遠心圧縮機の理想的な入口配管長はどれくらいですか?

クリストファー・ブラマンとティム・アリソン 2022 年 8 月 15 日

コンプレッサー入口フランジでの流れの分布は、機械の性能と入口状態の正確な測定の両方にとって重要です。 コンプレッサー入口での空気力学的影響を最小限に抑えるには、半径方向に均一な流れ分布が好ましい。

歪みとも呼ばれる不均一な速度または圧力の変動は、ブレード前縁での空力損失を増大させ、圧縮機の動作を不安定にする可能性があります。 幸いなことに、変動は自己修正されるため、十分な長さの直管があれば均一な流れを実現できます。

ただし、直管の長さは速度や圧力変動の大きさによって異なります。 コンプレッサーの場合、スペースの制約や、通常はバルブ、エルボ、拡張パイプが含まれるプロセス配管のため、入口に長い直線パイプを使用できるとは限りません。 主な関心事は、入口の流れの歪みを最小限に抑えるために必要な直管の長さを特定することです。

この記事では、経済的なプラント設計のために配管を最小限に抑える必要があることを認識しながら、圧縮機の性能に悪影響を及ぼさない配管構成に関する実際的なガイドラインを要約します。 配管構成の解析に対する基本的なアプローチを示します。

出発点として、コンプレッサーおよび排気装置に関する米国機械学会 (ASME) の性能試験コード (PTC) を使用して、試験測定に均一な流れを提供するコンプレッサー入口の上流の直管の長さを決定できます。

PTC [1] では、エルボとコンプレッサー入口の間に少なくとも 3 つの直径の直管が必要であり、直径 24 インチ未満の配管、軸方向の入口、またはその他の上流の障害物に対しては、最大 10 直径以上の長い長さが必要です。 2 番目の推奨事項は、エリオット グループの実践の一部であり、コンプレッサー入口に入る速度圧力 (動圧力、q) が静圧 (p1) の 1% を超える場合、エルボ出口で流量イコライザーを使用する必要があるというものです。 。

速度圧力と静圧力の比は、次の式を使用して計算されます。 Z の変更による影響は小さいため、通常は無視されます。

エリオットの広範な工場テストの経験により、ASME の直管要件と速度静圧比制限がテスト配管配置に適切であることが確認されています。 実際には速度と静圧の比が 0.01 よりも大幅に低くなる可能性があるため、PTC からの直管の要件は表 1 に示すように変更されました。

表 1. 速度静圧比とストレート入口配管長の推奨値の関係

直線の長さ

0.005

上記の値をベンチマークとして使用し、q/p1 方程式を解くと、さまざまな分子量について、コンプレッサーの上流にある直管の直径と入口速度の関係をプロットできます (図 1)。

ほとんどのコンプレッサーの入口温度範囲は 0°F ～ 100°F であるため、曲線は 50°F に基づいています。 この範囲では、内蔵誤差は小さくなります。 ただし、入口温度が大きく異なる場合は、理想気体の場合の下式を使用して実際の入口流速を 50°F に補正することで、図 1 から直管長を求めることができます。

これまでに詳述したプロセスは、コンプレッサー入口の上流に必要な直管の直径の数の基本的な開始点に関するガイダンスを提供します。

この基本数値は、コンプレッサーのすぐ上流のコンポーネントに基づいた補正係数で修正されます。 まず、いくつかの一般的な配管配置と補正係数を特定する必要があります。

コンプレッサーの場合、入口の先に、半径の長いパイプエルボの下流にパイプが真っ直ぐ伸びているのが一般的です。 図 2 に示すように、エルボは、エルボに入るパイプがコンプレッサー ローターに対して平行または垂直になるように配置できます。

上流パイプがコンプレッサーローターと平行である場合、この配置は入口流への影響が最も少ないと考えられ、補正係数は 1 になります。

上流側の配管がコンプレッサーのロータに対して直角であるため、コンプレッサーに流入するガス量は配管が近づく方向と反対側で多くなります。

言い換えれば、パイプの直径全体にわたって軸方向の流れに変化が生じます。 その結果、インペラへの均一なガス分布を得るのは基本ケースの場合よりも難しくなり、推奨配管長には補正係数 1.5 を掛ける必要があります。

流れの歪みに関しては、図 3 に示すように、単一のエルボにより、ディーン渦とも呼ばれる逆回転渦ペアがセットアップされます。

もう 1 つの一般的な配置は、図 4 に示すように、吸気パイプのすぐ上流に 2 つのエルボを配置することです。この配置にも、パイプ (エルボの上流) が圧縮機ローターに対して平行または垂直に向いている 2 つのバリエーションがあります。

圧縮機のローターと平行な場合、これら 2 つのエルボを通って流れるガスは、エルボに伴う通常の速度の歪みに加えて、渦巻きまたは回転成分を持つ 2 番目のエルボを残します。

ローターに対して垂直な場合、この配置によりある程度の渦が生成されますが、上で概説した流れの不均一な分布も生成されます。

これらの理由から、これら 2 つの配置に対して推奨される補正係数は、それぞれ 1.75 と 2 です。 流れの歪みの違いを示すために、図 5 に 2 つのエルボの下流で生じる渦を示します。

軸方向入口を備えたコンプレッサー (通常はオーバーハング ローターを備えた単段式) は、通常入口ガイド ベーンを持たないため、上流の流れの偏差の影響をより受けやすくなります。 このため、軸方向入口を備えたコンプレッサーには 1.25 の補正係数を適用する必要があります。

アキシャル入口コンプレッサーの入口の上流に 1 つまたは 2 つのエルボがある場合、平行面配置の係数 (図 4) が使用されます。 表 2 に、これらの補正係数と他の一般的な構成の補正係数を示します。

バルブなどの上流のさまざまな配管コンポーネントが直管要件にどのような影響を与えるかを定量化するには、PTC で概要が説明されている性能試験の配管規格と、流量計要素に適用される均一な流量分布 (速度プロファイル) の要件を調べることができます。 ASME と米国ガス協会 (AGA) の両方。

歪みを最小限に抑えた速度プロファイルは、オリフィスやフロー ノズルなどの流量計測要素にとって重要な要件です。 均一な速度プロファイルは、計量要素の上流にある長く真っ直ぐなパイプと流量均等化装置を使用することによって得られます。 直管の長さは、直管に先立つ配管構成と、公称管直径に対するオリフィス (またはノズル) の直径の比率の関数です。

この直径比はβ比と呼ばれます。 流量計の精度に対する要件は十分に確立されており、業界全体で一般的に認識されています。

β比が増加すると、所定の配置に必要な直管の長さも増加します。 その理由は、特定のパイプ直径に対してオリフィス サイズが大きくなるにつれて、より均一な速度分布が必要になるためです。 表 3 は、β 比が 0.5 の場合の公称パイプ直径で表された、さまざまな配管コンポーネントの直管配管要件の概要を示しています [4]。

表 3. 配管コンポーネントの直管配管要件 (β = 0.5)

現実世界の制約により、これらの要件をコンプレッサーの入口に適用することが非現実的になる場合があります。 ただし、さまざまな構成の要件の関係は、コンプレッサーの入口要件について貴重な指針を提供することができます。

たとえば、β 比が 0.5 の場合、1 つのエルボには 9 つの直径が必要で、部分的に閉じたバルブには 25 の直径が必要です。 したがって、1 つのエルボ (基本ケース) の係数は 9/9 または 1 で、部分的に閉じたバルブの場合は 25/9 または 2.78 になります。 β 比の全範囲を調べ、データを平均し、単一のエルボを基本ケースとすれば、一連の補正係数を作成できます。

表 4 は、単一エルボをベースラインとして使用し、β 比データの全範囲に基づいて開発された補正係数を示しています [4]。

表4. 配管コンポーネントの直管ラン補正係数

この情報をどのように適用できるかを説明するために、分子量 25、入口温度 85°F、入口速度 100 fps の炭化水素ガス コンプレッサーを考えてみましょう。 配管配置は図 4 のようにエルボ面がロータと平行になっていますが、さらに 2 つのエルボの前にバタフライ バルブがあります。

100 fps および分子量 25 で図 1 に入ると、パイプ直径 1.45 の直管が必要です。 配管構成補正係数 1.75 とバタフライバルブ係数 1.5 を適用すると、直径 1.45 x 1.75 x 1.5 = 3.8 となります。

したがって、この配置では、コンプレッサー入口の前に約 4 直径の直管が必要になります。

プラント設計がこの方法で必要な最小限の真っすぐなパイプをサポートできない場合は、要件を軽減するためにいくつかのオプションを使用できます。 1 つ目は、図 4 に示すように、特別な留め継ぎの羽根付きエルボを適用することです。

このエルボは最小限の設置スペースを必要とし、損失係数が低く、エルボの下流での速度プロファイルの歪みを最小限に抑えます。 ただし、上流側の速度プロファイルが不十分なままエルボを通過します。 さらに、2 つの留め継ぎ羽根付きエルボを、一方が他方に対して 90 度になるように直列に使用すると、流れに渦巻きが生じません。

大きな配管の場合、コストは標準成形エルボと同程度になります。 写真のような標準エルボの代わりに留め継ぎ羽根付きエルボが使用される場合、補正係数は 2 で割られる場合があります。

直管配管の要件を軽減するための 2 番目の代替手段は、流量イコライザーです。 イコライザーの設計は、ASME または AGA 規格のいずれかに準拠する必要があります。 これらのオプションは、使用するタイプによっては高価になる可能性があり、それに伴う大幅な圧力降下が発生するため、馬力が低下する可能性があります。

ただし、電力ペナルティが許容できる場合は、コンプレッサー入口への直線流路に流量イコライザーを設置することで、必要なパイプの直線長を 4 分の 1 に減らすことができます。

前述した入口配管の推奨事項は、エルボや制御バルブなどの上流配管機能の影響を軽減することを目的としています。 しかし、上流側配管変更の前後で効果を確認する具体的な方法についてはほとんど議論されていない。 参考文献 [3] では、図 7 に示すように、アキシャルインレット遠心圧縮機の上流のパイプ長は圧縮機の性能に大きな影響を及ぼさなかったとしています。

アキシャルインレットコンプレッサーは上流のパイプレイアウトの影響をより受けやすいことを思い出してください。 したがって、吸気配管は特定のタイプのコンプレッサー設計に対してより敏感になる可能性があり、コンプレッサーの設置に大幅な変更を加える前にアプリケーションでこのことを考慮する必要があります。

この記事はもともと COMPRESSORtech2 マガジンに掲載されていました。

[1] 1997 年、コンプレッサーおよび排気装置に関する性能テスト コード、PTC 10 - 1997(R2014)、米国機械学会、ニューヨーク。

[2] Hackel, RA、King, RF Jr.、「遠心圧縮機入口配管 - 実践ガイド」、圧縮空気ガス協会、4(2)。

[3] White, BA、Bueno, PC、Fierro, F.、および Cook, TL、2018 年、「遠心圧縮機の配管設計における機械的、応力、および流量の考慮事項」、第 47 回ターボ機械および第 34 回ポンプ シンポジウムの議事録、ヒューストン、テキサス州

[4] 2004 年、圧力試験コード - 流量測定、ASME PTC 19.5-2004、米国機械学会。

[5] 1962 年、航空宇宙応用熱力学マニュアル、SAE インターナショナル。