设备管理_风机设备知识简介

风机设备 风机的种类 风机常见的分类方法 风机是压缩并输送气体的通用机械 风机种类繁多 各有其不同的不同的结构特点和适用范围 按作用原理分 从使气体压力升高的原理出发 风机大体分三个类别 容积式 透平式和喷射式 其中容积式 包含往复式和回转式 细分有以下几种 罗茨式 靠两个 8 形截面转子做相反的旋转 吸进气体压送到排气管道 叶氏式 靠两个特殊形状叶片组成的转子做相反的旋转 吸进气体压送到排气管道 螺杆式 气体压缩行业 风机的种类 透平式细分有以下几种 1 离心式 气体进入旋转的叶片通道 在离心力作用下气体被压缩并抛向叶轮外缘 气体沿叶轮径向流动 气流方向与风机主轴轴线垂直 2 轴流式 气体轴向进入旋转的叶片通道 由于叶片与气体相互作用 气体被压缩并轴向排出 气体沿主轴轴线轴向流动 3 混流式 气体以与主轴成某一角度的方向进入旋转的叶片通道 而获得能量 也称斜流式 风机的种类 透平式压缩机械的分类按气流运动方向分类离心式 气体在压缩机内沿离心方向 或半径方向 流动 也称径流式 轴流式 气体在压缩机内沿与转轴平行方向流动 混流式 气体在压缩机内的流动方向介于离心式和轴流式之间 图列出了透平式压缩机械的三种通流形式 离心式混流式轴流式 风机的种类 按压力分类通风机 指大气压力为10 325kPa 温度为20 出气口全压值小于15kPa 表压 的风机 鼓风机 指升压大于15kPa 200kPa 表压 之间或压比大于1 15小于3的风机 压缩机 指升压大于200kPa 表压 之间或压比大于3的风机 按用途分类根据风机用于某种装置的名称或者以通过风机的介质名称来命名分类 如高炉鼓风机 空气分离压缩机 锅炉引风机 烧结鼓风机 煤气鼓风机 天然气压缩机 氧气压缩机等 使用范围 图中表示了各类压缩机的使用范围 各类压缩机的使用范围 透平式压缩机和容积式压缩机的特点比较 透平式压缩机流量大 如果与活塞式的具有相同流量的压缩机相比较 透平式压缩机的尺寸要小的多 出口压力变化幅度小 输气均匀 无脉动 气体无油污染 结构简单 易损件少 连续运转周期长 因为运转时无不平衡力 基础较小 基建投资少 可以用汽轮机 燃气轮直接驱动 便于整个装置的热力平衡 运行转速对材料及零部件制造精度要求高 容积式 以活塞式为例 压缩机排气压力可以在较大的范围内波动 高压力 小流量区域尤为合适 输气脉动 进排气流速低 机组热效率高 外形尺寸大 结构复杂 运行不平衡 基础尺寸大 易损件多 运行周期短 运行速度低 零部件多 由普通材料制成 透平机械参数和主要术语介绍 透平外来语Turbine音译技术名称 可意译为涡轮机械 它泛指具有叶片或叶轮的动力机械 如汽轮机 燃气轮机和水轮机 有时也称为蒸汽透平 燃气轮机和水轮机 有时也称为蒸汽透平 燃气透平和水力透平 和风能装置中的风力透平等 对于具有叶片或叶轮的压缩机械 原则称为透平式压缩机和透平式泵 透平机械中还包括液力透平传动装置 如液力偶合器等 轴流式压缩机属于透平机械类 有时也将汽轮机 燃气轮机和透平式压缩机统称热力透平机械 1 流量容积流量 指单位时间内流经风机的气体容积 习惯上均指进气容积流量 用表示 其单位为m3 s m3 min m3 h 在冶金 石油 化工及空气分离等流程中应用的压缩机 常以标准状态下的容积流量为指标 称作标准容积流量 用表示 其单位为Nm3 min Nm3 h 质量流量 指单位时间内流经风机的气体质量 用表示 其单位为kg s kg min 如果忽略外漏量 则压缩机进口和出口的质量流量是相等的 透平机械参数和主要术语介绍 2 压力动压 单位体积流动时所具有的能量 静压 单位体积气体所具有势能 垂直作用在壁面上 全压 单位体积气体所具有的总能量 全压等于动压和静压之和 气体在单位面积的容器壁上所作用的力叫气体压力 其单位有mmH2O mmHg kgf cm2 Pa bar MPa 1MPa 10bar 106Pa表压力 用压力表测量所指示的压力 绝对压力 气体的真实压力 即表压力加上当地大气压 进口压力 指压缩机进口法兰处气体压力 出口压力 指压缩机出口法兰处的气体压力 压比 指压缩机出口压力和进口压力之比 离心压缩机的基本工作原理 图为离心压缩机的单级示意图 离心压缩机的基本工作原理 在压缩机主轴上安装有离心式叶轮 当原动机回转时 叶轮的叶片对气体做功 并推动气体流动 然后气体经过扩压器和蜗壳流出 由理论分析可知 旋转叶片给气体以作用力 并使气体受离心力的作用由内向外甩出 得以升压和降压速 从而获得压力能和速度能 即动能 气体从叶轮流出后具有很高的速度 我们希望将气体速度降低以提高其压力 为此不仅叶轮的通道作成扩散型 由里向外面积逐渐扩大 而且扩压器的通道也是扩散型的 因而使高速气流逐渐减速 动能转化为压力能 使气体压力升高 通常一级离心叶轮的压比约为1 30 1 70 要获得较高的压力 可以在主轴上装设几级叶轮 并使流道串联起来 使气体逐级压缩 则成为多级离心压缩机 轴流压缩机的基本工作原理 1 进口导流叶片 2 工作叶片 也称动叶片 3 中间流导叶片 也称静叶片 4 整流装置 5 轴承 6 密封 7 扩压器 8 转子 9 机壳 10 收敛器图为轴流压缩机的构造示意图 轴流压缩机的基本工作原理 在压缩机主轴上安装有多级动叶片 整个通道由收敛管 进口导流叶片 各级工作叶片 动叶片 和导流叶片 扩压器等组成 气体由进口法兰流经收敛管10 使进入进口导流叶片1的气体均匀 并得到初步的加速 气流流经进口导流叶片间的流道 使气流整理成轴向流动 并使气体压力有少许提高 转子8由原动机拖动作高速旋转 由工作叶片2将气流推动 使之大大加速 这是气体接受外界供给的机械能转变为气体动能的过程 高速气流流经导叶片3构成的流道 相当于扩压管 在其中降低流速而使气体压缩 这是靠减少气流动能来使气体压缩的升压过程 一列工作叶片 动叶 与一列导流叶片 静叶 构成一个工作级 气体连续流经压缩机的各级 逐渐压缩升压 最后经整流装置4将气流整理成轴向 流经扩压器7 在扩压器中气流速度降低 压力升高 最后汇入蜗壳经出口法兰排出压缩机 轴流压缩机每级的增压比不大 约为1 15 1 25 若要获得较高的压力 需要较多的级 例如压比为4的空气压缩机 一般需十几级 轴流压缩机与离心压缩机性能进行比较 由于轴流压缩机气体压缩过程的流道短而且简单 气流转向变化小 基本上是沿着轴向流动 不像离心压缩机那样压缩气体在流道中有较多的急剧转弯 因而减少了损失 提高了效率 另外 轴流压缩机在叶栅理论等空气动力涫等方面的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 所以轴流压缩机的效率通常比离心压缩机高出5 10 因为轴流压缩机和离心压缩机在气动原理 结构特征 性能特性上有着较大的差异 不好说哪一个具有绝对的优势或不足 但是对于给定了用途的场合 是能够比较选出某一种型式较为合适的 下面从两种压缩机的适用范围 特性曲线及变工况特性方面做一比较 并例举两个实例进一步说明 轴流压缩机和离心压缩机的适用范围 轴流压缩机一般适用于大 中流量和低 中压力的范围 流量范围一般为800 10000Nm3 min 单缸压比约2 7 9 双缸排气压力可达3 89MPa 离心压缩机一般适用于中 小流量和中 高压力的范围 流量范围一般为20 2000Nm3 min 大的也可达10000Nm3 min左右 单缸压比约3 5 10 多缸压缩缩机排气压力可高达70 90MPa 具有复杂流道的多级离心压缩机 比压缩相同容量气体时的轴流压缩机体积要大的多 其结果使机器不相称地变得重而且成本较高 因此对于中 小流量的场合离心压缩机是合适的 而在中大流量的场合轴流压缩机是适宜的 轴流压缩机的尺寸如果小到某限度以下 则效率不降低时 在每一级内产生足够的压力是难以实现的 其原因是对于小的机器来说要求有相当高的速度 这样作用在动 静叶及流道的动摩檫影响显著增大 另外 在轴承及增速齿轮的设计上也产生困难 而对离心压缩机来说则是较为容易实现的 在相同的性能要求下比设计成轴流压缩机通常要稍大些 这是因为速度较小的缘故 轴流压缩机和离心压缩机的适用范围 由于轴流压缩机具有大流量 结构紧凑和占用空间小的特点 在炼油厂催化裂化装置 空分装置以及冶金高炉装置的大型化方面逐渐步入甚至取代了属于离心压缩机的场合 这冶金行业来说 目前国外1000m3以上的高炉皆采用轴流压缩机 而在西欧安装的最后一台离心压缩机是在1958年 最大的离心式高炉鼓风机是前苏联七十年代初期制造的K7000 41 1型 功率为30000Kw 其结构为四级双进气中间冷却式 由变速汽轮机驱动 可与2700 5000m3高炉配套 在这个参数范围内显然不如采用静叶可调式轴流压缩机更为有利 国内新建的1000m3以上高炉也基本采用了静叶可调式轴流压缩机 但仍有相当数量的1000 1500m3的老高炉依然长期使用原苏联制造的K3250和K4250型离心压缩机 存在设备老化 耗能高和维护难的不足 面临着改选和更新换代 轴流压缩机也存在着自身的不足 主要表现在排气压力不高和等温效率低 为克服这个缺陷 一是采用两台轴流压缩机之间用中间冷却器进行一次冷却的方式 另一种是采用轴流 离心复合式结构 可以在轴流出口与离心进口之间进行一次冷却 也可在各离心级中间再进行一次或二次冷却 这种复合式压缩机由于具有流量大 压力高 等温效率高和优点 在空分装置中已获得普遍推广应用 需要说明的是 效率和流量并不是选择轴流压缩机和离心压缩机的唯一标准 更重要的是考虑两种压缩机在各种运转状态时的工作特性 轴流压缩机和离心压缩机的特性曲线 图一离心机图二轴流 轴流式压缩机级流量特性线的变化特点 从图1中可以看出 离心压缩机的性能曲线比较平坦 对流量的变化有较大的适应性 也就是说其有效工况范围 即从到之间的范围 较大 功率随着流量的增加而增加 从图2可以看出 轴流压缩机的性曲线要陡的多 这是因为在流量变化时 即变工况其性能受冲角变化的影响更敏感 不论冲角增大或减小 均可能在叶栅中出现气流分离 损失增大 另外 其级间的相互影响也较离心压缩机更明显 所以 它的有效工况范围较窄 但功率随着流量的增加而急剧减小 对应设计流量点 冲角最佳 效率最高 偏离设计点则效率明显降低 但反过来说 随着压力较大的变化 轴流压缩机的流量则变化很小 这一特性对高炉的控制是非常有利的 而离心压缩机当压力升高时 其容积流量却迅速减少 变转速调节时轴流压缩机和离心压缩机特性曲线 从图中可以看出 离心压缩机的压力曲线族近似平行 而且随着转速升高 整个曲线向大流量方向移动 大幅度地扩大了稳定工况区域 而轴流压缩机 随着转速增大 整个曲线也朝着大流量区移动 但压力曲线更加变陡 相对某一转速的稳定工况区域也变窄 但整个稳定工况区也有较大幅度提高 总体来看 在变转速调节运行时 轴流压缩机的工况范围仍比离心压缩机要小一些 压缩机静叶调节与转速调节对比 图中给出了轴流压缩机静叶调节和转速调节的工况比较 可以看出 采用静调节的工况范围较大 喘振线向左移而且更为平坦 改善了压缩机的特性 离心和轴流风机特点 离心风机 适用于中 小流量和中 高压力的范围 采用等温压缩使得其效率较高 因其特性曲线平坦 风机的运行工况区域较大 变转速调节特性较好 压力变化时流量变化也相应变化较大 叶轮清洁度对风机效率有较大的影响 对气体介质的磨损敏感性差 轴向推力较小 轴向推力主要由推力轴承承担 轴流风机 适用于大流量和中低压力的范围 多采用多级压缩 为获得高压比和效率 有采用轴流 离心复合结构或两台轴流压缩中间带中间冷却 其特性曲线较陡 风机运行高效区较小 变转速特性较差 采用全静叶可调可大幅扩大风机高效运行区域 因采用反动式转子 轴向推力较大 轴向推力主要由平衡活塞平衡 剩余轴向推力由推力轴承承担 透平压缩机的安全区和有效使用区 由于压缩机本身具有喘振 阻塞 旋转失速的固有特性 而且严禁在喘振区域内运行 所以 在实实际操作中必须采取调节控制和安全保护措施 使之离开非稳定工况区而工作在安全区的的效使用区 所谓安全区是指压缩机的稳定工作区 如果在安全区以外工作 就会发生事故 甚至把压缩机毁掉 而有效使用区是指在压缩机的安全区内加上各种安全措施 如防喘振放风线 防阻塞线 压力限制线等 之后 压缩机可以使用的工作范围 设计时必须把各工况点都放在压缩机的有效使用区内 离心压缩机和轴流压缩机的效使用区 离心压缩机有效使用区轴流压缩机有效使用区 防喘振控制系统 喘振是透平压缩机械的一种固有特性 尤其是轴流压缩机 喘振所造成的危害更为严重 为了防止压缩机接近喘振点运行 所以必需设置可靠的防喘振保护系统 喘振形成的原因是很复杂的 简单说明如下 当进气量过小时 在叶片凸侧面将出现气流分离现象 当气流分离现象严重时 造成压缩机排气压力降低 如果管网容量较大 压力较高 则管网压力大于排气压力 使压缩机排气量更加减小 加剧气流分离现象 连锁反应的结果 会使压缩机排气量为零 甚至为负 营网向压缩机倒流 但管网压力也不是维持不变的 随着管网向工艺排气 它的压力也在下降 当下降到低于压缩机排气压力时 因压缩机仍在旋转 产生压力 压缩机又会向管网排气 使管网压力回升 如果管网阻力线不变 则又会周而复始地重复上述循环 形成气流的忽小忽大 忽进忽出的 喘振 轴流压缩机的防逆流保护 逆流 是轴流压缩机最危险的工况 形成逆流的原因有两方面 一是喘振的进一步发展 在分析喘振的形成机理时已经讲过喘振的本质是叶片凸侧的气流分