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气体压缩机的选择--离心式压缩机
作者:Eduardo Larralde, Rafael Ocampo
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压缩机/分离/过滤机械展厅
压缩机, 空气压缩机, 过滤器, 滤清器, 滤油机, ...
本文讨论离心式压缩机,它是几种重要的气体压缩机类型之一,本文首先介绍它们的机械构造,同时对它们的重要组成部分进行了详细的说明,然后分析了一些重要的操作特性。

机壳

根据气压的不同,离心式压缩机的主体可能有几种形式,根据压缩机负载、工作温度、待处理气体以及压缩机尺寸的差异,它们可由不同的材料制成。

水平剖分式机壳

水平剖分式机壳由两半机壳组成,它们沿着水平中线紧密结合在一起,如图4.1所示。所有的连接部件,如吸气和排气接管、支流接管(如果有的话)和油管,通常安装在机壳的下半部分,因此,机壳的上半部分成为了一个便于移动的活动盖。机壳可以由铸铁、铸钢或者结构钢2制成。

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垂直剖分式机壳

具有垂直剖分式机壳的离心压缩机主要有四类,即筒形、管道式、整体组装齿轮式和外悬式压缩机。

根据额定压力的不同,筒形压缩机具有几种不同的形状和厚度。图4.2显示了一种标准设计的筒形压缩机。它们被设计用于处理高压负载。根据额定压力的不同,其机壳可由轧钢或者锻钢制成,并具有一或两个端盖,端盖由螺栓连接或者剪环固定。通过拆卸端盖即可移开转子隔膜束组件,并能接触到内部元件,这样就无需拆卸机壳,使其保持与工厂管道系统的连接。

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水平剖分式和筒形机壳有多种配置形式,如直列式、背向式或者双流式,根据工艺要求,它们还可以与支流和同级冷却(iso-cooling)结合应用。

在管道式压缩机中(图4.3),吸气和输气喷嘴通常安装在彼此相对的位置上,以满足站场布局要求。当压力比允许安装单一的叶轮时,压缩机中还有轴向进气口2。

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压缩机机壳由锻钢制成,以提供最大的材料强度和冶金稳定性。为确保无振动运行,需要在机壳的两端均安装轴承,因为轴承为转子提供了必要的刚度2。

图4.4所示为一台整体齿轮式压缩机。它具有一个大齿轮,以及一到四个高速小齿轮。每根小齿轮轴上可以安装一或两个叶轮2。

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铸铁通常用于低压应用场合,铸钢、球墨铸铁以及锻钢或结构钢用于1MPa或者更高的压力,具体取决于机壳的尺寸。根据所处理的气体和温度,还可以使用不锈钢。

外悬式压缩机主要用在石化应用中,充当增压器,或者用在聚丙烯和聚乙烯生产车间2内,以便回收物质。机壳采用碳钢或者不锈钢材料、结构钢或者铸钢制成。设计允许不同的排气接管安装位置,以简化工艺管道的布置。

隔板

吸气、级间和排气隔板生成静止部件内的气体流路。吸气隔板将气体输送到首级叶轮的吸入孔内,它可以装配可调导叶片,以便优化吸入气流角。级间隔板发挥双重功效,形成扩压器流道(气体流速在这里转变成压力)和返回流道,使气体导向下级叶轮的吸入孔。排气隔板构成最后一级叶轮的扩压器和排气蜗壳。隔板通常为水平剖分式。两半固定叶片隔板的下半部分如图4.5所示。可调叶片隔板用于调节压缩机性能,它们在中等到高流速的单级构造中应用得尤为有效。

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在中小型水平剖分式压缩机中,隔板的上半部分安装在上半部机壳内,以便于检查,而在大型压缩机中,机壳则与隔板的下半部分相连,筒形压缩机的内部元件组装成一束,能够方便地将其从机壳中抽出(图4.6)。

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对于中低压力的应用,隔板可以采用铸铁、铸钢、结构钢,或者不锈钢制成。对于高压负载的工作情况,在实践中它们完全通过机加工制成,以利于提高效率。

便于拆卸的篦齿密封安装在叶轮盖板的隔板上,以防止气流从排气口倒流至吸气口,同时还在轴套上安装篦齿密封以防出现级间泄露2(图4.6)。

转子

转子是任何离心式机械的主要部件,它由轴、叶轮、轴套、平衡鼓和止推环组成。

叶轮从一系列标准产品中来挑选。每个系列都包括了一组几何相似的叶轮,它们具有不同的流量系数,可满足特定的流量要求2。叶轮收缩安装在锻钢轴上。图4.7所示为一带有闭式叶轮的多级转子,它安装在机壳的下半部分。

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叶轮可以是闭式或者开式。利用磨铣或者电子放电加工技术可以生产出整体式无焊缝叶轮。利用具有足够屈服强度的任何材料都可以生产磨铣式叶轮。闭式叶轮叶片还可以通过焊接或者钎焊的方式固定在叶轮盘和盖板上2。通常采用精密焊接或者高温真空钎焊技术。闭式叶轮可以是二维或者三维的,它们由锻钢制成。根据具体的应用情况,开式叶轮可以由精密铸钢制成,或者对整体锻件进行磨铣加工而成。铸造开式叶轮的标准材料为X5CrNi13.4 (A743-86a)和Armco 17-4PH。

在组装之前,每个叶轮都必须进行动态平衡和超速试验。当所有部件都装配到主轴上之后,还要检查整个转子组件的动态平衡性。

密封

密封用于阻止气体从一级流向相邻的另一级中,还用于防止或者尽量减小工艺气体的泄露,以及/或者空气进入压缩机机壳内。所用的密封型式取决于工艺和安全要求。

轴端密封主要是干气密封(图4.8),但是也可以采用篦齿(图4.9)或者油膜密封(图4.10)。浮动碳密封和机械式密封也用于最小的泄露应用中,但是它们的应用非常有限。

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级间泄露由篦齿密封(静态或者旋转式)来控制。除了传统的篦齿,级间密封还可以是耐磨密封或者蜂窝密封,以优化压缩机的整体性能2。篦齿密封由轻合金或者其他耐蚀材料制成(铝、黄铜等)。

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轴承

在离心式压缩机中优先使用滑动轴承。常见的组合方式是在主轴的两端各安装一个径向轴承,并仅在其中一端安装一个轴向止推轴承。为了便于安装和维护,所有这些轴承都制成两半的形式。小型轴承由填充了巴氏合金的钢体制成。中、大型径向滑动轴承目前采用填充了巴氏轴承合金的几块钢制倾斜轴瓦制成。如今,通常采用倾斜轴瓦的原理来设计适用于大多数离心式压缩机的止推轴承。对于高温有油的工作情况,有些制造商使用填充了铬-铜合金的径向轴承和止推轴承。

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最近已经开始引进主动磁浮轴承(AMB)技术。径向轴承的转子装备有磁铁片层,位于定子上的电磁铁所形成的磁场使这些磁铁片保持原位。止推轴承基于相同的原理。转子由一个磁盘构成,它安装在与转轴垂直,并与电磁铁相对的位置上3(图4.11)。

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在该技术中,利用一个精密的控制系统使转子悬浮起来,该系统精确地调节转子间距,避免部件之间出现任何接触,而且无需使用润滑剂。AMB消除了摩擦,避免了传统轴承中容易发生泄露的润滑油系统。AMB系统保证转子在起动、正常运行和停机(包括紧急停机)期间都维持悬浮状态,并且该系统备份有滚动轴承,它们可使压缩机无损伤地停机4。

润滑系统

应当根据具体的工作要求,使用标准的成套组件来设计润滑系统,并使其能接受工厂冲洗和试验。其设计必须确保压缩机轴承(径向和止推轴承)、齿轮箱和传动机构始终能受到合适的润滑。不必始终保证润滑系统完全符合API 614或者 API 672的要求,因此其便利性值得评估。

润滑油系统可以是单独的控制台,或者与压缩机底板集成在一起,形成紧凑的成套设备,以便安装2。

封油系统

当安装了液膜环或者机械式密封件时,必须设计一个封油系统,它能够在要求的压力和温度下提供过滤了的封油。该系统还可以与润滑油系统组合在一起。在这种情况下,使用同一个储油器来实现两项功能2。

气体密封系统

在设计该系统时,应该考虑使系统能满足每个特定的干气密封结构的要求。作为一个分组件,它不仅为初级、次级和第三级密封提供所需的缓冲气体,还能对它们进行全面地检测2。

气体冷却器

这些部件用于在压缩级之后(级间冷却器)或者在压缩工艺结束时(最终冷却器)对气体进行冷却。有各种不同类型的冷却器可供使用,但是应用得最普遍的是具有多种设计形式的各类壳式和管式冷却器(直管或U形管、固定头或浮头、卧式或立式管)。本系列第3篇文章中的图3.7显示了这种冷却器的一个实例。冷却介质通常是未净化的水,偶尔也用海水。在小型压缩机中,普遍使用空气作为冷却介质,但是,在制冷量较大的应用中也有用空气冷却的换热器(强制或者诱导通风设计)。

在低压应用中,标准级间冷却器为水冷管/气冷壳的形式,而在中高压工况下,则采用气冷管/水冷壳。在这两种设计中,通常都在排气口处安装一个除雾器。

离心式压缩机的特点

轴向推力

因为存在着吸入孔,所以叶轮前面的表面积小于后面。此外,当气体流过叶轮时,气压增大,所以,叶轮背面所受的压力高于前面。由于气压不同,以及这些气压所作用的表面面积不同,因此产生了一个与主轴平行,且指向叶轮吸入面的合力。该力被称为轴向推力。它来自于每个叶轮,所以轴向推力会随着叶轮数量的增多而增大。通过在同一个转子上安装相反的叶轮,或者在轴端安装一个平衡鼓,能够减小轴向推力,但是并不能完全消除它。所以,离心式压缩机必须装有轴向止推轴承,它们能够吸收残余的轴向推力。

临界转速

制造缺陷会导致转子机械失衡;也就是说,质量中心与几何轴中线不重合。当组件旋转时,将出现一个会使转子弯曲的离心力。当转子达到某一特定的转速,即‘临界转速’时,将出现一种动态的不稳定状态,进而导致大幅振动。当压缩机运行在该转速或接近该转速时,情况非常危险,因为固定部件和转动部件之间可能出现摩擦。工作转速被设计为低于或者高于临界转速的20% 到30%,以保证转子能够正常工作。

特性曲线

利用在生产车间或者工作现场通过试验得到的不同曲线,能够图形化地表示离心式压缩机的主要工作参数之间的相互关系,这些曲线统称为给定转速下的特性曲线。图4.12所示即为这样的一组曲线,其中显示了扬程与输气量(H比Q)、能耗与输气量(KW比Q),以及效率与输气量(η比Q)之间的关系。由于存在摩擦,所以管道系统阻碍了气流。摩擦损耗与气流有关,这种关系同样也能用一条曲线(Hs 比Q)来进行图形化地表示。

负责挑选压缩机的工程师必须与供应商就压缩机的工作点达成一致意见。工作点应该达到或者接近最大效率,也被称为最佳效率点(BEP)。

H-Q压缩机曲线与Hs-Q系统曲线的交点(图4.12中的L点)确定了当排气阀完全打开时,压缩机在某一恒定转速下的最大输气量(QL)。

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H-Q曲线分为两段,一段呈上升趋势,压缩机在此期间工作不稳定,另一段呈下降趋势,此期间的工作稳定。理解压缩机在这两段分别是如何工作的非常重要。我们首先假设压缩机工作在O点,输送气流量为QO ,产生的扬程为HO。如果系统内的气体需求量减小,并且工作点的位置朝临界点C的左侧移动,那么压缩机的工作将变得不稳定,因为工作点将位于曲线中的某一段,而在该区段时,压缩机内的压力低于系统中的压力HC。这会引起压缩机无法克服的反向压力梯度。结果,气体将从压缩机的排气口流过叶轮返回至吸气口,从而导致压缩机转速增大,出现噪声、强烈的振动及发热。该现象一直持续,直到系统内的气体压力下降至低于空载工作时的压力Hu。在此当口,压缩机再次开始压缩过程,但是工作方式异于寻常,其工作点迅速地向R点移动,当排气系统再次充满气体时,工作点又向左移动,该现象不断重复。涡轮压缩机不同寻常的这一现象被称为变速运行或者波动运行(surging or oscillating running)。因为在该工况下的工作非常危险,所以每台离心式压缩机都安装了防波动装置(anti-surging devices)。

压缩机的每种转速都对应着一组特性曲线(图4.13)。将每条曲线的临界点连接起来即可得到一条新的曲线,我们称其为压缩机的波动极限。在该曲线的左侧,压缩机的工作不稳定,必须避免这类情况。在实践中,会选取一定的安全带。

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如果工作点到达该安全带的右极限(M点),则防波动装置将使压缩机的转速从N1减小至N,使工作点从M转变到O1,后者处于稳定工作区间。如有必要,防波动控制装置将再次起效,将转速调节至N2,并使工作点改变至O2。在达到较低的转速极限后,足够多的气体被排放至大气中,或者再次循环到吸气口,以维持稳定的工作状态。

参考文献
[1] E. Larralde and R. Ocampo, ‘Selection of gas compressors: part 3’, World Pumps, No. 544, pp. 36-41, (February 2012).
[2] Nuovo Pignone SpA, Centrifugal & Axial Compressors, COMK/MARK 768/II, 11-2005, GE Oil & Gas, (2005) [available to download from: www.ge-energy.com].
[3] SKF S2M Oil and Gas Expertise, Magnetic Bearings, COM 102 V0.01 - Aff Com 906-01 [available from: www.s2m.fr].
[4] Nuovo Pignone SpA, ICL Integrated Compressor Line, COMK/MARK 892/II, 5-2008, GE Oil & Gas, (2008) [available from: files.gereports.com].(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (12/31/2012)
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