CN102606501B - 压缩器性能的相似性测试 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及压缩器性能的相似性测试。描述了用于测试压缩器的方法和系统。为执行相似性测试，选定对HFC‑134a的替代物。利用以纯净形式或以与其它气体的混合物形式的替代物测试气体，以根据ASME PTC‑10测试来测试压缩器。替代物测试气体可例如具有在40g/gmol与150g/gmol之间的分子量、少于700的全球变暖潜能值(GWP)和在1与1.5之间的气体比热比、另一组预先决定的特性中的一个或者可从包括HFC‑245ca(还称作R‑245或它的化学名称1，1，2，2，3‑五氟戊烷)、HFO‑1234yf(还称作它的化学名称2，3，3，3‑四氟丙‑1‑烯)、HFO‑1234ZE(还称作它的化学名称反式‑1，3，3，3‑四氟丙‑1‑烯)和DR‑11的群中选定。

Description

压缩器性能的相似性测试
技术领域
本文中公开的本主题的实施例大体涉及方法和系统，并且更具体地，涉及用于压缩器的相似性测试的机构和技术。
背景技术
压缩器是通过机械能的利用增加可压缩流体，例如气体的压力的机器。压缩器用于若干不同应用。在用于这种工艺和工艺设备的各种类型的压缩器之中的是所谓离心式压缩器，其中机械能经由离心加速对输入压缩器的气体起作用，离心加速例如通过旋转气体经过其中的离心叶轮或转子对气体粒子加速。
离心式压缩器可配备有单一叶轮或单一级，即：单一级构型，或带有串联的多个级，在该情形中离心式压缩器经常称作多级压缩器。而多级压缩器的特定亚家族包括多部分多级压缩器，其构造成使得全体压缩器流从压缩器中抽取、冷却下来并且然后重新注入压缩器。大多数时间，在多级压缩器的该亚家族中的部分的数目限于二个，这些部分可配置成一列构型或者成背对背(back to back)构型，这取决于第二部分的叶轮关于第一部分的叶轮的相对定向。
离心式压缩器的每一级典型地包括用于待压缩的气体的进口导管、能够提供动能到输入气体的叶轮或轮和离开系统，其称作定子，其将脱离转子的气体的动能转化成压能。可利用多定子构件构型，最常见的构型是无叶片式扩散器、叶片式扩散器回流通道、流出螺旋槽(discharge scroll)或气室或这些构型的联合。单独叶轮和它的关联定子构件的联合典型地称作级。
在压缩器设计开发阶段期间和在被最终用户投入应用之前，离心式压缩器典型地经受若干不同类型的测试，其作为例如性能验证活动和质量控制工艺的部分。一种这种测试是相似性测试，其试图确保离心式压缩器将对给定输入气体关于流动速率、压力提升、效率和速度以被最终用户期望的方式操作。为执行相似性测试，制造商在测试条件下操作离心式压缩器，该测试条件意图尽可能接近将在最终用户的顾客现场被离心式压缩器经历的那些。为达到这些目标，期望提供用于压缩器的相似性测试系统和方法，其中在压缩器中所用的测试气体被合适地选定。典型地，气体R134A(也称作HFC-134a)以纯净形式或以混合物形式国际性地用作工作流体以提供相似性测试。
发明内容
根据示范实施例，描述了用于测试涡轮机的方法和系统。为执行相似性测试，选定对R134A/HFC-134a的替代物。利用以纯净形式或以与其它气体的混合物形式的替代物测试气体，以根据ASME PTC-10测试来测试压缩器。替代物测试气体可例如具有选定的属性，其与例如气体分子量、全球变暖潜能值(GWP)、气体比热比(K)和气体易燃性相关联，这些选定属性在下文中描述。根据一个示范实施例，选定替代物测试气体可从包括HFC-245ca(还称作R-245或它的化学名称1，1，2，2，3-五氟戊烷)、HFO-1234yf(还称作它的化学名称2，3，3，3-四氟丙-1-烯)、HFO-1234ZE(还称作它的化学名称反式-1，3，3，3-四氟丙-1-烯)和DR-11的群中选定。根据示范实施例，涡轮机利用相似性测试方法制备，该方法包括：选定测试气体，其具有在40g/gmol与150g/gmol之间的分子量、少于700的全球变暖潜能值(GWP)和在1与1.5之间的气体比热比；利用选定测试气体操作涡轮机；当操作涡轮机时测量至少一个参数；计算与至少一个测量参数相关联的至少一个测试参数；并且将至少一个所计算的测试参数与相应至少一个特定参数比较，以决定涡轮机是否已通过相似性测试。
根据另一示范实施例，涡轮机利用相似性测试方法制备，该方法包括：选定测试气体，其具有在40g/gmol与150g/gmol之间的分子量、少于700的全球变暖潜能值(GWP)和在1与1.5之间的气体比热比；利用选定测试气体操作涡轮机；当操作涡轮机时测量至少一个参数；计算与至少一个测量参数相关联的至少一个测试参数；并且将至少一个所计算的测试参数与相应至少一个特定参数比较，以决定涡轮机是否已通过所述相似性测试。
根据另一示范实施例，用于涡轮机的测试系统包括：用于利用选定测试气体操作涡轮机的装置，选定测试气体具有在40g/gmol与150g/gmol之间的分子量、少于700的全球变暖潜能值(GWP)和在1与1.5之间的气体比热比；当操作涡轮机时用于测量至少一个参数的装置；用于计算与至少一个测量参数相关联的至少一个测试参数的装置；和用于将至少一个所计算的测试参数与相应至少一个特定参数比较以决定涡轮机是否已通过相似性测试的装置。
附图说明
并入说明书并且构成说明书的部分的附图示出一个或者多个实施例，并且连同描述解释了这些实施例。
在附图中：
图1是涡轮机的示意图；
图2是背对背涡轮机的局部剖面图；
图3示出与涡轮机的相似性测试相关联的输入和输出；
图4示出在氢氟烷家族内的气体的特性；
图5是根据示范实施例被认为是对HFC-134a的可能替代物的气体的清单；
图6是示出根据示范实施例用于涡轮机的相似性测试的方法的流程图；并且
图7示出根据示范实施例用于在涡轮机上执行相似性测试的测试系统。
具体实施方式
示范实施例的以下描述参考附图。不同附图中的相同附图标记标识相同或类似元件。以下详细描述不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。为简便起见，以下实施例关于多级离心式压缩器的术语和结构进行讨论。然而，接下来讨论的实施例不限于该特定类型的离心式压缩器，而是可应用到其它类型的机械，包括但不限于轴流式压缩器、离心泵、涡轮膨胀机等，所有这些机器在本文中共同称作“涡轮机械”或“涡轮机”。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着关于实施例所述的具体特征、结构或特性包括在公开的本主题中的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各种位置出现短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必指的是相同实施例。此外，具体特征、结构或特性可以以任何适当方式在一个或多个实施例中联合。
为提供一些背景用于关于根据这些示范实施例的相似性测试的随后讨论，图1示意性地示出示范多级离心式压缩器10。在其中，压缩器10包括箱或壳体(定子)12，在其内安装旋转压缩器轴14，其具有多个离心叶轮16。转子组件18包括轴14和叶轮16并且通过布置在转子组件18的每一侧的轴承20径向和轴向地支撑。多级离心式压缩器操作以从进口管道22获得输入工艺气体，以通过转子组件18的操作来增加工艺气体的压力并且随后以高于它的输入压力的输出压力通过出口管道24排出工艺气体。在压缩器被最终用户投入应用之后利用的工艺气体可例如是二氧化碳、硫化氢、丁烷、甲烷、乙烷、丙烷、液化天然气中的任一种或它们的联合。在转子16与轴承20之间，提供密封系统26以防止工艺气体流入轴承20。壳体12构造成覆盖轴承20和密封系统26，以防止气体从离心式压缩器10逃逸。轴承20可作为油润滑轴承或主动磁轴承实现。如果主动磁轴承用作轴承20，那么密封机构26可省略。
离心式压缩器10还包括平衡柱塞(鼓)28连同它的相应迷宫式密封30。平衡线32将在平衡鼓的向外侧上的平衡腔34中的压力维持为与经由进口管道22进入的工艺气体的压力相同(或基本相同)。
上文示出和讨论的构型涉及所谓的“直通式”压缩器构型，其中工艺气体或工作气体经由在壳体12的一个端部上的进口管道22进入并且经由在壳体12的另一端部的出口管道24离开。然而，如在技术背景部分中所述，有时采用的另一压缩器构型是所谓“背对背”压缩器构型，其中两个基本独立的压缩器共用单一转子18，其实例在图2中示出。
在其中，壳体34的上半部成剖面以显示背对背压缩器33的内部工作方式，背对背压缩器33包括第一压缩器部分36，其具有进口管道38和在压缩器的中部附近的出口管道40。在第一部分中进口管道38与出口管道40之间是三个叶轮级42、44和46，其如上文所述操作以对工作气体加压。类似地，第二压缩器部分48具有进口管道50和出口管道52，出口管道52也邻近压缩器33的中部，并且具有与其相关联的三个叶轮级54、46和58。典型地，进口管道50在流被冷却后连接到第一部分36的出口管道40并且气体的压缩工序然后继续直到第二部分的出口管道52。
与直通式、单一部分压缩器10不同、背对背压缩器33具有带有相同(或基本相同)的直径的两个平衡柱塞或鼓以提供用于平衡转子62。这至少部分由于如下事实产生：两个压缩器部分36和48将具有与它们相关联的不同压力，尤其是当压缩器33处于停机或待机模式时。第一平衡柱塞或鼓64布置在第二压缩器部分的进口管道50下面，而第二平衡柱塞或鼓66放置在压缩器33的中部在第一压缩器部分36与第二压缩器部分48之间。在操作中，平衡鼓64将在它的表面的一个上经历第二部分48的吸力，而平衡鼓64的另一表面将经历第一部分36的吸力，这是由于该表面依靠称作平衡线的外部管路连接到第一部分进口38而产生。第一平衡鼓64和第二平衡鼓66与转子62一起旋转。
以前述作为背景，现在将描述根据诸如关于图1和图2的上文所述的那些的压缩器的示范实施例的性能测试。为测试离心式压缩器的性能，各种类型的相似性测试已经由美国机械工程师协会(ASME)在称作Power Test Code-10(PTC-10)的标准中限定。由于所有流体流动由质量、能量和动量的守恒方程控制，故PTC-10在成组的测试规则中体现这些方程之间的相互关系，该测试规则允许压缩器作业者或制造商证明在测试中的压缩器将按照说明执行：即通过在特定进口条件下输送工艺气体的特定流，以特定效率和速度(RPM)达到特定压力提升。
ASME PTC-10限定了三种不同类别的相似性测试-类别1、类别2和类别3(有时也分别地称作类型1、类型2和类型3测试)。在类别1PTC-10测试中，相似性测试非常接近于如下现场进行：在该现场，压缩器以在现场条件与测试条件之间的允许的有限偏差最终安装和操作。例如，在类别1PTC-10测试中，测试气体和特定工艺气体，以及进口和出口条件必须一致。类别2PTC-10允许现场条件与测试条件之间的更多的偏差，例如，提供测试范例，其使压缩器制造商能够在将他们制备的压缩器交付他们的客户之前测试它们。因此，例如在类别2PTC-10测试中，测试气体不需要与当压缩器安装时为客户所利用的特定工艺气体一致。然而，压缩器的测试速度、压力、温度和流动速率全部调整，因此测试条件动态地等同于特定条件。类别3PTC-10测试基本类似于类别2PTC-10测试，除了用于计算压缩器性能的方程为不同的并且当比热的比(对测试气体或特定工艺气体)从压缩器进口到压缩器出口过度地变化时用于类别3PTC-10测试。
因而本领域技术人员将理解，选定用于类别2PTC-10测试和类别3PTC-10测试的具体测试气体在执行用于压缩器的相似性测试中是重要方面。例如，选定具有适当特性的测试气体直接影响测试体积降低。此外，选定测试气体不应当导致压缩器的任何操作条件被超过，诸如排放温度和最大连续速度。概念上，如图3中所示，测试气体的气体特性300和操作的速度(RPM)302是用于ASME PTC-10相似性测试304的两个基本输入变量，从相似性测试304中产生应当非常接近于测试现场条件306的输出。在气体特性方面特别重要的是测试气体的分子量。如果与特定工艺气体相比分子量太低，那么测试速度可超过压缩器的最大连续速度。因此，优选地测试气体具有非常接近于或高于特定工艺气体的分子量的分子量。
测试气体的其它特性也是重要从而需要考虑的。例如，测试气体的热力学特性，诸如与热传导相关联的它的k值、它的热值、它的多变系数(polytropic coefficient)和它的比热系数也应当考虑。照惯例，用于压缩器的相似性测试的一种测试气体，或者以纯净形式或者以与其它气体混合的形式，是被称作HFC-134a的氢氟烷(HFC)，还称作它的化学名称1，1，1，2-四氟乙烷。然而关于在用于压缩器的相似性测试中利用HFC-134a作为测试气体的一个问题是它具有相对高的温室效应作用。例如，HFC-134a具有相对于同等数量的二氧化碳的大约1300的全球变暖潜能值(GWP)，二氧化碳用作GWP相对标准。
相应地，期望选定一种或多种其它测试气体作为对压缩器的相似性测试中的HFC-134a的替代物。然而，选定其它测试气体是有挑战性的。除关于ASME PFC-10测试要求的前面所述考虑事项以外，其它实际参数也应当考虑，例如：气体是否易燃、气体是否有毒(被触摸或接触)并且还有它的臭氧消耗潜能值(ODP)。不幸地，这些考虑事项中的很多彼此竞争。例如，如在图4中概念性所示，对于HFC，当化合物中的氯原子的数目增加时，ODP也增加。类似地，当化合物中氟原子的数目增加时，GWP也增加。当氢原子的数目在混合物中占优势时，化合物变得更易燃。根据示范实施例，申请人在评估大量的候选者，包括在图5中列出的那些之后，选定了由四种化合物组成的子集，相信这四种化合物代表在这些不同考虑事项之间的最佳权衡。尤其地，能够利用(最可能选择其一，但可能联合)的四种气体是HFC-245ca(也称作R-245或它的化学名称1，1，2，2，3-五氟戊烷)、HFO-1234yf(还称作它的化学名称2，3，3，3-四氟丙-1-烯)、HFO-1234ZE(还称作它的化学名称反式-1，3，3，3-四氟丙-1-烯)和DR-11，其是由Dupont制备的包含一定百分比的HFO-1234yf的掺和物(共沸物(azetrope))。应当注意到由于上文所述的许多考虑事项，或许这四种气体中没有作为测试气体选择能够在各方面被认为是最佳的。例如，HFC-245ca和HFO-1234yf被认为是易燃气体，其对于用于对压缩器的相似性测试的测试气体明显是次优特性。因此，本领域技术人员将理解这是指示，即：选定测试气体用于这种相似性测试要求有效的分析和一些折中。
更普遍地，根据示范实施例，用于在ASME PTC-10相似性测试中利用的适当测试气体可包括不同于上文所列的四种气体的气体，其具有某些特性或者特性的联合。更尤其地，这种特性的联合可包括：
1.测试气体具有在40g/gmol与150g/gmol之间的分子量、少于700的全球变暖潜能值(GWP)和在1与1.5之间的气体比热比；或者
2.测试气体具有在40g/gmol与150g/gmol之间的分子量、在150与700之间的全球变暖潜能值(GWP)和在1与1.5之间的气体比热比，并且测试气体不易燃；或者
3.测试气体具有在40g/gmol与150g/gmol之间的分子量、在50与150之间的全球变暖潜能值(GWP)和在1与1.5之间的气体比热比；或者
4.测试气体具有在40g/gmol与150g/gmol之间的分子量、在0与50之间的全球变暖潜能值(GWP)和在1与1.5之间的气体比热比；或者
5.测试气体具有在40g/gmol与150g/gmol之间的分子量、在50与150之间的全球变暖潜能值(GWP)和在1与1.3之间的气体比热比；或者
6.测试气体具有在40g/gmol与150g/gmol之间的分子量、在50与150之间的全球变暖潜能值(GWP)和在1与1.3之间的气体比热比；或者
7.测试气体具有在40g/gmol与150g/gmol之间的分子量、在60与120之间的全球变暖潜能值(GWP)和在1与1.5之间的气体比热比；或者
8.测试气体具有在40g/gmol与150g/gmol之间的分子量、在90与110之间的全球变暖潜能值(GWP)和在1与1.5之间的气体比热比。
如之前所述，不管四种确定的气体的一种选定为对HFC-134a的替代物或者还是具有例如上文所列成组的准则中的一组的另一种气体被选定，选定的替代物气体可以以纯净形式或以与另一种气体，例如：CO2，N2，He等的混合物的形式利用。如在本文中所用，短语“选定替代物气体”指的是基于本文中讨论的准则选定以替代HFC-134a的气体，而短语“选定测试气体”指的是选定用于具体相似性测试的以纯净形式或与一种或多种其它气体混合的形式的选定替代物气体。
一旦适当气体或气体的混合物根据ASME PTC-10选定用于具体相似性测试，相似性测试可如例如在图6的流程图中所示地执行。其中，测试气体在步骤600处选定。这可例如包括如上文所述的替代物测试气体的初始选定，替代物气体例如：测试气体，其具有在40g/gmol与150g/gmol之间的分子量、少于700的全球变暖潜能值(GWP)和在1与1.5之间的气体比热比，或者具有上文所列其它七组特性中的一组，或者更尤其地由HFC-245ca(还称作R-245或它的化学名称1，1，2，2，3-五氟戊烷)、HFO-1234yf(还称作它的化学名称2，3，3，3-四氟丙-1-烯)、HFO-1234ZE(还称作它的化学名称反式-1，3，3，3-四氟丙-1-烯)和DR-11组成的群中的一种。可选地，如果适当替代物测试气体已经被确定，那么步骤600可代表用于在测试中的具体压缩器的具体测试气体的选定，即：是利用以纯净形式还是以与一种或多种其它气体，例如CH4、CO2、N2、He等的混合物的形式的替代物测试气体。因此，图6中的步骤600意图为单独或者联合的这些步骤的上位概念。
在步骤602处，涡轮机然后利用选定测试气体运行。该步骤和以下步骤604到608可例如根据ASME PTC-10类别2或类别3测试执行，以实现相似性测试。因此，步骤604指示当涡轮机利用选定测试气体运行时，进行至少一个参数(例如，压力提升和/或温度提升)的测量。在步骤606处，至少一个测量参数用于计算至少一个测试参数，例如体积流量比、容量/速度比、马赫数和/或雷诺数。所计算的至少一个测试参数然后与相应至少一个特定参数，即与涡轮机在现场条件306处的意图利用相关联的(特定参数)比较，以决定涡轮机是否已通过(或未通过)在步骤608处的相似性测试。该比较可例如指示所计算的至少一个测试参数是否在相应至少一个特定参数的预先决定的数量内，即：在一些百分点内。通常对于关于ASME PTC-10测试的更多细节感兴趣的读者，她或他查阅题名为PTC10-1997Performance TestCode on Compressors and Exhausters的ASME说明书，其在http://catalog.asme.org/Codes/PrintBook/PTC_10_1997_Test_Code.cfm可得，该公开通过引用在此并入。
图6的方法能例如利用相似性测试系统执行，该系统的实例在图7中示出。其中，处理器700连接到多个传感器702，其连接到或者邻近在测试中的涡轮机704。如上文所述地选定的测试气体通过测试气体供应706提供到涡轮机704的进口管道，并且从出口管道中收集。图7的测试系统可根据ASME PTC-10操作以收集所要求的数据、执行特定计算并且输出相似性测试是成功还是未成功的指示。
在示范实施例的详细描述中，陈述许多特定细节以便提供主张权利的发明的全面理解。然而，本领域技术人员将理解各种实施例可不用这些特定细节而实践。虽然本示范实施例的特征和元件以具体联合在示范实施例中描述，但是各特征或元件可不用实施例的其它特征和元件而独自利用或以与或不与本文中公开的其它特征和元件的各种联合利用。
本书面描述利用公开的本主题的实例使本领域技术人员能够实践本主题，包括制备和利用任何器件或系统并且执行任何合并的方法。本主题的专利保护范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它实例。这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (2)

1.一种用于涡轮机的相似性测试的方法，所述方法包括：
选定测试气体，其具有在40g/gmol与150g/gmol之间的分子量、少于700的全球变暖潜能值和在1与1.5之间的气体比热比；
利用所述选定测试气体操作所述涡轮机；
当操作所述涡轮机时确定至少一个参数；
建立与所述至少一个参数相关联的至少一个测试参数；并且
将所述至少一个测试参数与相应至少一个特定参数比较，以决定所述涡轮机是否已通过所述相似性测试；
其中选定所述测试气体的步骤还包括：从由HFC-245ca、HFO-1234yf、HFO-1234ZE和DR-11组成的群中选定气体作为所述测试气体。
2.一种用于涡轮机的测试系统，所述系统包括：
用于利用选定测试气体操作所述涡轮机的装置，所述选定测试气体具有在40g/gmol与150g/gmol之间的分子量、少于700的全球变暖潜能值和在1与1.5之间的气体比热比；其中作为所述测试气体的气体从由以下项组成的群中选定：HFC-245ca、HFO-1234yf、HFO-1234ZE和DR-11；
当操作所述涡轮机时用于测量至少一个参数的装置；
用于计算与所述至少一个测量参数相关联的至少一个测试参数的装置；和
用于将所述至少一个所计算的测试参数与相应至少一个特定参数比较以决定所述涡轮机是否已通过相似性测试的装置。
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