超临界CO2 在重型离心压缩机中的流动模拟与设计稳健性评估：液态相似区特性研究

《The Journal of Supercritical Fluids》：Modeling and Simulation of Supercritical CO 2 Flow in a Heavy-Duty Centrifugal Compressor: A design robustness assessment in the Liquid-Like Region

为解决海上油气开采中CO2 压缩系统的高能耗问题，研究人员针对超临界CO2 （s-CO2 ）在液态相似区的流动特性展开CFD模拟，评估了离心压缩机转子设计的稳健性。研究通过Span & Wagner状态方程和CoolProp库生成真实气体属性表，揭示了熵损失主要集中于转子通道中部，并验证了避免Widom线（临界点附近热力学性质突变区）对防止相变和空化的关键作用。该成果为FPSO（浮式生产储卸油装置）的压缩系统优化提供了理论支撑，可降低9.65%的能耗并减少碳排放。

　　

随着全球深水油气资源开发加速，海上平台对高效CO₂
压缩技术的需求日益迫切。传统压缩系统能耗占油气处理总能耗的30%以上，而超临界CO₂
（s-CO₂
）因其近临界点的高密度、低粘度特性，成为降低压缩功的理想介质。然而，液态相似区（临界点附近密度接近液体但可压缩性类似气体的区域）的热力学性质剧烈波动，可能导致相变和空化，威胁压缩机安全运行。目前针对该区域的设计稳健性研究几乎空白，尤其缺乏对FPSO（浮式生产储卸油装置）多级压缩机末级的系统性评估。

为解决这一难题，由巴西国家石油管理局（ANP）和壳牌巴西公司资助的研究团队，基于Sandia国家实验室（SNL）的压缩机实验数据，对工业级离心压缩机第四级展开三维稳态湍流模拟。研究采用Ansys CFX求解器结合CoolProp库生成的真实气体属性表（RGP），首次在液态相似区评估了转子设计对入口条件波动的耐受性，相关成果发表于《The Journal of Supercritical Fluids》。

关键技术包括：1）基于网格收敛指数（GCI）的网格独立性验证；2）应用Span & Wagner状态方程计算CO₂
热力学性质；3）建立包含入口管道、叶轮和无叶扩压器的全流道模型；4）通过熵产分析定位能量损失源；5）对比12种非设计工况下的压力比、等熵效率和输入功率变化。

结果与讨论
设计稳健性评估
在基准工况下，熵产分析显示70%的损失集中于叶轮通道中部，与二次流和边界层分离相关。当入口压力从设计值7.5 MPa降至6.8 MPa时，压力比骤降15%，但等熵效率仅衰减2.3%，证明转子对低压工况具备良好适应性。

相变风险预警
通过对比三种RGP表（纯超临界表、气液双相表、含亚稳态气体属性的扩展表），发现使用扩展表可更准确预测近Widom线的密度突变。在入口温度304.5 K（临界温度304.13 K）时，局部马赫数超过0.6的区域出现亚稳态气泡，证实液态相似区存在空化风险。

性能优化启示
将最佳压力比从2.4调整至2.1可使功耗降低9.65%，同时避免流动分离。研究首次量化了FPSO典型波动工况下（±5%入口压力变化）的性能衰减阈值，为海上压缩机抗扰动设计提供数据支撑。

结论与意义
该研究通过高精度CFD模拟，揭示了s-CO₂
压缩机在液态相似区的独特流动机制：1）转子通道中部的熵产主导总损失；2）低于设计压力5%时可能触发亚稳态相变；3）合理控制Widom线距离可兼顾效率与安全性。Leandro Oliveira Salviano团队提出的多RGP表耦合方法，为同类压缩机的数字化设计树立了新标准。尤其对FPSO这类空间受限的浮动平台，研究成果可直接指导紧凑型压缩单元的布置，助力实现碳捕集与封存（CCUS）和增强采油（EOR）的能耗双降目标。未来工作需结合瞬态模拟进一步探究两相流动机理。