陕西鼓风机厂轴流压缩机培训教材.doc

目 录一、 轴流压缩机的发展概况二、 轴流压缩机的基本工作原理三、 机组的自动调节及保安系统四、 轴流压缩机选型五、 轴流压缩机与管网联合工作六、 轴流压缩机配套辅机设备七、 其他一、 轴流压缩机的发展概况在十九世纪，轴流式鼓风机已应用于矿山通风和冶金工业的鼓风。但限于当时的理论研究和工业水平还比较落后，这种风机的全压只有1030mmH2O，效率仅达1525%。1853年都纳尔（Tournaire）向法国科学院提出了多级轴流式压缩机的概念。1884年英国C.A.帕森斯（Parsons）将多级反动式透平反向旋转，得出了第一台实验用轴流式压缩机，但效率很低。二十世纪初期，帕森斯制造了第一台轴流式压缩机，19级，流量85m3/min，压力12.1kPaG，转速4000r/min，效率约60%。由于效率低，故轴流式压缩机未能成功地推广应用。从二十世纪三十年代开始，由于航空事业发展的需要，对航空燃气轮机进行了大量的理论和试验研究，特别是对轴流式压缩机的气体动力学的理论研究和平面叶栅吹风的实验研究，使轴流压缩机的理论和设计方法不断完善，效率提高到8085%。从四十年代开始，轴流式压缩机已广泛应用于航空燃气轮机中，迄今仍占有很重要的地位。现代轴流式压缩机的效率可高达8991%，甚至更高。瑞士苏尔寿（SULZER）公司是世界上轴流压缩机设计制造技术的先进代表。1932年苏尔寿公司制造了世界上第一台增压锅炉使用的工业轴流压缩机，1945年苏尔寿公司制造了第一台轴流式高炉鼓风机，其流量为12001800m3/min，压力为78775142179Pa(G)，转速为5200r/min，功率为3900kW，由电动机驱动。此后轴流式高炉鼓风机逐渐被采用，多为固定静叶式，由汽轮机驱动，通过改变汽轮机的转速来调节高炉使用工况。这种压缩机的缺点是稳定工作区较窄，而且在部分负荷时压缩机的效率比较低。为了改善变工况时压缩机性能，瑞士BBC公司（苏尔寿公司前成员之一）研制了静叶可调机构，并于1960年制造出第一台静叶可调轴流式高炉鼓风机。其优点是在压力不变的情况下，流量范围较宽而且变工况运行时效率降低不多，因而在大型高炉鼓风机中得到广泛应用。静叶可调机构的主要问题是解决静叶支承轴承的可靠性和耐用性。BBC公司采用了特殊的石墨轴承，在200的条件下进行了5106次转动试验，轴承磨损只有18微米。按每小时转动25次计算，轴承寿命可达20万小时，如果每年工作时间按8000小时计算，可使用25年以上，故可认为是足够可靠耐用的。随着世界各国氧气炼钢的飞跃发展，轴流压缩机在大型空气分离装置中亦获得了广泛应用。六十年代初期，日本日立公司在10000Nm3/h的制氧机装置中采用了轴流压缩机，其空气流量为1083Nm3/min，出口压力为6.03bar(G)，功率为6300kW，压缩机为双缸，气缸间设有中间冷却器。近代制氧机装置中的空气压缩机多采用轴流式加离心式的复合式机型，如瑞士苏尔寿公司的等温压缩机ARI型和德国GHH公司的AGR、AKF型。静叶可调轴流压缩机具有效率高、适于大中流量和工况调节范围宽等特点，除了高炉、空分装置、炼油厂催化裂化装置、大型风源风洞、各种燃气轮机等传统用途外，随着石油、化工等行业的发展而不断扩大新的应用领域，如热压缩装置、液化天然气装置、制药及动力装置等。在能源日益紧缺的今天，世界各国把节能做为一项重要工作来不断开发新技术和新工艺，其中电站增压流化床燃气/蒸汽联合循环发电装置（PFBC-CC）已从试验进入实用阶段，轴流压缩机做为增压锅炉主风机得到推广应用。大型钢铁厂为提高综合热效率，也成功地研制了高炉煤气单燃气燃烧综合循环发电装置（CCPP），其中的煤气压缩机采用了轴流压缩机。另外，以前300700m3高炉鼓风机多采用效率较低和工况调节范围较窄的离心式鼓风机，由于轴流压缩机效率高、能耗低，以及没有放风损失，没有进口节流调节时压力损失等优点，现已开始广泛推广应用取代离心式压缩机。我国的轴流压缩机发展起步较晚，也是从燃气轮机中的压缩机研究开始起步的，到20世纪六十年代未期第一台试制成功，1970年开始投运。该轴流压缩机为全部静叶固定，效率约为8586%。1979年陕西鼓风机（集团）有限公司从已有五十多年轴流压缩机生产历史、具有世界先进水平的瑞士苏尔寿兄弟有限公司引进了轴流压缩机的专利和技术秘密，包括试验研究、气动设计、结构设计、强度计算、产品图纸、工艺文件、工装图纸、质量控制、检验文件、技术标准和设计与工艺等的全新计算机软件，为中国的轴流压缩机设计制造技术的发展揭开了新篇章。通过对苏尔寿轴流压缩机技术的消化、吸收、掌握、改进，到1986年完全实现国产化，设计、制造、加工水平完全符合国际有关通用标准以及用户的技术规范，实现了替代进口的目标并销往国外，先后为冶金、石油及化工、电站、制药和风洞试验等行业设计制造了140多台套轴流压缩机产品。目前，陕鼓集团已成为国内唯一独立设计、制造全静叶可调轴流压缩机的企业，其轴流压缩机技术处于国际先进水平，并为我国轴流压缩机的发展和设计应用起到了巨大推动作用。二、轴流压缩机的基本工作原理1、典型结构一台全静叶可调轴流压缩机主要由机壳、转子、叶片承缸、调节缸、进口圈、扩压器、轴承等组成。a、机壳：又称外缸，即为支承内部件（如叶片承缸、调节缸等）之用，又辅助作为进气、排气蜗室。b、调节缸：又称中缸，通过轴向移动改变静叶角度，从而改变压缩机的工作工况。若为静叶固定型轴流压缩机，则无调节缸。c、叶片承缸：又称内缸，支承静叶，又作为气体在压缩过程中气流通道。d、转子：是压缩机的最重要部件，转子上装有多级动叶。通过转子的高速旋转来提高气体压力。e、进口圈：又称收敛器，它使气流逐渐均匀和适当加速。f、扩压器：它将压缩气体中一部分动能进一步有效转达化为压力能。g、轴承：支撑压缩机转子用。包含支承轴向（径向）和轴向推力轴承。图2-1 轴流压缩机典型示意图2、轴流压缩机的工作过程一级动叶与紧跟其后的一级静叶构成轴流压缩机的一个级。这种首尾相接、串联而成的各个级构成轴流压缩机最主要的工作部分，既压缩机的通流部分。轴流压缩机的整个流道由进气管、进气蜗室、进口圈、进口导流叶片、通流部分、扩压器、排气蜗室、排气管组成。其过程是：气流首先通过进气管进入进气蜗室。气体在进气蜗室中的流动不均匀。由进气蜗室进一步流入进口圈（又称收敛器），气流逐渐轴向均匀流动，并适当加速。进口圈后是第0级进口导叶（又称进气导流器），气流经过导叶后更加均匀并以一定的速度和方向进入第一级动叶和后面的通流部分。当气流通过最后一级动叶和最后一级静叶后进入扩压器。扩压器的作用为将大部分动能进一步转化为压力能，提升压力。从扩压器出来的高压气体进入排气蜗室，改变方向流至排气管处。通过与排气法兰连接的管道送入工艺系统供风。气体流经高速旋转的动叶时，动叶将机械能转变为气体的压力能和动能，从而提高了气体的压力和速度。在能量转变过程中有少部分机械能通过其它损失方式转变为热能，故压缩过程中气体温度会逐渐提高。气流流经静叶时，一方面将部分动能进一步转化为压力能，起到扩压作用，另一方面将气体以一定速度和方向引入下一级动叶。通过一级气体的压力提高了。对于一般固定式轴流压缩机叶栅，其单级压比通常为1.11.25。故一台轴流压缩机往往是通过多级的串联工作达到所需要的压力。轴流式压缩机的命名缘于气体在逐级压缩过程中基本是沿轴向方向流动的三、 机组的自动调节及保安系统为了满足工艺系统的要求和保证机组安全可靠运行，机组设置了以下调节及自动保护系统。1、轴流压缩机的防喘振调节压缩机工作时，如果工艺系统管网阻力增加，使压缩机出口压力增高，流量下降，叶片气流冲角增大，这样在叶片背面产生气体分离，形成脱离区，使压缩机出口压力突然下降，一般随着压力下降分离消失，压力再升时这种分离反复发生形成喘振。严重时还会出现气体的倒流。喘振使叶片产生强烈振动，并使压缩机机壳内温度急剧升高，持续下去就会使压缩机损坏。为了防止喘振的发生，在压缩机出口设置了两个防喘振调节阀，根据实测的喘振线标定防喘振阀的放风线进行防喘控制。实际操作中根据压缩机喉部压差确定的流量和出口压力，在接近排放线时，使防喘振阀打开，增加风机出口流量，从而保证压缩机在安全区域内运行。2、 压缩机的逆流保护逆流保护是压缩机喘振的第二道保护措施，如果防喘振系统失灵，逆流保护可使压缩机迅速进入安全运行。如逆流继续存在机组则紧急停机。3、机组的监测保护为了保证机组的安全运行，机组设置了润滑油压力、动力油压力、机组振动、轴位移等一系列监测保护。另外机组还设置了整套的逻辑程序控制系统，完全由计算机程序控制来保证机组的安全运行。4、 润滑油系统润滑油站为三机组，提供润滑油。油站采用两台电动油泵互为主辅油泵。采用双联冷油器和过滤器，均为一台工作，一台备用。5、 动力油系统动力油站是为轴流压缩机静叶可调装置中的伺服马达提供所需的动力油。油站是选用两台恒压变量轴向柱塞泵，两台泵互为备用。油站配有两台滤油器和一台冷油器。油站选用两个蓄能器并配备一套充氮工具，以便在突然停电时，将静叶关小到最小角度。油站中油箱和油管路均采用不锈钢材料。油站配有一个就地检测仪表盘。四、 轴流压缩机选型1、 轴流压缩机与离心压缩机的比较由于轴流压缩机气体压缩过程的流道短且简单，气体转向变化小，基本是沿轴向流动，离心压缩机压缩气体的流道长且有较多的急剧转弯，因而轴流压缩机损失小，效率高。另外，轴流压缩机的叶栅在空气动力学方面的理论研究和试验工作相对比较充分，试验数据和设计方法比较成熟，所以轴流压缩机效率通常比离心压缩机高8%10%。压缩相同容积的气体时，具有复杂流道的多级离心压缩机机器尺寸比轴流压缩机大的多，重量重成本高。因而离心压缩机适合于中、小流量的场合，轴流压缩机适合于中、大流量的场合。轴流式压缩机：适合于大、中流量，中等压力范围，流量在950m3/min以上，一般流量越大越好，但一般受压缩机结构限制，单台最大流量一般小于17500m3/min；压比一般适合于2.57.2。当流量较大时，可采用两台轴流并联方式；当压力较低可采用特殊结构；当压力更高时，可采用一台轴流与一台离心或一台轴流串联方式。采用全静叶可调式轴流压缩机，调节工况范围宽，不用放风运行，效率高，比离心式压缩机效率高10%左右，省功节能，噪音低。离心式压缩机：适合于1000m3/min以下流量，单缸离心压缩机一般允许压比小于9，压比再大可采用一台多缸串联式离心式压缩机。离心压缩机效率低，能耗大；调节工况范围窄，在较多情况下存在放风损失；采用进口节流调节，存在压力损失，噪音大，但技术简单，造价低。我国在5080年代由于轴流压缩机技术落后，在流量1000m3/min到3000m3/min或4000m3/min以下多采用离心式压缩机，如K3250、K4250、0-2700、AK1300等。图3-1 全静叶可调轴流压缩机与进口节流离心压缩机工况调节范围比较现今由于轴流压缩机技术日益成熟，流量在1000m3/min以上，已广泛采用效率高、节能效果较好的轴流压缩机。全静叶可调轴流压缩机流量调节范围（非等力工况调节）可达约50%115%以上，进口节流调节离心式压缩机的流量调节范围（非等力工况调节）约为85%105%，而若为排气管网自调的离心压缩机只能沿其一条性能曲线调节，调节范围更小。离心式与全静叶可调轴流式压缩机工况调节范围的比较见图3-1。依一台450m3高炉鼓风机为例，轴流压缩机与相应的离心式压缩机相比，由于效率高和没放风损失等每年节能约275.6万元。功率对照如和表3-1。流量越大，节能越明显。表3-1 轴流、离心式压缩机在各工况点效率、耗功对比表压缩机型式单位ABCDE进口压力Bar(A)0.9410.9410.9610.9610.952进口温度23.223.2-7.3-7.39.0相对湿度%6060787870流 量Nm3/min21461717160918781985排气压力Bar(A)3.22.72.73.23.2轴流效率%87.588.287.189.589.8耗功KW70184679386752165928离心效率%84*81耗功KW7490*6640说明：*点为离心风机需放风运行。每度电按0.40元计，离心按15%时间放风15%计，每年运行8000小时，则轴流较离心节能：（6640-5928）80000.4+6640800015%15%0.4=227.8+47.8=275.6万元在同等装置中，轴流压缩机与离心压缩机对比如表3-2。另表3-3将轴流压缩机与离心压缩机的对比作了汇总。表3-2 同等装置中轴流与离心压缩机的对比项目轴流压缩机离心压缩机风机体积小大风机重量轻重机组运行经济性高，因风机效率高，调节范围宽低，因风机效率低，调节范围窄机组控制自动化控制手动操作风机噪音低高基础尺寸小大表3-3 轴流压缩机与离心压缩机的对比序号项 目轴流式离心式1适用流量950m3/min以上950m3/min以下2适用压比2.78中低压比高中压力3效率(8992)一元流小于80三元流82左右4调节方式静叶角度调节或转速调节进口节流调节或转速调节5调节范围AV型为(50125)A型为(60120)调节范围很有限,难以满足不同工况6需否放风不需要放风常需放风7调节稳定性风量风压波动小风量风压波动大8起动速度快(1小时内)慢(3小时)9噪音较低较高10经济性高，能耗小低，能耗大11技术密集程度高低12结构复杂较简单13制造成本高较低因此，建议流量在1000m3/min以上的鼓风机、压缩机选用轴流式压缩机，有利于降低能耗和运行成本。2、静叶可调式与变转速（静叶固定式）轴流压缩机的比较图3-2 静叶可调与转速可调（静叶固定）轴流压缩机工况调节范围比较静叶可调轴流压缩机：喘振线较平坦，调节范围宽。一般工作转速固定，原动机可以为电机或汽轮机，叶片振动频率容易避开，安全性高。有调节缸，利于降低噪音。但采用电机拖动时，机组布置时多一变速器。因有调节机构，静叶可调轴流压缩机成本较高。静叶固定轴流压缩机：一般须采用变转速汽轮机或可调速电机拖动。变转速调节，避开叶片共振频率和临界转速难度较大，故安全性差。噪音稍大，但无需调节缸和调节机构，成本稍低。静叶可调式与变转速（静叶固定式）轴流压缩机工况调节范围比较，前者比后者一般大1030%左右，见图3-2。若用户要求工况调节范围较大时，建议选用静叶可调式轴流压缩机。3、全静叶可调与部分静叶可调轴流压缩机的比较全部静叶可调轴流压缩机：在变工况运行时，由于其每级静叶角度均可作相应的改变，因而避免了压缩机过早发生喘振或阻塞，减少气流在流动中的冲击损失，有利于增大调节范围和提高效率，但设计制造成本稍高。部分静叶可调轴流压缩机：前几级静叶角度可根据工况变化而进行调节，但其余后面静叶固定，容易导致压缩机在部分变工况区域运行时提前喘振或阻塞，同时增大后面级的冲击损失，因而调节范围窄、效率较低。部分静叶可调与全静叶可调轴流压缩机工况调节范围比较，后者一般比前者大约520%，见图3-3。图3-3 全静叶可调与部分静叶可调轴流压缩机工况调节范围比较建议尽量选用全部静叶可调型式，有利于降低能耗，增大调节范围。五、 轴流压缩机与管网联合工作 静叶可调式轴流压缩机的运行范围图3-5 轴流压缩机有效运行区域及正常运行工况范围静叶可调式轴流压缩机，静叶角度有一允许的变化范围，超出此范围运行，压缩机容易处于不安全状态。运行时超过最大允许角度max，压缩机有可能进入第一级阻塞状态，不适于长期运行；若小于最小安全运行角1运行，压缩机极易进入旋转失速状态，非常危险，故不允许压缩机小于最小安全运行角1运行；将各静叶角度下喘振点连成线，即为喘振线，喘振对压缩机危害非常大，为确保压缩机不发生喘振，在喘振线下还设有防喘振线或报警线。轴流压缩机的有效运行区域，见图3-5。以高炉鼓风机为例，其要求的运行范围通常为工况点A、B、C、D、E、F所确定的范围。一般的轴流压缩机有效运行区域超过用户要求工况范围。1、静叶可调式轴流压缩机的启动角若原动机为电机，根据电机的特性，希望启动时阻力矩较小，便于安全、快速地启动。因此，静叶可调式轴流压缩机在启动时，一般都将静叶角度开到最小即启动角，同时将放风阀打开，此时风量、风压、功率较小。当风机在启动角0从零转速快速升至额定转速时，风机处于不安全的旋转失速状态，因此必须尽快将静叶角度从0释放到最小安全运行角1。若原动机汽轮机等变转速，压缩机启动时静叶角0一般等于最小安全角1即可。2、压缩机运行时与管网的关系任何压缩机不是独立运行的，而是与管网协调工作。所谓管网，是指压缩机后面全部装置的总称。当气流通过管网系统时，存在压力损失（阻力损失），气体压力不断下降。每一种管网系统都有自己的性能曲线，它是指通过管网的气体流量与保证这个流量通过管网所需的压力之间的关系曲线，即P=f(Q)。这个压力P是用来克服管网系统阻力的，所以管网性能曲线也称为管网阻力线。管网阻力曲线可以是各种各样的，它决定于管网本身结构和用户的要求，基本可以归纳为三种形式：a、管网阻力与流量无关（如图3-6（a）它的压力基本保证不变。如污水处理风机，曝气池污水深度不变，则风机压力基本不变；如向大型储气筒供气，储气筒容积甚大，则压力也基本保持不变，表示为P=Pr。b、管网阻力与流量平方成正比（如图3-6（b）从流体力学中知道，管道阻力的大小与流速的平方成正比，即与流量成正比，用P=AQ2表示。大部分管网都有这种特性。如输气管道，高炉鼓风、燃气轮机等。其中A由管网构造组成及输送介质决定，为常数。3、综合形式（图3-6（c）其表示为P=Pr+AQ2。例如转炉组成的管网。图3-6 几种管网特性（阻力）曲线对于压缩机的运行工况点（Q0、P0），则位于压缩机性能曲线与管网阻力曲线交叉点上。在管网系统上的任何改变，如闸阀、高炉炉阻改变等，则管网阻力线发生变化，运行工况点（Q、P）发生改变。如轴流压缩机静叶角度或转速改变，性能曲线也会发生改变，则工况点也会发生变化。如图3-7图3-7 静叶可调轴流压缩机运行工况点与管网阻力线的关系六、 轴流压缩机配套辅机设备1、大型高炉鼓风设备的配置a.电动机对于两万kW以上的机组基本上采用进口德国西门子公司或美国JE公司的大型电动机，电机启动采用变频启动。b.汽轮机德国西门子、杭汽、广州斯科达c.齿轮箱选用了瑞士马格齿轮箱、德国弗兰德、台塑重工等产品。装在齿箱高速轴的盘车装置采用了3S离合器实现了自动投入自动脱扣的功能。d.联轴器意大利约翰克兰、德国弗兰德e.动力油站全不锈钢油站 油泵选用德国力士乐、美国 Park 公司f.润滑油站油压调节阀选用美国Fisher公司h.防喘振阀选用美国Fisher公司i.止回阀德国KROMBACH公司j.波纹补偿器南京晨光、无锡金龙k.顶轴油泵德国BOSCH公司2、近年来成套技术的改进与发展a.电动机应用于轴流压缩机上的大启动力矩电动机的配套由原来的上海电机厂发展到现在的兰电、沈电、湘潭电机厂。而大型电机则选用了西门子和JE公司的产品。b.汽轮机在国内我们配套的大部分汽轮机还是杭汽的产品，但是并不是唯一的还有西门子、斯科达、青汽的汽轮机可供我们选择。c.过滤器这里我觉的需要说明一下，在以前我们有个不成文的规矩那就是化工企业推荐选用卷帘式而在冶金企业选用布袋式。但是近几年滤桶式过滤器迅速崛起大有取代其他两种过滤器之势，我们也配套了不少滤桶式，因为它一次性投入大大低于布袋式产品而过滤精度又远高于卷帘式，操作控制方式又非常简单，很受欢迎。但是有个最大的缺点就式使用成本很高，一般一到两年就要全部更换滤桶，它的价格要超过整个过滤器价格的一半以上。因此我们在和用户签定协议时应该让用户有知情权，由用户考虑所能承受的范围。再就是在以后签定协议时如果冶金企业坚持要卷帘式则必须要设置吸风塔。d.补偿器现在进气补偿器一般选用纤维式补偿器，但在资金允许的情况下还是选用金属补偿器比较好。纤维补偿器的主体部分为玻璃纤维织物及涂覆制品层，刚度低，弹性反力小，可简化设计，节约成本。但正是刚度低导致了一个安全隐患，一般情况下风机入口都是负压而且是常温因此对纤维补偿器来说是游刃有余，但是一旦风机出现喘振现象或逆流它的刚度低将是致命弱点。e.防喘振阀气动的产品因为比较成熟，我这里就重点讲一下液动防喘振阀的情况。我们用过的液动防喘振阀大概有以下几类：1.铁岭阀门厂生产的液动碟阀。配套于本溪一铁厂AV40-9机组。2.哈尔滨松山汽轮机设备配件厂生产的液动双座阀。配套于首钢AV100-17机组。3.Fisher公司生产的液动碟阀。配套于武钢两台AV80机组，一台AV63机组。邯郸AV71机组。还有就是曼公司为鞍钢AV100配套的液动蝶阀，采用了Fisher的碟阀体和自己的液压系统。曼为武钢AV90机组配套的液动双座阀。我们比较一下各个配置的优缺点。(1)铁岭的液动蝶阀的控制类式我们的伺服马达的控制由一个BD15阀来完成阀门的调节控制，电磁阀和弹簧完成阀门的快开动作。成本低廉但是控制精度不高，死区大。(2)哈尔滨松山汽轮机设备配件厂生产的液动双座阀。也类式我们的伺服马达的控制由一个MOOG阀来完成阀门的调节控制，电磁阀和弹簧完成阀门的快开动作。但由于是双座阀因此成本高，但是控制精度好。这两类阀都需要单独的伺服控制器。(3)Fisher公司生产的液动碟阀。能接受PLC给出的4-20 MA 标准信号，但是控制系统复杂且都集成在阀头上对管道震动特别敏感，维护复杂，困难度大。(4)曼公司为鞍钢AV100配套的液动蝶阀。简化了原Fisher阀的复杂控制回路采用了VOITH阀，不需要单独的伺服控制器。由电磁阀和弹簧完成阀门的快开动作。成本低于曼为武钢AV90机组配套的液动双座阀。但控制系统还是装在阀头上，对管道震动敏感。(5)无锡工装的智能型电液阀。f.止回阀国产止回阀的配套厂家基本上为铁阀、三明、启东等。国外产品以前一直选用德国ADAMS公司的产品，最近又开发了一个新的厂家就是美国的KROMBACH公司的止回阀。止回阀是工艺系统出现异常时重要的保护手段，因此它的选配