩机的平均活塞速度当压缩介质为饱和烃类气体及气缸为无油润滑时平均活塞速度应不大于./因为气缸有油润滑会将润滑油带到压缩气体当中污染压缩气体因此建议采用气缸无油润滑 本软件在设计工艺程序、设置参数时默认按气缸无油润滑选型预设的压缩机的活塞许用速度为./随着压缩机制造商技术水平的逐步提高不管是气缸有油还是无油润滑均能采用更高的压缩机转速在同样使用条件下依然能够保证易损件的设计寿命和压缩机的长期稳定运行 因此越来越多的压缩机制造商会对活塞许用速度的规定提出其技术偏离的质疑 压缩机转速越高意味着压缩机气缸直径和体积就越小机型和占地可能也会随之变小这样能进一步提高压缩机的经济性和竞争力所以在选型时也可以考虑对活塞许用速度做适当调整除特殊约定以外按照 规定最高预期排气温度应不超过 此限制适用于所有工况和负荷条件 温度限制宜较低的使用情况(如高压氢气或要求使用无油润滑气缸)应给予特 年第 期(第 卷)戴 岳等.基于.的活塞式压缩机选型软件的开发 殊考虑 需要特别注意的是对于富氢(分子量)预计排气温度不应超过 /与 的规定有相似内容并且对于分子量不大于 的富氢气体介质进一步补充说明:在气缸无油润滑的情况下气体压力在 ()及其以上时其预期排气温度应 本软件在设计压缩机工作程序设置参数时默认预设的排气许用温度为 选型时同样可以根据实际情况进行适当调整 比如乙烯气、乙炔气为防止不饱和烃于高温时分解排气的限制温度宜设为 为防止丙烷气、丁烷气温度高时会聚合成白色乳状物排气的限制温度宜设为 以上条件都确认并输入完毕后点击选型计算本软件就根据条件以及通过收集到的压缩机制造商典型机型的结构参数、运动和力学性能在后台建立起的数据库进行一系列计算最终得出压缩机的选型结果 选型结果包括压缩机机型、压缩级数、转速、轴功率、电机功率、气缸直径及个数 拥有了这些信息对用户或工艺专业提出的工艺条件配备了相应具象化的设备 再类比以往项目的设备信息工程技术人员可以开展设备的概算、用电以及占地条件的编制工作对编制压缩机的技术和询价文件也具有一定参照指导作用以某项目装置的再生氮气循环压缩机的工艺条件为例对本软件进行测试 压缩机工艺条件:进气标准体积流量为 /吸入条件的进气压力为.()进气温度为 排出条件的排气压力为.()气体摩尔组分为氮气、二氧化碳 气体绝热指数为.级间进气温度设定为 标准规范响应条件保持压缩机活塞许用速度不大于./排气温度不大于 的默认预设值不变 条件输入界面见图 和图 最终由压缩机制造商确定的机组型号为./.一级压缩气缸直径为 气缸数为 个轴功率为 选用电机功率为 本软件测试的选型结果与实际应用机组的数据比较接近最后软件计算得到的选型结果如图 所示图 软件工艺条件输入界面图 软件标准规范响应条件输入界面图 软件压缩机选型结果输出图为减小现阶段软件开发的难度和工作量后台程序缩减了引用参数的数量一些变量参照普遍适用的固定值或经验数值建立了一些假设前提下的条件 例如在多级压缩计算时各级采用的是等压比分配的原则通常实际机组不会完全遵照等压比对各级升压进行分配而是会根据机组各级的受力载荷、排气温度等条件做出适当调整还有气缸的作用形式系统假定为双作用式对于单作用式气缸其作用位置又分为在曲轴端一侧还是在气缸盖一侧 如果参与选型计算程序复杂性更高因为单作用式气缸只在较少情况下采用所以现阶段可以暂不做考虑 实际上这些因素都会对选型计算的结果产生不同程度的影响为了软件日后的深度开发通过在前台预设隐藏控件和在后台预留数据接口的方式提前布署了新的开发单元 首先是压缩机的热力复算单 石 油 化 工 设 计 年第 期(第 卷)元可以通过调整各级气缸直径及个数、作用形式和作用位置使得各级活塞力相互匹配具备更好的力学平衡性同时将各级的排气温度控制在标准规范允许的区间并逐步建立与实际热力计算相关的更大体量的数据库包含与气缸容积效率相关的压力系数、温度系数、气密系数、相对余隙容积与气体性质相关的相对湿度、进气温度下的饱和蒸汽压、膨胀指数与进排气压力相关的进排气压力损失与机型相关的机械效率等等使得热力计算的准确性更高更接近可用于生产研发的选型计算结果其次是活塞式压缩机的动力学计算单元能够精确计算综合活塞力和压缩机反向角再通过调整气缸直径、活塞及旋转部件的质量改善压缩机的受力情况增大压缩机的反向角保证压缩机可以处于更好运行状态和机身润滑条件最后是压缩机辅助系统润滑油系统和冷却水系统的公用工程消耗计算单元 结语)活塞式压缩机选型软件以.作为开发平台生成的软件界面简洁友好用户使用方便)软件包括了压缩气体的组分物性分析模块、常用单位换算模块和压缩机选型计算模块操作流程清晰涵盖了压缩机选型计算所需的所有功能功能强大)软件经过初步测试选型结果比较准确满足工程技术人员日常工作的使用需求)软件具备进行二次深度开发的基础具有更广阔的应用前景和推广价值参考文献:郁永章.容积式压缩机技术手册.北京:机械工业出版社.活塞式压缩机设计编写组.活塞式压缩机设计.北京:机械工业出版社.石油、化学和气体工业设施用往复压缩机:.中石化洛阳工程有限公司.石油化工往复压缩机工程技术规范:/.北京:中国石化出版社.姜培正.过程流体机械.北京:化学工业出版社.(上接第 页)新增异丁烷精馏系统另一个优势是还可以新增纯度.的异丁烷产品 /实现了装置对碳四资源的合理利用 而异丁烷作为一种重要的化工原料应用非常广泛是制备甲基丙烯腈或甲基丙烯酸的重要原料同时也可作为许多化工生产过程的促进剂、冷冻剂等 此外异丁烷可以与碳三、碳四、碳五烯烃进行烷基化反应生产车用汽油的调和组分还可用于异丁烷脱氢技术生产异丁烯等化工原料可解决异丁烯短缺的问题 结语在甲乙酮装置的提浓工段前端新增异丁烷精馏系统是首次采用板式精馏塔提取异丁烷 异丁烷提取技术应用于甲乙酮装置后提浓工段的丁烯含量提升效果明显解决了装置因上游原油加工方案影响造成的原料丁烯含量降低的瓶颈问题 此外新增了纯度.异丁烷产品提升了碳四原料产品的价值 证明此技术适用于单一使用 后重碳四作为原料的甲乙酮生产装置为企业提质增效提供了技术支撑参考文献:周广林周红军孔海燕等.吸附法脱除甲乙酮装置尾气中甲乙酮和仲丁醇.天然气化工():.司希河靳南南李忠义.丁烯水合进料泵在运行中效率衰减的原因分析及解决措施.天然气化(化学与化工)():.孟令群.关于甲乙酮装置丁烯提浓生产工艺改进及质量提升研究.科学与财富():.吴育爱.正丁烯水合法制甲乙酮装置运行分析.石化技术与应用():.董海军高青军.工艺循环水中 含量对丁烯水合工段的影响.化学工程与装备():.冯殿伟.甲乙酮装置丁烯提浓生产工艺改进及质量提升的研究.兰州:兰州大学.冯殿伟.甲乙酮装置丁烯提浓萃取剂再生系统的工艺改造.石化技术与应用():.胥月兵岳辉陆江银等.碳四烃综合利用研究及评述.新疆大学学报(自然科学版)():.福泰化工江苏有限公司.混合碳四分离异丁烷工艺:.:.:():.:(.):.:():.:(.):.