气体压缩及输送设备

设备基础知识第二章气体压缩及输送设备1第二章气体压缩及输送设备第一节压缩机的分类与应用在石油化工装置中广泛地使用气体压缩机来输送气体和提高气体的压力。压缩机种类繁多，按其工作原理可分为速度式和容积式两大类。如图.1所示。容积式速度式混流式回转式轴流式离心式液环式转子式或罗茨式螺杆式滑片式往复式膜片式活塞式压缩机图2.1压缩机的分类速度式（也称透平式）压缩机是依靠高速旋转的工作叶轮，将机械能传递给气体介质，并转化成气体的压力能。容积式压缩机依靠容积的周期性变化来实现气体的增压和输送。根据用途进行分类，如氢气压缩机，空气压缩机，裂解气压缩机，乙烯压缩机等。按出口压力pd又可分为：通风机，pd﹤0.0142MPa；鼓风机，0.0142MPa≤pd﹤0.245MPa；压缩机，pd﹥0.245MPa。压缩机由于在原理和结构上的差别，使得在性能特点方面各有不同，各类压缩机的适用范围如图2.2所示。图2.2各类压缩机的适用范围设备基础知识第二章气体压缩及输送设备2第二节离心式压缩机一、概述1.离心式压缩机的应用在现代大型石油化工装置中，除了个别需要超高压、小流量的场合外，离心式压缩机已基本取代了活塞式压缩机，成为压缩和输送各种气体的关键设备，占有极其重要的地位。如在化肥厂使用的离心式氮氢气压缩机、二氧化碳压缩机，石油化工厂使用的离心式石油气压缩机、乙烯压缩机，炼油厂使用的离心式空气压缩机、烃类气体压缩机，以及制冷用的氨气压缩机等。实践证明，在大型化生产中采用离心式压缩机具有以下几方面优点：（1）排气量大，结构紧凑，机组尺寸小，重量轻，占地面积小。（2）运转平稳可靠，易损件少，连续运转时间长，机器利用率高，操作维修费用低。（3）可以做到绝对无油的压缩过程，对于不允许气体带油的某些工艺过程具有重要意义。（4）机器转速高，适宜采用工业汽轮机或燃汽轮机直接驱动，使生产过程中产生的蒸汽、烟气的副产品得以利用，降低产品成本。离心式压缩机存在的缺点表现在以下几方面：（1）目前还不适用于气量太小及压比过高的场合。（2）气量调节的经济性较差，工作流量偏离设计流量时，效率下降幅度较大。（3）离心式压缩机效率一般仍低于活塞式压缩机。我国在五十年代已能制造离心式压缩机，从七十年代初开始又以石油化工厂，大型化肥厂为主，引进了一系列高性能的中、高压力的离心式压缩机，取得了丰富的使用经验，并在对引进技术进行消化、吸收的基础上大大增强了自己的研究、设计和制造能力。2.离心压缩机的种类离心压缩机的种类繁多，根据其性能、结构特点，可按如下几方面进行分类。设备基础知识第二章气体压缩及输送设备3二、离心压缩机的工作原理汽轮机（或电动机）带动压缩机主轴叶轮转动，在离心力作用下，气体被甩到工作轮后面的扩压器中去。而在工作轮中间形成稀薄地带，前面的气体从工作轮中间的进汽部份进入叶轮，由于工作轮不断旋转，气体能连续不断地被甩出去，从而保持了气压机中气体的连续流动。气体因离心作用增加了压力，并以很大的速度离开工作轮，气体经扩压器逐渐降低了速度，动能转变为静压能，进一步增加了压力。如果一个工作叶轮得到的压力还不够，可通过使多级叶轮串联起来工作的办法来达到对出口压力的要求。级间的串联通过弯道、回流器来实现。这就是离心式压缩机的工作原理。离心压缩机的结构和工作原理与离心泵相似，都是依靠高速旋转的叶片推动流体流动，从而增加流体的动能和压力能。但是离心压缩机压缩的是气体介质，其介质密度小，所产生的离心力小，因而依靠离心力作功获得的能量较少。为使气体获得更多的能量以提高气体的压力，离心式压缩机都采用很高的转速。转速往往高达每分钟近万转或每分钟一万转以上。转速越高，压缩机流通内气体的流速也就越高。这些使离心压缩机的结构有其特点，设计制造要求比普通离心泵更为严格、难度更大。三、离心压缩机的结构离心式压缩机本体结构由转子及定子两大部分组成，结构如图2-4所示。转子包括主轴及固定在轴上的叶轮、轴套、平衡盘、推力盘和联轴节等零部件。定子则由气缸和定位于缸体上的各种隔板以及轴承等零部件组成。在转子与定子之间需要密封气体之处还设有密封元件。有的压缩机，气体从气缸中间排出，到缸外进行冷却后，再回到气缸内继续进行压缩，表2.1离心式压缩机的分类分类方法类型名称结构特点或用途按照机壳数目分单缸型只有一个机壳多缸型具有二个以上机壳按照气体在压缩过程中的冷却次数分单段型气体在压缩过程中不进行冷却多段型气体在压缩过程中至少冷却一次等温型气体在压缩过程中每次都进行冷却按照机壳的剖分方式分水平剖分型机壳被水平剖分为上下两半筒型机壳为垂直剖分的圆筒设备基础知识第二章气体压缩及输送设备4有一次这样中间排出又返回的称为二段压缩，有的压缩机一缸可以有几个这样的段。下面将对离心式压缩机主要部件的基本结构和作用进行介绍。1.吸入室2.叶轮3.扩压器4.弯道5.回流器6.蜗壳7、8.轴端密封9.支持轴承10.止推轴承11.卡环12.机壳13.端盖14.螺栓15.推力盘16.主轴17.联轴器18轮盖密封19.隔板密封20.隔板图2-4离心式压缩机纵剖面结构图1.主轴主轴是起支持旋转零件及传递扭矩作用的。转子上的各零部件红套在主轴上，随主轴高速旋转。过盈装配不仅是传递扭矩需要，还是为了防止转动部件在旋转时由于离心力的作用而松动。另外，主轴与叶轮、平衡盘、推力盘等部件间还设有键，起到放松作用。各转子零部件在主轴上的定位是靠轴肩、定距套、锁进螺母及卡环来实现的。根据主轴的结构形式分为阶梯轴和光轴两种。2.叶轮叶轮又称工作轮，是压缩机转子上最主要的部件，叶轮随主轴高速旋转，对气体作功。气体在叶轮叶片的作用下，跟着叶轮作高速旋转，受旋转离心力的作用以及叶轮里的扩压流动，在流出叶轮时，气体的压力、速度和温度都得到提高。它是压缩机中唯一的作功部件。按结构形式叶轮分为开式、半开式和闭式三种。开式叶轮（见图2-5）结构最简单，仅由轮毂和径向叶片组成。在叶轮上，叶片槽道两个侧面都是敞开着的，气体通道是由叶片槽道和与叶片前后有一定间隙的机壳形成的。这种通道对气体流动不利，使气体流动损失很大，此外，在叶轮和机壳之间引起的摩擦鼓风损失也最大，故这种叶轮的效率最低，在压缩机中很少被采用。设备基础知识第二章气体压缩及输送设备5半开式叶轮（见图2-6）叶片槽道一侧被轮盘封闭，另一侧敞开，改善了气体通道，减少了流动损失，提高了效率。但是，由于叶轮侧面间隙很大，有一部分气体从叶轮出口倒流回进口，内泄漏损失大。此外，叶片两边存在压力差，使气体通过叶片顶部从一个槽道潜流向另一个槽道，因而这种叶轮效率仍不高。闭式叶轮由轮盖、轮盘和叶片组成。这种叶轮对气体流动有利。轮盖处装有气体密封，减少了内泄漏损失。叶片槽道间潜流引起的损失也不存在，因此效率比前两种叶轮都高。另外，叶轮侧面和定子间隙也不像半开式叶轮那样要求严，可以适当放大，使检修时拆装方便。这种叶轮在制造上虽较前两种复杂，但有较高的效率和其他优点，故在工业压缩机中得到广泛应用。图2-5开式叶轮图2-6半开式叶轮3.平衡盘在多级离心式压缩机中因每级叶轮两侧的气体作用力大小不等，使转子受到一个指向低压端的合力，这个合力即称为轴向力。轴向力对于压缩机的正常运行是有害的，容易引起止推轴承损坏，使转子向一端窜动，导致动件偏移与固定元件之间失去正确的相对位置，情况严重时，转子可能与固定部件碰撞造成事故。平衡盘是利用它两边气体压力差来平衡轴向力的零件。如图2-7所示，平衡盘位于高压端，它的一侧压力是末级叶轮盘侧间隙中的压力，另一侧通向大气或进气管，通常平衡盘只平衡一部分轴向力，剩余轴向力由止推轴承承受，在平衡盘的外缘需安装气封，用来防止气体漏出，保持两侧的差压。轴向力的平衡也可以通过叶轮的两面进气和叶轮反向安装来平衡。图2-7平衡盘装置4.推力盘由于平衡盘只平衡部分轴向力，其余轴向力通过推力盘传给止推轴承上的止推块，构成力的平衡，推力盘与推力块的接触表面，应做得很光滑，在两者的间隙内要充满合适的润滑油，在正常操作下推力块不致磨损，在离心压缩机起动时，转子会向另一端窜动，为保证设备基础知识第二章气体压缩及输送设备6转子应有的正常位置，转子需要两面止推定位，其原因是压缩机起动时，各级的气体还未建立，平衡盘二侧的压差还不存在，只要气体流动，转子便会沿着与正常轴向力相反的方向窜动，因此要求转子双面止推，以防止造成事故。5.联轴器由于离心压缩机具有高速回转、大功率以及运转时难免有一定振动的特点，所用的联轴器既要能够传递大扭矩，又要允许径向及轴向有少许位移，联轴器分齿型联轴器、膜片联轴器和盘膜联轴器等，目前常用的是膜片式联轴器，该联轴器具有无油润滑、无磨损、热补偿性好、自动对中性好等特点。6.气缸气缸是压缩机的壳体，又称机壳。由壳身和进、排气室构成，气缸上，装有隔板、密封体、轴承体等零部件。对它有如下要求：(1)有足够的强度以承受气体的压力；(2)法兰结合面应严密，保证气体不向机外泄漏；(3)有足够的刚度，以免变形。6.1气缸的形式离心式压缩机气缸可分为水平剖分型和垂直剖分型(又称筒型)两种。气体压力比较低(一般低于5MPa)的多采用水平剖分型气缸，气体压力较高或易泄漏的，要采用筒型缸体。水平剖分型气缸有一个中分面，将气缸分为上下两半，分别称为上、下气缸，在中分面处用螺栓把法兰连接在一起。法兰结合面应严密，保证不漏气。一般进、排气接管或其他气体接管都装在下气缸，以便拆卸时起吊上气缸方便。打开上气缸，压缩机内零部，如转子、隔板、迷宫密封等都容易进行拆装。垂直剖分型气缸适应于中高压压缩机。如图2-4，气缸是一个圆筒，两端分别有端盖板，用螺栓把紧。隔板有水平剖分面，隔板之间有止口定位，形成隔板束。转子装好后放在下隔板束上，盖好上隔板束，隔板中分面法兰用螺栓把紧，隔板束件可用贯穿螺栓连起来，推入筒型缸体安置好后，贯穿螺栓可以卸掉。为了导向和防止隔板束转动，在气缸下部设有纵向键。轴承座可以和端盖板做成一个整体，易于保持同心，也可以分开制造，再用螺栓连接。和水平剖分型缸体比较起来，筒型缸体具有以下优点：第一，筒型缸体强度高；第二，筒型缸体泄漏面小，气密性好；第三，筒型缸体的刚性比水平剖分型好，在相同条件下变形小。筒型缸体的最大缺点是拆卸困难，检修不便。6.2气缸的固定原则气缸固定在机座上，压缩机在启动、停机和运行中负荷变化时，气缸各部分温度都会发生变化而引起相应的膨胀和收缩。如果膨胀和收缩不能合理、自由地进行，就可能引起气缸、轴承座的部件的变形，使中心对中偏差加大，振动加剧；同时引起压缩机内的间隙变化，造成动、静部分碰伤或者效率降低。因此气缸设备基础知识第二章气体压缩及输送设备7固定必须考虑到膨胀和收缩问题，要求气缸合理地自由伸缩。通常在气缸、轴承座和机座之间装设轴向键和水平横向键。有的压缩机采用挠性板支撑系统，不设轴向键。如图2-8所示，A为轴向键，B为水平横向键，气缸可以沿图中箭头所示方向自由膨胀和伸缩，而不会移动或旋动。图中A-A和B-B的空间交点E是不动点，常称为气缸的死点。键和机座之间应紧配，而键与气缸键槽、气缸猫抓螺钉与螺钉孔间及螺帽垫圈下均应留有足够的间隙，以使气缸伸缩。图2-8气缸机座滑键的布置在气缸固定时，要特别注意气体管道与气缸的柔性连接，以保证不因管道的收缩影响气缸的定位。7.隔板隔板形成固定元件的气体通道，根据隔板在压缩机中所处的位置，隔板有4种类型：进气隔板、中间隔板、段间隔板和排气隔板。进气隔板和气缸形成进气室，将气体导流到第一级叶轮人口，对于采用可调预旋的压缩机，在进气隔板上还要装设可调导叶，以改变气体流向第一级叶轮的方向角。中间隔板的任务有二：一是形成扩压器，二是形成弯道（与气缸一起）和回流器。段间隔板是指在分段叶轮对置的压缩机中分隔两段的排气口。排气隔板除了与末级叶轮前隔板形成扩压器外，还要与气缸形成排气室（蜗壳）。(1)扩压器：气体从叶轮流出时，它仍具有较高的流动速度。为了充分利用这部分速度能，以提高气体的压力，在叶轮后面设置了流通面积逐渐扩大的扩压器。扩压器一般有无叶、叶片、直壁形扩压器等多种形式。无叶扩压器通常是由两