氣體壓縮機的選擇--離心式壓縮機

　　離心式壓縮機又稱透平式壓縮機，主要用來壓縮和輸送氣體。離心式壓縮機，它是幾種重要的氣體壓縮機類型之一。
　　
　　機殼
　　
　　根據(jù)氣壓的不同，離心式壓縮機的主體可能有幾種形式，根據(jù)壓縮機負(fù)載、工作溫度、待處理氣體以及壓縮機尺寸的差異，它們可由不同的材料制成。
　　
　　水平剖分式機殼
　　
　　水平剖分式機殼由兩半機殼組成，它們沿著水平中線緊密結(jié)合在一起，如圖4.1所示。所有的連接部件，如吸氣和排氣接管、支流接管（如果有的話）和油管，通常安裝在機殼的下半部分，因此，機殼的上半部分成為了一個便于移動的活動蓋。機殼可以由鑄鐵、鑄鋼或者結(jié)構(gòu)鋼2制成。　　垂直剖分式機殼
　　
　　具有垂直剖分式機殼的離心壓縮機主要有四類，即筒形、管道式、整體組裝齒輪式和外懸式壓縮機。
　　
　　根據(jù)額定壓力的不同，筒形壓縮機具有幾種不同的形狀和厚度。圖4.2顯示了一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的筒形壓縮機。它們被設(shè)計用于處理高壓負(fù)載。根據(jù)額定壓力的不同，其機殼可由軋鋼或者鍛鋼制成，并具有一或兩個端蓋，端蓋由螺栓連接或者剪環(huán)固定。通過拆卸端蓋即可移開轉(zhuǎn)子隔膜束組件，并能接觸到內(nèi)部元件，這樣就無需拆卸機殼，使其保持與工廠管道系統(tǒng)的連接。　　水平剖分式和筒形機殼有多種配置形式，如直列式、背向式或者雙流式，根據(jù)工藝要求，它們還可以與支流和同級冷卻（iso-cooling）結(jié)合應(yīng)用。
　　
　　在管道式壓縮機中（圖4.3），吸氣和輸氣噴嘴通常安裝在彼此相對的位置上，以滿足站場布局要求。當(dāng)壓力比允許安裝單一的葉輪時，壓縮機中還有軸向進氣口2。　　壓縮機機殼由鍛鋼制成，以提供zui大的材料強度和冶金穩(wěn)定性。為確保無振動運行，需要在機殼的兩端均安裝軸承，因為軸承為轉(zhuǎn)子提供了必要的剛度2。
　　
　　圖4.4所示為一臺整體齒輪式壓縮機。它具有一個大齒輪，以及一到四個高速小齒輪。每根小齒輪軸上可以安裝一或兩個葉輪2。　　鑄鐵通常用于低壓應(yīng)用場合，鑄鋼、球墨鑄鐵以及鍛鋼或結(jié)構(gòu)鋼用于1MPa或者更高的壓力，具體取決于機殼的尺寸。根據(jù)所處理的氣體和溫度，還可以使用不銹鋼。
　　
　　外懸式壓縮機主要用在石化應(yīng)用中，充當(dāng)增壓器，或者用在聚丙烯和聚乙烯生產(chǎn)車間2內(nèi)，以便回收物質(zhì)。機殼采用碳鋼或者不銹鋼材料、結(jié)構(gòu)鋼或者鑄鋼制成。設(shè)計允許不同的排氣接管安裝位置，以簡化工藝管道的布置。
　　
　　隔板
　　
　　吸氣、級間和排氣隔板生成靜止部件內(nèi)的氣體流路。吸氣隔板將氣體輸送到首級葉輪的吸入孔內(nèi)，它可以裝配可調(diào)導(dǎo)葉片，以便優(yōu)化吸入氣流角。級間隔板發(fā)揮雙重功效，形成擴壓器流道（氣體流速在這里轉(zhuǎn)變成壓力）和返回流道，使氣體導(dǎo)向下級葉輪的吸入孔。排氣隔板構(gòu)成zui后一級葉輪的擴壓器和排氣蝸殼。隔板通常為水平剖分式。兩半固定葉片隔板的下半部分如圖4.5所示。可調(diào)葉片隔板用于調(diào)節(jié)壓縮機性能，它們在中等到高流速的單級構(gòu)造中應(yīng)用得尤為有效。　　在中小型水平剖分式壓縮機中，隔板的上半部分安裝在上半部機殼內(nèi)，以便于檢查，而在大型壓縮機中，機殼則與隔板的下半部分相連，筒形壓縮機的內(nèi)部元件組裝成一束，能夠方便地將其從機殼中抽出（圖4.6）。　　對于中低壓力的應(yīng)用，隔板可以采用鑄鐵、鑄鋼、結(jié)構(gòu)鋼，或者不銹鋼制成。對于高壓負(fù)載的工作情況，在實踐中它們*通過機加工制成，以利于提率。
　　
　　便于拆卸的篦齒密封安裝在葉輪蓋板的隔板上，以防止氣流從排氣口倒流至吸氣口，同時還在軸套上安裝篦齒密封以防出現(xiàn)級間泄露2（圖4.6）。
　　
　　轉(zhuǎn)子
　　
　　轉(zhuǎn)子是任何離心式機械的主要部件，它由軸、葉輪、軸套、平衡鼓和止推環(huán)組成。
　　
　　葉輪從一系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品中來挑選。每個系列都包括了一組幾何相似的葉輪，它們具有不同的流量系數(shù)，可滿足特定的流量要求2。葉輪收縮安裝在鍛鋼軸上。圖4.7所示為一帶有閉式葉輪的多級轉(zhuǎn)子，它安裝在機殼的下半部分。　　葉輪可以是閉式或者開式。利用磨銑或者電子放電加工技術(shù)可以生產(chǎn)出整體式無焊縫葉輪。利用具有足夠屈服強度的任何材料都可以生產(chǎn)磨銑式葉輪。閉式葉輪葉片還可以通過焊接或者釬焊的方式固定在葉輪盤和蓋板上2。通常采用精密焊接或者高溫真空釬焊技術(shù)。閉式葉輪可以是二維或者三維的，它們由鍛鋼制成。根據(jù)具體的應(yīng)用情況，開式葉輪可以由精密鑄鋼制成，或者對整體鍛件進行磨銑加工而成。鑄造開式葉輪的標(biāo)準(zhǔn)材料為X5CrNi13.4（A743-86a）和Armco17-4PH。
　　
　　在組裝之前，每個葉輪都必須進行動態(tài)平衡和超速試驗。當(dāng)所有部件都裝配到主軸上之后，還要檢查整個轉(zhuǎn)子組件的動態(tài)平衡性。
　　
　　密封
　　
　　密封用于阻止氣體從一級流向相鄰的另一級中，還用于防止或者盡量減小工藝氣體的泄露，以及/或者空氣進入壓縮機機殼內(nèi)。所用的密封型式取決于工藝和安全要求。
　　
　　軸端密封主要是干氣密封（圖4.8），但是也可以采用篦齒（圖4.9）或者油膜密封（圖4.10）。浮動碳密封和機械式密封也用于zui小的泄露應(yīng)用中，但是它們的應(yīng)用非常有限。　　級間泄露由篦齒密封（靜態(tài)或者旋轉(zhuǎn)式）來控制。除了傳統(tǒng)的篦齒，級間密封還可以是耐磨密封或者蜂窩密封，以優(yōu)化壓縮機的整體性能2。篦齒密封由輕合金或者其他耐蝕材料制成（鋁、黃銅等）。　　軸承
　　
　　在離心式壓縮機中優(yōu)先使用滑動軸承。常見的組合方式是在主軸的兩端各安裝一個徑向軸承，并僅在其中一端安裝一個軸向止推軸承。為了便于安裝和維護，所有這些軸承都制成兩半的形式。小型軸承由填充了巴氏合金的鋼體制成。中、大型徑向滑動軸承目前采用填充了巴氏軸承合金的幾塊鋼制傾斜軸瓦制成。如今，通常采用傾斜軸瓦的原理來設(shè)計適用于大多數(shù)離心式壓縮機的止推軸承。對于高溫有油的工作情況，有些制造商使用填充了鉻-銅合金的徑向軸承和止推軸承。　　zui近已經(jīng)開始引進主動磁浮軸承（AMB）技術(shù)。徑向軸承的轉(zhuǎn)子裝備有磁鐵片層，位于定子上的電磁鐵所形成的磁場使這些磁鐵片保持原位。止推軸承基于相同的原理。轉(zhuǎn)子由一個磁盤構(gòu)成，它安裝在與轉(zhuǎn)軸垂直，并與電磁鐵相對的位置上3（圖4.11）。　　在該技術(shù)中，利用一個精密的控制系統(tǒng)使轉(zhuǎn)子懸浮起來，該系統(tǒng)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子間距，避免部件之間出現(xiàn)任何接觸，而且無需使用潤滑劑。AMB消除了摩擦，避免了傳統(tǒng)軸承中容易發(fā)生泄露的潤滑油系統(tǒng)。AMB系統(tǒng)保證轉(zhuǎn)子在起動、正常運行和停機（包括緊急停機）期間都維持懸浮狀態(tài)，并且該系統(tǒng)備份有滾動軸承，它們可使壓縮機無損傷地停機4。
　　
　　潤滑系統(tǒng)
　　
　　應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的工作要求，使用標(biāo)準(zhǔn)的成套組件來設(shè)計潤滑系統(tǒng)，并使其能接受工廠沖洗和試驗。其設(shè)計必須確保壓縮機軸承（徑向和止推軸承）、齒輪箱和傳動機構(gòu)始終能受到合適的潤滑。不必始終保證潤滑系統(tǒng)*符合API614或者API672的要求，因此其便利性值得評估。
　　
　　潤滑油系統(tǒng)可以是單獨的控制臺，或者與壓縮機底板集成在一起，形成緊湊的成套設(shè)備，以便安裝2。
　　
　　封油系統(tǒng)
　　
　　當(dāng)安裝了液膜環(huán)或者機械式密封件時，必須設(shè)計一個封油系統(tǒng)，它能夠在要求的壓力和溫度下提供過濾了的封油。該系統(tǒng)還可以與潤滑油系統(tǒng)組合在一起。在這種情況下，使用同一個儲油器來實現(xiàn)兩項功能2。
　　
　　氣體密封系統(tǒng)
　　
　　在設(shè)計該系統(tǒng)時，應(yīng)該考慮使系統(tǒng)能滿足每個特定的干氣密封結(jié)構(gòu)的要求。作為一個分組件，它不僅為初級、次級和第三級密封提供所需的緩沖氣體，還能對它們進行全面地檢測2。
　　
　　氣體冷卻器
　　
　　這些部件用于在壓縮級之后（級間冷卻器）或者在壓縮工藝結(jié)束時（zui終冷卻器）對氣體進行冷卻。有各種不同類型的冷卻器可供使用，但是應(yīng)用得zui普遍的是具有多種設(shè)計形式的各類殼式和管式冷卻器（直管或U形管、固定頭或浮頭、臥式或立式管）。本系列第3篇文章中的圖3.7顯示了這種冷卻器的一個實例。冷卻介質(zhì)通常是未凈化的水，偶爾也用海水。在小型壓縮機中，普遍使用空氣作為冷卻介質(zhì)，但是，在制冷量較大的應(yīng)用中也有用空氣冷卻的換熱器（強制或者誘導(dǎo)通風(fēng)設(shè)計）。
　　
　　在低壓應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)級間冷卻器為水冷管/氣冷殼的形式，而在中高壓工況下，則采用氣冷管/水冷殼。在這兩種設(shè)計中，通常都在排氣口處安裝一個除霧器。
　　
　　離心式壓縮機的特點
　　
　　軸向推力
　　
　　因為存在著吸入孔，所以葉輪前面的表面積小于后面。此外，當(dāng)氣體流過葉輪時，氣壓增大，所以，葉輪背面所受的壓力高于前面。由于氣壓不同，以及這些氣壓所作用的表面面積不同，因此產(chǎn)生了一個與主軸平行，且指向葉輪吸入面的合力。該力被稱為軸向推力。它來自于每個葉輪，所以軸向推力會隨著葉輪數(shù)量的增多而增大。通過在同一個轉(zhuǎn)子上安裝相反的葉輪，或者在軸端安裝一個平衡鼓，能夠減小軸向推力，但是并不能*消除它。所以，離心式壓縮機必須裝有軸向止推軸承，它們能夠吸收殘余的軸向推力。
　　
　　臨界轉(zhuǎn)速
　　
　　制造缺陷會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子機械失衡；也就是說，質(zhì)量中心與幾何軸中線不重合。當(dāng)組件旋轉(zhuǎn)時，將出現(xiàn)一個會使轉(zhuǎn)子彎曲的離心力。當(dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到某一特定的轉(zhuǎn)速，即‘臨界轉(zhuǎn)速’時，將出現(xiàn)一種動態(tài)的不穩(wěn)定狀態(tài)，進而導(dǎo)致大幅振動。當(dāng)壓縮機運行在該轉(zhuǎn)速或接近該轉(zhuǎn)速時，情況非常危險，因為固定部件和轉(zhuǎn)動部件之間可能出現(xiàn)摩擦。工作轉(zhuǎn)速被設(shè)計為低于或者高于臨界轉(zhuǎn)速的20%到30%，以保證轉(zhuǎn)子能夠正常工作。
　　
　　特性曲線
　　
　　利用在生產(chǎn)車間或者工作現(xiàn)場通過試驗得到的不同曲線，能夠圖形化地表示離心式壓縮機的主要工作參數(shù)之間的相互關(guān)系，這些曲線統(tǒng)稱為給定轉(zhuǎn)速下的特性曲線。圖4.12所示即為這樣的一組曲線，其中顯示了揚程與輸氣量（H比Q）、能耗與輸氣量（KW比Q），以及效率與輸氣量（η比Q）之間的關(guān)系。由于存在摩擦，所以管道系統(tǒng)阻礙了氣流。摩擦損耗與氣流有關(guān)，這種關(guān)系同樣也能用一條曲線（Hs比Q）來進行圖形化地表示。
　　
　　負(fù)責(zé)挑選壓縮機的工程師必須與供應(yīng)商就壓縮機的工作點達(dá)成一致意見。工作點應(yīng)該達(dá)到或者接近zui大效率，也被稱為*效率點（BEP）。
　　
　　H-Q壓縮機曲線與Hs-Q系統(tǒng)曲線的交點（圖4.12中的L點）確定了當(dāng)排氣閥*打開時，壓縮機在某一恒定轉(zhuǎn)速下的zui大輸氣量（QL）。
　　
　　H-Q曲線分為兩段，一段呈上升趨勢，壓縮機在此期間工作不穩(wěn)定，另一段呈下降趨勢，此期間的工作穩(wěn)定。理解壓縮機在這兩段分別是如何工作的非常重要。我們首先假設(shè)壓縮機工作在O點，輸送氣流量為QO，產(chǎn)生的揚程為HO。如果系統(tǒng)內(nèi)的氣體需求量減小，并且工作點的位置朝臨界點C的左側(cè)移動，那么壓縮機的工作將變得不穩(wěn)定，因為工作點將位于曲線中的某一段，而在該區(qū)段時，壓縮機內(nèi)的壓力低于系統(tǒng)中的壓力HC。這會引起壓縮機無法克服的反向壓力梯度。結(jié)果，氣體將從壓縮機的排氣口流過葉輪返回至吸氣口，從而導(dǎo)致壓縮機轉(zhuǎn)速增大，出現(xiàn)噪聲、強烈的振動及發(fā)熱。該現(xiàn)象一直持續(xù)，直到系統(tǒng)內(nèi)的氣體壓力下降至低于空載工作時的壓力Hu。在此當(dāng)口，壓縮機再次開始壓縮過程，但是工作方式異于尋常，其工作點迅速地向R點移動，當(dāng)排氣系統(tǒng)再次充滿氣體時，工作點又向左移動，該現(xiàn)象不斷重復(fù)。渦輪壓縮機不同尋常的這一現(xiàn)象被稱為變速運行或者波動運行（surgingoroscillatingrunning）。因為在該工況下的工作非常危險，所以每臺離心式壓縮機都安裝了防波動裝置（anti-surgingdevices）。
　　
　　壓縮機的每種轉(zhuǎn)速都對應(yīng)著一組特性曲線（圖4.13）。將每條曲線的臨界點連接起來即可得到一條新的曲線，我們稱其為壓縮機的波動極限。在該曲線的左側(cè)，壓縮機的工作不穩(wěn)定，必須避免這類情況。在實踐中，會選取一定的安全帶。
　　
　　如果工作點到達(dá)該安全帶的右極限（M點），則防波動裝置將使壓縮機的轉(zhuǎn)速從N1減小至N，使工作點從M轉(zhuǎn)變到O1，后者處于穩(wěn)定工作區(qū)間。如有必要，防波動控制裝置將再次起效，將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至N2，并使工作點改變至O2。在達(dá)到較低的轉(zhuǎn)速極限后，足夠多的氣體被排放至大氣中，或者再次循環(huán)到吸氣口，以維持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　
　　[1]E.LarraldeandR.Ocampo,‘Selectionofgascompressors:part3’,WorldPumps,No.544,pp.36-41,（February2012）.
　　
　　[2]NuovoPignoneSpA,Centrifugal&AxialCompressors,COMK/MARK768/II,11-2005,GEOil&Gas,（2005）[availabletodownloadfrom:].
　　
　　[3]SKFS2MOilandGasExpertise,MagneticBearings,COM102V0.01-AffCom906-01[availablefrom:www.s2m.fr].
　　
　　[4]NuovoPignoneSpA,ICLIntegratedCompressorLine,COMK/MARK892/II,5-2008,GEOil&Gas,（2008）[availablefrom:].（end）