低温压气过程中介质相变对压机性能影响

一、引言

在许多工业领域，如天然气液化、低温制冷、航空航天等，低温压气过程发挥着关键作用。在这些过程中，工作介质往往会经历复杂的物理变化，其中介质相变是一个重要现象。介质相变不仅改变了介质本身的物理性质，还对压气机的性能产生显著影响。深入了解低温压气过程中介质相变对压机性能的影响，对于优化压气系统设计、提高能源利用效率、保障系统安全稳定运行具有重要意义。

二、低温压气过程与介质相变原理

低温压气过程是在较低温度下，通过压气机将气体压缩至所需压力的过程，期间气体经历压力与温度的变化，如天然气液化流程中原料气的多级压缩就依赖压气机增压 。而介质相变是物质从一种相转变为另一种相的过程，低温压气中常见气相与液相的转变，其发生源于温度、压力等外界条件改变，致使分子间相互作用和热运动状态变化，进而使气体凝聚成液体。在低温压气环境下，气体压缩时压力和温度升高，冷却系统使其降温，当温度低于介质相变温度且压力合适，相变便会发生。像超临界二氧化碳闭式布雷顿循环压气机中，近临界点二氧化碳在压缩时因温压变化易相变，引发气体密度、比热容等物性突变，影响压气机内部能量转换与流动。

三、介质相变对压机性能的影响

3.1 对压缩效率的影响

介质相变会显著影响压机的压缩效率。当相变发生时，气体的物理性质发生改变，如密度增大。以离心压气机为例，气体密度的变化会影响叶轮对气体的做功能力。在相变区域，由于气体密度的突然增加，叶轮进口处的气流速度相对减小，导致叶轮的扭速降低，从而使叶轮对气体做的功减少，压气机的焓增减小，压缩效率降低。

3.2 对功耗的影响

相变对压机功耗的影响较为复杂。一方面，相变导致气体物理性质变化，使得压缩过程中的流动阻力增加。例如，液相的出现可能会增加气体的粘性，导致气体在流道内流动时的摩擦阻力增大，为克服这些阻力，压机需要消耗更多的能量，从而使功耗增加。另一方面，相变过程本身可能伴随着能量的吸收或释放。如果相变是放热过程，在一定程度上可以减少冷却系统的负荷，从而降低部分功耗；但如果考虑到相变对流动和压缩过程的不利影响，总体上压机的功耗往往还是会增加。

3.3 对稳定性的影响

介质相变会严重影响压机的运行稳定性。相变可能导致压气机内部流场的不均匀性加剧。当部分气体发生相变成为液相时，液相与气相的混合流动会产生复杂的流型，如出现气液分层、液滴夹带等现象。这些不均匀的流场会使压气机叶片受到的作用力不均匀，从而引发叶片振动。严重时，可能导致压气机喘振等不稳定工况的发生，威胁整个压气系统的安全运行。

3.4 对其他性能指标的影响

除了上述影响外，介质相变还可能对压机的其他性能指标产生作用。例如，相变可能影响压气机出口气体的温度和压力分布均匀性。不均匀的温度和压力分布可能对后续设备的正常运行产生不利影响。在一些对气体品质要求较高的工艺中，相变产生的液相可能会污染气体，影响产品质量。

四、案例分析

4.1 亚马尔 LNG 项目离心压缩机案例

亚马尔 LNG 项目是全球最大的液化天然气项目之一，其天然气预处理环节采用了多级离心压缩机对原料气进行增压。该项目的原料气中除主要成分甲烷外，还含有约 8% 的乙烷、丙烷等重烃组分。在冬季低温运行工况下，当环境温度降至 -40% ，且压缩机处于高负荷运转时，压缩机末级出口温度逼近重烃的露点温度。根据项目运行报告数据显示，在该工况下，压缩机的压缩效率从设计值 83% 急剧下降至 66% ，功耗相比正常工况大幅增加了 22% 。同时，振动监测系统记录到压缩机轴承振动幅值达到68μm ，远超正常上限 52μm 。停机检修发现，压缩机末级叶片、扩压器表面存在大量液相重烃附着，部分流道甚至出现明显积液堵塞现象。经分析，正是低温压气过程中重烃发生相变，致使气体密度、粘度等物性发生改变，引发气流在流道内流动不畅，进而导致压缩机性能显著下降、运行稳定性遭到破坏。

4.2 长征五号运载火箭液氧输送螺杆压缩机案例

长征五号运载火箭作为我国新一代大型运载火箭，在地面加注系统中，采用螺杆压缩机对液氧进行增压输送。在某次发射前的测试过程中，由于液氧贮箱冷却系统突发故障，使得压缩机入口液氧温度异常升高，导致部分液氧在压缩机内部发生气化。监测数据显示，压缩机的容积效率从初始的 87% 迅速下降至 70% ，排气压力波动范围从正常的 ±0.04MPa 陡然扩大至 ，严重影响了液氧的稳定加注，制冷量也大幅下降，无法满足火箭发射的压力和流量需求。进一步通过高速摄影和流场分析发现，气化产生的氧气与液相液氧形成的气液两相流，使得压缩机内部流场严重紊乱，螺杆转子受到的不平衡力显著增大，加剧了设备的磨损程度。此次事件充分展现了介质相变在航天低温压气场景下，对螺杆压缩机性能造成的严重危害。

五、应对介质相变影响的措施

5.1 优化压气机设计

针对介质相变对压机性能的影响，可以从压气机设计方面进行优化。例如，采用特殊的叶片形状和流道设计，以适应气液两相流的特点，减少流动阻力和不均匀性。在叶片设计中，可以考虑增加叶片的粗糙度或采用特殊的表面涂层，以促进气液分离，减少液相在叶片表面的附着。优化压气机的进口和出口结构，使气流在相变过程中能够更平稳地流动，降低对压气机性能的不利影响。

5.2 控制运行参数

合理控制压气机的运行参数也是减轻介质相变影响的有效手段。通过精确控制压气机的进口温度和压力，避免介质在压气机内部发生相变或使相变发生在对性能影响较小的区域。在实际运行中，可以根据介质的特性和压气机的工作条件，制定合理的运行参数范围，并通过自动化控制系统实时调整。采用先进的冷却技术，确保在压缩过程中气体温度能够得到有效控制，防止因温度过低导致相变的发生。

5.3 采用合适的工作介质

选择合适的工作介质对于减少介质相变对压机性能的影响至关重要。在设计低温压气系统时，应充分考虑工作介质的物理性质，尽量选择在工作温度和压力范围内不易发生相变或相变对性能影响较小的介质。例如，在一些对压缩效率和稳定性要求较高的场合，可以选用超临界流体作为工作介质，利用超临界流体在临界点附近独特的物理性质，减少相变带来的不利影响。

六、结论

低温压气过程中介质相变是一个复杂的物理现象，对压机性能有着多方面的显著影响。相变会降低压机的压缩效率、增加功耗、影响运行稳定性，并对其他性能指标产生不利作用。通过实际案例分析，进一步验证了这些影响的存在和严重性。为应对介质相变的影响，可采取优化压气机设计、控制运行参数、采用合适工作介质等措施。未来，随着工业技术的不断发展，对低温压气过程的要求将越来越高，深入研究介质相变与压机性能之间的关系，不断探索新的应对策略，对于推动相关工业领域的发展具有重要意义。

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