压缩机组工段

双甲培训教材 压缩机组工段 82 压缩压缩机机组组培培训训教材教材 第一节第一节 压缩机概述压缩机概述 一 一 压缩压缩机的定机的定义义和分和分类类 工业生产中常需要具有一定的压力的气体用于各种用途 而压缩机是 输送和提高气体压力的机器 我们知道 气体的压强取决于单位时间内气 体分子撞击单位面积的次数与强烈程度 增加容积内气体的温度 使气体 分子运动的速度增加 增加撞击程度可以使气体压力提高 但当温度减下 来后 气体压力又随之降低 而一般要求被压缩气体应具有不太高的温度 因此提高气体压力的主要方法是通过增加单位面积内气体分子数目 也就 是缩短分子间距 实现的 这就要通过压缩机完成 目前使用最广泛的压缩机通常分为两类 一类是容积式压缩机 它是 通过缩小气体的容积的来提高压力 诸如活塞式 滑片式 罗茨式 螺杆 式 另一类是透平式压缩机 它是利用旋转叶片对气流的作功 通过气流 的不断加速 减速因惯性而彼此被挤压进而缩短分子间距来提高压力 透平压缩机一般分为离心式和轴流式 1 离心式压缩机 被压缩的气体在离心式压缩机中的运动是沿着垂直 于压缩机轴的径向进行的 离心式压缩机中气体压力的提高是当气流流经 叶轮时 由于叶轮旋转使气体受到离心力的作用而使其速度升高 当气体 流经扩压器等截面积扩张的通道时 流速逐渐降低 从而使速度能转变为 压力能 气体的压力得到提高 2 轴流式压缩机 气体在轴流式压缩机中的运动是沿着平行于压缩机 轴的方向进行的 在轴流式压缩机中 同样由于转子的旋转是气体产生很 高的速度 当气体流经与动叶片间隔排列的静叶栅时 气体的速度逐渐减 慢 从而速度能转变为压力能 在使用上 一般容积式压缩机宜用于高压力 中 小流量的场合 透 平压缩机则用于低中压力 大流量的场合 其中轴流式的流量比离心式的 更大 压力则比离心式的低些 二 汽二 汽轮轮机的定机的定义义和分和分类类 汽轮机 又叫蒸汽透平 是用蒸气来做功的旋转式原动机 来自锅炉或其它汽源的蒸汽通过调速阀进入汽轮机 依次高速流过一系 双甲培训教材 压缩机组工段 83 列环形配置的喷嘴 或静叶栅 和动叶栅而膨胀作功 推动汽轮机转子旋转 将蒸汽的动能转换成机械功 汽轮机又则带动电机或压缩机 泵等负荷 机旋转 汽轮机按照热力过程分为 1 凝汽式汽轮机 蒸汽在汽轮汽机中作功后全部排入凝汽器冷凝 凝汽器内部压力比大 气压低 2 抽汽凝汽式汽轮机 蒸汽在汽轮机膨胀至某级时 将其中一部分蒸汽从汽轮机中抽出来 供给其它的蒸汽用户 其余蒸汽在后面级中作功后排入凝汽器 二期的空 气压缩机 增压机及发电机驱动透平就是抽汽凝汽式的 3 背压式汽轮机 蒸汽进入汽轮机膨胀作功后 在大于 1 个大气压的压力下排出气缸 其排气供其它低压用户 4 多压式 注入式 汽轮机 若工艺过程中有某一压力的蒸汽用不完时 就把这些多余的蒸汽用管道 注入汽轮机中的某个中间级内并同原来的蒸汽一起在透平内膨胀作功 从 而回收能量 汽轮机也可按蒸汽压力分为低压 2 0 Mpa 以下 中压 2 0 5 0Mpa 高压 5 0 10 0Mpa 超高压 12 0 14 0Mpa 及超临界 22 5Mpa 以上 的 汽轮机 此外 也可按工作原理分为 冲动式 反动式 冲动式与反动式的组 合式汽轮机等 第二节第二节 离心式压缩机及汽轮机的基本原理和结构离心式压缩机及汽轮机的基本原理和结构 一 离心式一 离心式压缩压缩机工作原理及基本机工作原理及基本结结构构 1 结构 从外观上首先看到的是机壳 它又称气缸 通常用铸铁或铸钢浇铸而 成 一台压缩机常常有两个或两个以上的气缸 按压力高低称低压缸 中 压缸 高压缸 压缩机本体结构可分两大部分 1 转动部分 它由主轴 叶轮 平衡盘 推力盘及联轴用的半联轴 节等零部件组成 又称为转子 2 定子部分 是由气缸 隔板 径向轴承 推力轴承 轴端密封等 零部件组成 常称为定子 双甲培训教材 压缩机组工段 84 在压缩机理论中常常顺着气体流动线路 将压缩机分成若干个级 所 谓级就是由一个叶轮和与之相配合的固定元件结构的基本单元 如图一所 示 在压缩机中间的级 它包括叶轮 扩压器 弯道和回流器几个元件 压缩机每段进口处的级称为首级 它除了上述的元件外还应包括进气 室 在压缩机的排气口的级称为末级 它没有弯道和回流器 而代之以排 气室 有的压缩机甚至连扩压器也没有 气体从叶轮出来直接进入排气室 在离心式压缩机中 气体流过一级之后 压力的提高是有限的 要想 压缩到较高压力时 就需要通过若干个级来完成 几个级可以装在一个缸 内 一个缸最多能装 10 级左右 更多的级需要采用多缸 气体经压缩后温 度就要升高 当要求压力比较高时 常将气体压缩到一定压力时就从缸内 引出 在冷却器内降温 然后再进入下级继续压缩 根据冷却次数的多少 可将压缩机分为几个段 一个段可以是一个级也可以是几个级 一缸可分 为一个段或多段 在多级离心压缩机中 由于每级叶轮两侧气体作用在其上的力大小不 同 因此 使转子受到一个指向低压端的合力 这个合力称为轴向力 平 衡盘是用自身两侧的压力差来平衡轴向力的零件 它位于压缩机的高压侧 用来平衡大部分轴向力的 剩下的轴向力作用于止推轴承上 有的压缩机 叶轮采用背靠背的方法排列来平衡轴向力 联轴节又叫靠背轮 它是汽轮 机 或驱动电机 和压缩机以及压缩机高低压缸间的连接件 现在通常采 用挠性联轴节 它允许较大的平行不对中 角度不对中和综合不对中 定子包括机壳和壳内的固定元件 机壳有水平分和垂直剖分两种型式 水平剖分便于拆装机制造 但密封面大 且强度差 对于压力较高的情况 双甲培训教材 压缩机组工段 85 采用垂直剖分形式 壳体实际上是两缸 内缸仍是水平剖分 转子及固定 元件都装在内缸中 然后再装入外缸 外缸为整个圆筒 在一端或两端有 端盖 打开后即可把内缸拉出 机壳内有各种隔板 在机壳和隔板之间 隔板与隔板子之间构成了吸 气室 扩压器 弯道和回流器等固定元件 2 通流部分各主要部件的作用 气体在压缩机中流经的主要通道部件是进气室 叶轮 扩压器 弯道 回流器和蜗壳 这些部件我们称之为通流部件 下面分述这些部件的作用 1 进气室 这是将进气室或中间冷却器的气体均匀地吸入叶轮去进 行增压的通道 因此在压缩机中每一段进口都设置进气室 2 叶轮 叶轮也称为工作轮 它是压缩机的心脏部件 气体在叶轮 叶片的作用下 跟着叶轮作高速旋转 气体由于受到旋转离心力的作用以 及在叶轮里的扩压流动 使气体压力得到提高 速度也得到提高 所以叶 轮使气体提高能量的关键部件 3 扩压器 气体被从叶轮甩出后 就有较高的流动速度 在叶轮出 口后设置流道截面逐渐扩大的部件称为扩压器 其目的是进一步将气体的 流动速度转化为压力 4 弯道 为了把扩压器后的气体引入到下一级叶轮的进口 就必须 改变气体流动的方向 使其由离心方向的流动改为向心方向的流动 所以 在扩压器的后面设置了弯道与其相连接 5 回流器 其作用是将弯道来的气体均匀的分布到下一级叶轮的进 口 6 蜗壳 蜗壳的主要目的是把扩压器或叶轮后面的气体汇集起来 引到压缩机外面去 流向气体输送管道或气体冷却器 此外在汇集气体的 过程中 一般由于蜗壳外径的逐渐增大通流截面也渐渐扩大 因此也起到 一定的降速增压作用 3 工作原理 离心式压缩机的工作原理与输送液体的离心泵相似 当驱动机 如汽 轮机 电动机等 带动压缩机转子旋转时 叶轮流道中的气体受叶轮作用 随叶轮一起旋转 在离心力的作用下 气体被甩到叶轮外的扩压器中去 因而在叶轮中形成了稀薄地带 入口气体从而进入叶轮填补这一地带 由 于叶轮不断旋转 气体就被不断地甩出 入口气体就不断地进入叶轮 沿 径向流动离开叶轮的气体不但压力有所增加 还提高了速度 这部分速度 就在后接元件扩压器中转变为压力 然后通过弯道导入下级 导流器再把 从弯道来的气体按一定方向均匀的导入下级叶轮继续压缩 4 离心式压缩机的功耗及效率 双甲培训教材 压缩机组工段 86 1 概述 压缩机气体需要消耗的能 大型离心压缩机由原动机 如 汽轮机 燃动机等 驱动 原动机轴端所传递的功率包括压缩机轴承 齿轮 箱及联轴节等传动部分的机械损失以及压缩机内功率 内功率指的是压缩 机转子对气体所消耗的功率 压缩机转子是通过叶轮向气体传递能量的 叶轮除对气体作功外 叶 轮的轮盘 轮盖的外侧面及轮缘与周围气体的摩擦所产生的轮阻损失 叶 轮出口高压气体漏回到叶轮低压端的漏气损失也都要消耗功 对整个压缩机来说 叶轮对气体作功转换成下列三个部分 a 提高气体的静压能 压缩功 使气体从进口压力提高到出口压力 b 提高气体的动能 在一般情况下 动能的提高不大 常常可以忽略 不计 c 克服气流在级中的流动损失 这部分流动损失 是指气流在叶轮内 和级的固定元件 如吸气室 扩压器 弯道 回流器 蜗壳等 内的流动 损失 总之 压缩机级的中功耗有五部分组成 即静压能提高 动能的变化 流动的损失 轮阻损失和漏气损失组成的 只有静压能的提高对气体的升 压是有用的 2 气体的压缩过程 静压能的提高与气体的压缩过程有关 热力学把气体的压缩过程分为 等温压缩过程 绝热压缩过程 多变压缩过程 压缩机中气体的实际压缩 过程是多变压缩程 但可忽略与外界的热交换 现分析各压缩过程中的静压能提高 压缩功 设压缩机进出口参数分别为 P1 V1 T1和 P2 V2 T2 压缩气体的所需 能量的单位 Kg m Kg 表示 它表示压缩 1kg 气体所需的能量 A 等温压缩 T Const 恒定 等温压缩功为 His RT1Ln P2 P1 Kg m Kg B 绝热压缩 气体在压缩过程中与外界无热交换且无气体流动失和摩擦损失 绝热 压缩后气体温度 T2 T1 P2 P1 K 1 K 绝热压缩功为 Had K K 1 RT1 P2 P1 K 1 K 1 Kg m Kg C 多变压缩过程 过程存在流动损失和磨擦损失 外界可以有热交换 或者无热交换 多边变过程气体温度计算式为 T2 T1 P2 P1 M 1 M 多变压缩功为 Kg m Kg 双甲培训教材 压缩机组工段 87 以上式中 R 为气体常数 被压缩气体组份越轻则 R 越大 多变过程和理论绝热过程的公式具有同样形式 只是绝热指数 K 代以多 变指数 m 多变指数和绝热指数不同 它不仅和气体的种类而变化 而且与 设备结构有关系 对于离心式压缩机来说 多变指数 m 大于绝热指数 K 机 器设计和控制的愈合理 则 m 愈接近 K 值 3 压缩机过程分析讨论 A 三种典型压缩过程 如气体温度和压比相同 则等温压缩过程需要 的压缩功最小 排气温度最低 等于进气温度 这是一种理想情况 实际 上只能接近而不能达到 多变压缩过程需要的能量头最大 所以多级压缩 机常做成多段 增加段间冷却器从而使压缩过程向等温压缩过程靠近 对 于具有中间冷却器的压缩机常用等温效率来衡量机器的完善程度 B 同质量流量的同种气体来说 如初温度相同 当压缩比相同 其功 耗也相同 例如把气体从 10 个大气压压缩到 100 个大气压 与从 1 个大 气压压缩到 10 个大气压所需要的功耗相同 C 气体所需的压缩功与气体的性质有关 对轻气体 因为气体 R 大 所以在相同压力下需要的压缩功就比压缩重气体大 从压缩表达式可以看 出 但由于同一压缩机及压缩同一体积流量的不同气体 所提供的叶片 功是相同的 也即 H叶片与气体性质无关 所以在同一压力比要求下 压 缩轻气体需要的级数比重气体多 D 多变过程是具有损失的过程 多变指数 m 反映多变压缩过程所需功 的大小 损失使气体得到附加热量 采用中间冷却器 目的是为了向等温 压缩过程靠近 各个不同压缩过程在 P V 图和 T S 图上的表示如下图 2 图 3 所示 各个过程的压缩功就是各压缩过程线纵坐标及 P P1 P P2 两 条等压线所包括的面积 图 2 T S 图上各种不同压缩过程 图 3 P V 图上各种不同压缩过程 4 压缩机的效率 压缩机或级的效率主要是用来说明传给气体的机械能的利用程度 由于 双甲培训教材 压缩机组工段 88 有三种压缩过程 则相应的把压缩机效率分为多变效率 pol 绝热效率 ad和等温效率 is 多变效率指由压力 P1增加到 P2所需要的多变压缩功与实际消耗的功之 比 目前离心式压缩机的多变效率为 0 7 0 84 左右 绝热效率指由压力 P1增加到 P2时绝热压缩功与实际所需消耗的功之比 等温效率指由压力 P1增加到 P2时等温压缩功与实际所需消耗的功之比 实际的压缩机不可能实现没有损失的绝热压缩过程 但它可以作为比 较标准 由于多变压缩功 绝热压缩功 等温压缩功 故有 pol ad is 故要注意机器效率使用哪一种表示方法 二 汽二 汽轮轮机基本原理 机基本原理 结结构构 汽轮机是用蒸汽来作功的旋转式原动机 来自锅炉或热网的蒸汽 经脱 扣节流阀或事故切断阀 调速阀进入汽轮机 依次高速流经一系列环形配 置的喷嘴 或静叶栅 和动叶栅而膨胀作功推动汽轮机转子旋转 将蒸汽的 动能转换成机械功 这便是汽轮机简单的工作原理 汽轮机可按工作原理 分为 冲动式 反动式 冲动式与反动式的组合式汽轮机 首先 我们对这几类汽轮机的工作原理作一下介绍 1 汽轮机的工作原理 1 冲动式汽轮机 冲动式汽轮机的最简单的结构如图 4 所示 叶轮上装配一圈动叶片与 喷嘴配合在一起 构成一个做功的简单机械 我们把由喷嘴和与其配合的 动叶片构成的汽轮机作功的单元称级 由一个级组成的汽轮机叫单级汽轮机 喷嘴又叫静叶片 它是一个截面形状特殊且不断变化的通道 蒸汽进 入喷嘴后发生膨胀 消耗了蒸汽的压力能 即消耗了蒸汽的热能 蒸汽的 压力及温度都下降了 而蒸汽的流速却增加了 获得了高速气流 喷嘴的 作用就是将蒸汽的热能转变为动能 动叶片又称工作叶片 在叶轮的外圆周上装满的一整圈叶片 常叫动 叶栅 由喷嘴流出的高速气流流至动叶片时 其速度的大小及方向是一定 的 之后气流由于受到动叶片的阻碍 作用力 改变其原来的速度的大小 及方向 这时候气流必然给动叶片一个反作用力 推动叶片运动 将一部 分动能转换成叶轮旋转的机械功 由上述可知 在汽轮机连续工 蒸汽 喷嘴 1 动叶片 4 轴 2 图 4 单级冲动式汽轮机示意图 叶轮 3 蒸汽 汽流 双甲培训教材 压缩机组工段 89 作过程中有两次能量转换 即 热能 蒸汽动能 转子机械能 为了更好的理解汽轮机的工作原理 下面分析一下冲动式汽轮机的动 叶片型式 如果我们用一个直立的平板 让高速气流冲击到它的表面上 平板由 于受到气流的冲击作用而发生运动 但因在平板的表面附近产生了很大的 扰动和涡流损失 如图 5 a 所示 使蒸汽中大量的有用能量不能得到很好 的利用以至造成浪费 所以经过大量的实践改进 现在汽轮机的动叶片做 成弯曲形 如果要产生最大的作用力 就要使蒸气的喷射方向与动叶片的 运动方向一致 然后再转一个 180 而离开动叶片 如图 5 b 所示 这时动 叶片受到的冲击力如图 6 所示 图 5 冲动式汽轮机动叶片的分析图 汽流以 C1 的速度流向曲面 它相当于汽轮机的动叶片 并能沿平行于 汽流的方向移动 汽流进入弯曲流道内弧所构成的气道后 便沿着内弧逐步 改变其流动方向 最后流出汽道时的速度为 C2方向恰与 C1方向相反 当汽 流流过曲面时 实际上作圆周运动 因此组成汽流的每一个蒸汽微团都受 到叶片所作用给它的一个向心力 同时叶片受到气流给它一个大小相等 方向相反的反作用力 假如汽流微团的离心力用向量表示 在 1 点处的离 心力 P1可分解成轴向分力 P1Z及运动方向上的分力 P1U 在 2 点处的离心力 P2也可以分解成 P2Z和 P2U 轴向分离 P1Z和 P2Z恰好相互抵消 因为此二力 大 小相等 方向相反 且共同作用在一个叶片的同一条支线上 同样 其它 点的轴向分离也相互抵消 因此汽流的离心力在轴向上的分力之和为零 即 P1Z P2Z 0 图 6 蒸汽微团作用在叶片上的离心力 双甲培训教材 压缩机组工段 90 在弯曲面运动方向上的分力之和等于 P 即 P1U P2U 0 在这个 P 力的作用下 弯曲面 叶片 向右运动 通过叶轮及轴产生 旋转运动 若带动压缩机和泵 风机等机械 就可以输出机械功 这就是 冲动式汽轮机的工作原理 实际上 由于机械结构等方面的限制 从喷嘴流出来的气流不能与动 叶片的运动方向完全相同 而成一个夹角 动叶片也不是一个半圆弧 而 是由好几段曲线组成 一般是圆弧和抛物线弧 如图所示 7 所示 2 速度级和压力级 前面已经介绍级的概念 从结构上看 汽轮机的一个级是有喷嘴 几 个或整个圆周布置的喷嘴 和一列动叶片组合起来的装置 从动作原理来 看 就是能造成高速气流 能将速度能转换成机械能 并产生推力对外做 功的基本单元 级可以分成压力级和速度级 简单介绍如下 A 压力级 在可以利用的蒸汽能量很大的情况下 只有一个级不能充分利用这些 能量 这时 我们把由喷嘴和动叶片组成的级串联在同一根轴上 将蒸汽 的能量分别在若干个级中加以利用 从结构来看 就是一列喷嘴和一列动 叶片 其后又是一列喷嘴和一列动叶片 这样逐次排列下去 在第一列喷 嘴进口处的蒸汽压力最高 以后逐级降低 这就是常见的多级汽轮机的结 构形式 其中的每个级 都叫做压力级 B 速度级 压力级外 在有些汽轮机上还设有速度级 速度级又叫复速度级或寇 蒂斯级 速度级比压力级在结构上复杂一点 图 8 是具有双列速度级的单级冲动式汽轮机示意图 它比单级冲动式 汽轮机对蒸汽能量的利用更充分一点 由轴 1 叶轮 2 双列动叶片 3 及 6 构成转子 由喷嘴 4 导向叶片 7 气缸 5 排气气管 8 等组成的静子部分 图 7 冲动式动叶片的断面 图 双甲培训教材 压缩机组工段 91 图 8 具有双列速度级的单级冲动式汽轮机示意图 如果冲动式级在工作时 离开动叶片的汽流速度仍很大 这就说明还 没有充分利用蒸汽的动能来作功 为了利用这部分能量 在同一叶轮的轮 缘上再要装置第二动叶栅 使蒸汽流过两列转动的叶栅 第一列动叶栅通 道中蒸汽能量中的一部分转换为机械能 而其余的蒸汽能则由第二列动叶 栅继续将能量转换为机械能 为了使蒸汽流以一定的方向流入第二动叶栅 在第一 二列动叶栅之间装一列固定的叶片 起导向作用 称之为导向叶 片 它是装在气缸上的 速度级与冲动式压力级的工作原理是一样的 不同的就是蒸汽的速度在 第一 二列动叶栅中分别加以利用 除双列速度级以外 还有三列速度级 但常用的是双列速度级 经常用 它做成小功率的汽轮机 带动风机及其它各种泵等 也可以用它做多级汽 轮机的第一级 3 反动式汽轮机 反动式汽轮机是利用反作用力与冲击力将蒸汽的速度能转换为机械能的 反动式汽轮机的工作原理同样是基于惯性定律和作用力与反作用力定 律的 图 9 是反动式汽轮机的结构示意图 动叶片安装在转鼓上 轴 平衡活 双甲培训教材 压缩机组工段 92 塞及转鼓组成了转子 静叶片安装在气缸上 与进 排气管等组成静子 反动式的级仍然是由一列静叶栅和一列动叶栅组成 它的工作原理是 在静叶栅中气流与经过喷嘴时相似 压力降低 容积膨胀 速度增加 而 它的动叶栅也做成截面渐收缩的气道 气流在动叶栅中进一步降压 膨胀 加速 根据惯性定律可知 运动的物体如果不受外力的作用的话 则一定 按照它原来的速度大小及方向运动下去 气流既然在动叶栅之中获得了加 速度 那必然有外力作用在其气流上 这个力是由于在动叶栅中降低了气 流的压力和温度 即气流的热能转换为动能所获得的 在动叶栅中进一步 使气流降压 增速并以高速离开 这时气流必然给动叶栅一个大小相等 方向相反的作用力 使动叶栅转动带动轴旋转的对外做功 这就是反动式 汽轮机的工作原理 反动原理在汽轮机中的实际应用 如图 10 所示 这是反动式汽轮机中 的一个级的断面示意图 蒸汽在静叶栅中膨胀后达到较高的速度 蒸汽离 开静叶栅后 进入动叶栅气道 沿着气道壁的内弧改变方向 因此动叶片 就受到由于冲动原理产生的冲击力 记为 P冲 又由于气流在动叶栅气道内 从 P1膨胀降压至 P2 因而动叶片上又受到由于反动原理而引起的反作用力 P反的作用 P冲与 P反的合力为 Pu 此外 动叶片前后有压差也引起一个轴 向力 P轴 Pu 与 P轴的合力为 P总 这就是作用在动叶片上的力 沿动叶片 运动方向的分力 使动叶片向右移动 并做机械功 因此 作用在反动式 汽轮机的级的动叶片上的力 既有冲动力 也有反作用力 实用的反动式汽轮机 都采用多级型式 其工作原理与前面分析的单级 反动式汽轮机的工作原理基本一样 为了分析方便 前述冲动式级 实际上是指在动叶栅中没有膨胀发生的 情况 有人把它叫做纯冲动式级 近代常用的汽轮机 实际上用的是带反动度的冲动式汽轮机 在这种汽 轮机中 动叶栅中也有汽流膨胀 但比喷嘴中的膨胀程度小些 所谓反动度 就是在动叶栅中蒸汽膨胀的程度占级中总的应该膨胀程度 的比例数 或是在动叶栅中的理想焓降之比 常用 表示反动度 纯冲动式级的 0 反动级的 0 5 带反动度的冲动式级的 0 Q max 调节器存在正偏差 FCV 关闭 当压缩机 的负荷降低而使 Q入 Q max 时 调节阀打开使部分气体回流或放空 以维持 打气量大于或等于 Q max 这样就保证了压缩机安全运行 也就防止了喘振 的发生 2 双参数防喘振控制 若机组的负荷变化较大 为节约能量一般采用双参数防喘振控制 其 原理是以与喘振线有一定距离的一条曲线作为控制线 这样在任何转速下 都会有一个不同的流量来控制压缩机 也就克服了单参数防喘振控制的缺 点 图 23 是不同转速下压缩机工作特性曲线与控制线的关系图 图 23 不同转速下压缩机工作特性曲线与控制线的关系图 在实际情况下 如在工艺生产过程中当工艺负荷变化不大时 压缩机 的转速变化也不会大 此时控制线就可以用一条直线来代替抛物线 见图 中的 c 线 这种方法能够满足要求 且能使系统的结构变得简单 防喘振控制系统的组成元件包括变送器 设定器 运算器 调节器和 调节阀等 变送器感受压力 流量参数的大小及变化 后经运算 把控制 线方程两边的计算结果输入调节器进行比较 最后控制调节阀动作达到防 喘振目的 在手动操作时压缩机应严格遵守 开车时 必须根据压缩机的性能曲线 遵循 先升速后升压 的原则 停车时则相反 应 先降压后降速 具有分段防喘振控制系统的机组 在 实际手动操作防喘振阀时 必须交替进行 不可顾此失彼 这些必须注意 双甲培训教材 压缩机组工段 107 五 汽五 汽轮轮机机调调速速调压调压和保安系和保安系统统 大型化工厂汽轮机的调速调压系统的作用是调节汽轮机的转速和抽汽压 力 背压维持在设定值上 机组的保安系统在机组超速 轴向位移大 振动 过大 油压过低等异常情况出现时能使机组得到保护 六 密封系六 密封系统统 由于压缩机的转子和定子一个高速旋转而另一个固定不动 两者之间必 定具有一定的间隙 因此就一定会有气体在机器内有一个部位泄露到另一 个部位 同时还向机器外界进行泄露 为了减少或防止气体的这些泄露 需要采用密封装置 防止机器内部通流部分各空腔之间泄露的密封叫内部 密封 防止或减少气体由机器内部向外界泄漏的或由外界向机器内部泄漏 的密封 叫外部密封或称轴端密封 内部密封如轮盖 定距套和平衡盘上 的密封 一般做成迷宫型 对于外部密封来说 如果压缩的气体有毒或易 燃易爆 例如氨气 甲烷 丙烷 石油气 氢气等等 不允许漏至机外 必须采用液体密封 机械接触式密封 干气密封等等 当压缩的气体无毒 例如空气 氮气等等 允许有少量气体泄漏 亦可以采用迷宫密封等 1 迷宫密封 为说明此密封原理 下面对气体通过密封的流动情况进行介绍 如图 24 所示 前后气体有一定的压差 气体从高压端流向低压端 当通过密封齿和轴 的间隙时 气流速度加快 气体压强和温度都要降低 从间隙流入到下一 个齿间空腔时 由于面积突然的扩大 形成强烈的漩涡 在容积比间隙容 积大很多的空腔中气流速度几乎等于零 动能由于漩涡全部变为热量 加 热气体本身 因而气体温度又从流经间隙时的温度回升到流入间隙前的温 度 但空腔中的压强却回升很少 可认为保持流经间隙时的压强不变 气 体再从这个空间流经下一个密封齿和轴之间的间隙 又进入再下一个齿间 空腔 重复上述过程 如此流经一个个齿 最后从整个密封流出 气体每 从一个大的齿间空腔流经一个小的齿与轴间的间隙 再流入另一个大的齿 间空腔 压强就降低一次 而且随着流动气体比容不断增加 通过间隙的 速度不断加快 因而压强降低得越多 如图 25 所示 双甲培训教材 压缩机组工段 108 图 24 密封中气体流动 图 25 迷宫密封中的压力降 安装密封体时 要检查与轴的对中情况 存在偏心会引起漏气量大大增 加 为了保护利用上述现象可起到密封和减少泄漏量的作用 一方面是因 为设置密封装置可使密封齿和轴的间隙 比不设密封齿时的间隙减少很多 减少了流通面积 另一方面由于节流使每个齿前后压差远比整个密封装置 前后压差小 压差和通流面积减少都使漏气量减少 轴应注意密封片的材料选择 一般选用比轴软的材料 2 干气密封 图 26 此密封技术源于七十年代初 七十年代末已进入商用阶段 但运用到 我国的压缩机上却比较晚 原有的二氧化碳压缩机高压缸轴端密封就采用的是干气密封 使用效 果很好 操作维修也方便 典型的干气密封如上图 26 所示 是由传统的机械密封变形改进而来的 它与机械密封有些相似 也是由动环和静环组成 动环固定在压缩机轴上 与轴一起旋转 与传统机械密封不同的是干气密封的动环密封面上有一系 列的螺旋槽 如图上所示 动环材质为碳化钨 较硬 静环为碳环 较软 这样的设计选材有 利于干气密封的最佳运行及简便维修 流体的密封是在动环和静环之间的径向结合面间进行的 静止时密封 双甲培训教材 压缩机组工段 109 表面高平面度地贴合在一起 当旋转时 流体由外向螺旋槽根部运动时增压 该处构成了密封坝 气 流所受离心力和密封坝对流体的流动提供阻滞力 提高了气体压力 所产 生压力作用于动静环密封面并使其分开 闭合力 FC 等于系统压力加上很小 图 27 图 28 的弹簧力 分开力 FO 等于系统压力降低加上螺旋槽产生的压力 平衡状态 时 对于常见流体 分开的动 静环密封面间间隙为 3 微米左右 当 FC FO 时 间隙就稳定下来 平衡状态时的受力图如图 27 28 29 所示 如果由于某种干扰 使得密封间隙减少 螺旋槽产生的分开力将大大 增加 这又使平衡恢复 如图所示 同样当由于某种干扰 使密封间隙增 大时 螺旋槽产生的分开力将大大缩小 密封也同样很快恢复平衡状态 干气密封允许转子有较大的振动 并且运行维护大大简化 是目前最流 行的密封 图 29 干气密封需要干燥干净的缓冲气 这对于干气密封保持最佳性能和延 双甲培训教材 压缩机组工段 110 长寿命很重要 因此压缩机干气密封系统设计时就要考虑这些要求 比如 有过滤器 缓冲气一般从压缩机排出管线抽出或来自外部供给气体 此外 干气密封系统设计时还要在干气密封和轴承区域之间注入隔离气 一般为 氮气 以防止泄漏气体进入轴承区域 根据压缩机的工艺介质 压缩机的进口压力及现场条件 压缩机轴端 用干气密封一般可选用诸如单端面干气密封 双端面干气密封 串联式干 气密封以及带中间进气的串联式干气密封等形式 单端面干气密封适用于 少量工艺气泄漏到大气中无危害的工况 双端面干气密封适用于不允许工 艺气泄漏到大气中 但允许阻封气 通常为氮气 进入机内的工况 串联 式干气密封也适用于允许少量工艺气泄漏到大气中的工况 但第二级干气 密封主要是作为安全备用密封 该级正常运行时不承受或承受很小的差压 带中间进气的串联式干气密封适用于既不允许工艺气泄漏到大气中 也不 允许非工艺气进入机内的工况 且第二级干气密封也起安全备用密封的作 用 我们现在的循环气压缩机和氨压缩机轴端密封就采用了串联式干气密 封 干气密封为国内制造 而且氨压缩机低压缸轴端干气密封第一级还是 双端面干气密封 第五节第五节离心式压缩机工况调节的几种方法离心式压缩机工况调节的几种方法 一 概述一 概述 压缩机在运行时 系统的压力 流量是不断的变化的 这就要求压缩 机的流量 压力也要随着变化 也即要不断的改变的压缩机的运行工况 改变压缩机工况的方法就叫调节 由于压缩机运行工况点是由压缩机本身 性能曲线和管网性能曲线共同决定的 所以改变运行工况既可以采用改变 压缩机性能曲线也可以采用改变管网性能的方法来实现 二 几种二 几种调节调节方法介方法介绍绍 压缩机调节方法有 压缩机出口节流调节 压缩机进口节流调节 改变 压缩机转速 采用可转动的进口导叶 采用可转动的扩压器导叶调节等方 法 下面就逐一介绍 1 压缩机出口节流调节 这种调节方法是通过开大或关小压缩机出口阀门的开度实现的 实际 上也就是通过改变管网性能曲线实现工况点转移的 如下图所示 假设压缩机的出口气体被送往一恒压容器 容器内压力 始终为 Pr 在不考虑压缩机出口 双甲培训教材 压缩机组工段 111 与容器之间连接管道阻力的理想情况下 压缩机应稳定在 S 点的工况下运 行 而实际情况是出口阀门和管道阻力是存在的 在考虑了出口管道的性 能曲线的情况下 压缩机的运行工况点实际上是在 S 点 此时若再关小压 缩机出口阀 则管网性能曲线就变得更徒 实际工况点上移至 1 处 反之 若开大出口阀 则管网性能曲线趋于平坦 压缩机的运行工况点又下移至 2 处 显然这种出口节流法会带来节流损失 当调节量比较大时 阀门的这 个附加损失也是相当大的 这种方法很不经济 而且喘振限没有改变 一 般很少用 2 压缩机进口节流调节 图 30 这种调节是将调节阀门安装在进气管线上 通过改变阀门开度的大小 就可以改变压缩机的性能曲线 从而达到调节目的 这种方法实际上是通 过改变实际压缩机进口压力而改变压缩机运行工况点的 如上图 30 所示 在下图 31 曲线上 1 为调节阀门全开时的压缩机性能曲线 这时 Pin Po 调节时关小阀门即经过节流 Pin Pa 在固定阀门开度情况下 Pin 的大小随流量的大小而变化的 流量增加 阀门的损失也就增加 Pin 就愈 低 若压缩机转速不变 压缩机进口压力下降 则出口压力也下降 于是 进口节流后的压缩机的性能曲线就往右下方移动 通过改变进气节流阀开 度 就可以相应的改变压缩机性能曲线位置 正是利用这一点来进行调节 的 进口节流比出口节流的经济性好 因为节流后喘振流量向小流量方向 移动 使压缩机能在较小的流量下工作 扩大了稳定运行范围 但采用进 口节流阀仍带来一定的节流损失 此外节流时要注意使阀门后的气流保持 均匀 以免影响到压缩机的工作而降低效率 空分装置的增压机就采用这 种调节方式 双甲培训教材 压缩机组工段 112 图 31 压缩机进气节流示意图性能曲线 3 改变压缩机转速调节 图 32 压缩机的喘振线 图 33 采用进口气流旋绕对性能的影响 我们知道 当压缩机的转速改变时其性能曲线也跟着改变 所以可用 改变压缩机转速的方法改变工况点来满足用户的要求 变转速调节并不引 起其它附加损失 只是调节后新的工作点不一定是效率最高点 而是效率 有所下降 这种调节方法不要求机器中装备调节用的可动部件 因此压缩 机本身的结构可以简单 制造方便 加之目前大型压缩机大都采用蒸汽透 平驱动 这样就可以方便的满足改变转速的要求 氨压缩机就采用这种调 节方式 4 采用可转动进口导叶调节 进气预旋调节 这是一种改变叶轮前进口导叶的角度 使气产生预旋转进而改变压缩 机性能曲线的调节方法 进口导叶可绕本身的轴转动 转动后使进口气流 产生与叶轮旋转方向一致的旋绕 称为正旋绕 反之称为负旋绕 当进口 由正旋绕变到负旋绕时 这个压缩机的性能曲线有向大流量区移动的趋势 而且在同一流量上的能量头有明显的增加 能量头曲线变得愈来愈平坦 喘振流量值有所增大 见图 33 所示 对强后弯叶轮的离心式压缩机 这种 双甲培训教材 压缩机组工段 113 调节方法不理想 而通风机和轴流压缩机采用这种方法还可以 采用这种 方法 可转动导叶的形状要设计得好 叶片要有良好的气动性能 这样也 就不会像进口节流阀门调节那样产生较大的损失 所以采用这种方法有较 好的经济性 循环气压缩机和空压机就采用这种调节方式 5 采用可转动的扩压器叶片调节 这种方法是装设可转动的扩压器叶片 在流量变化时相应的改变叶片 扩压器进口几何角度以适合改变了的工况的 避免在叶片扩压器中首先产 生严重的脱离而导致喘振 从而扩大了稳定工况范围 这种方法很少把它 作为单独的调节方法使用 一般是和其它方法联合使用 特别是和改变转 速的调节方法联合使用 有很好的效果 这种方法的实质也是改变压缩机 的性能曲线 此外还有压缩机放气调节方法 这种方法的实质是改变管网的性能曲 线 放气调节时把出口气体放空一部分或打循环到入口 无疑这种方法经 济性最差 一般只用于防喘振回路 三 各种三 各种调节调节方法比方法比较较 1 改变压缩机转速的调节方法 经济性最好 调节范围广 它适用于 由蒸汽透平 燃气透平驱动的离心式压缩机 2 压缩机进口节流调节方法简单 经济性较好 并具有一定的调节范 围 目前转速固定的离心式压缩机和鼓风机经常采用这种方法 3 转动进口导叶调节方法 调节范围较宽 经济性也好 但结构比较 复杂 4 转动扩压器叶片的调节方法 能使压缩机性能曲线平移 对减小喘 振流量 扩大稳定工况范围很有效 经济性也较好 但结构比较复杂 适 用于压力稳定 流量变化大的变工况 目前这种方法单独使用较少 常和 其它方法联合使用 5 出口节流调节方法最简单 但经济性最差 目前除了在通风机和小 功率离心式鼓风机中应用外 一般很少用 6 出口气体放空或打回流到入口能明显地增加压缩机的进气流量 使 压缩机的运行工况点远离喘振线 且结构简单 但经济形太差 实际应用 中一般与变转速调节或进口导叶调节等较经济的方法联合使用 并且设计 中要保证在额定工况下放空阀或回流阀全关 第六节第六节压缩机组的介绍压缩机组的介绍 离心式压缩机和往复式压缩机共五台 套 其中往复式压缩机有 2 台 循环气压缩机 K2601 和弛放气压缩机 C2702 离心式压缩机 3 台 套 空 气压缩机增压机组 氨压缩机组K2602 和循环气压缩机 C2701 双甲培训教材 压缩机组工段 114 一 空气一 空气压缩压缩机机 增增压压机机组组 1 空气压缩机 增压机组简图 2 空气压缩机简介 空气压缩机的作用是将经过自洁式空气过滤器除去灰尘及其它机械杂 质后的空气压缩到 0 645MpaA 后送往空气冷却塔作为空分工段原料气的机 器 该台压缩机是由陕鼓和 MAN Turbo 合作制造 陕鼓成套 型号为 RIK100 4 等温型离心式压缩机 驱动透平为锦西化机厂制造 是抽汽凝汽 式透平 空气压缩机入口处设置负荷调节用的进口导叶装置 该导叶装置 由气动伺服马达驱动 转子由 4 级三元流叶片叶轮组成 并且前三级叶轮 后分别设有三套气体冷却器管束 管束装在水平剖分机壳内 气体从叶轮 出来经过扩压器后进入冷却器进行冷却 然后再进入下级继续压缩 在气 体由叶轮进入冷却器及由冷却器返回叶轮的通道处 均设置了气体分布器 苏尔寿 专利 这可使气流在冷却器中分布均匀 阻力少 冷却效率达到最佳 同 时冷却器与汽水分离器设计为一体结构 气水分离器设置在冷却器的出口 侧 在气水分离器出口设有自动排水装置 此外该压缩机在机内设有水清 洗系统 当空气中的灰尘在叶轮及冷却管气侧聚集时 可以通过清洗喷嘴 每级 4 只 在线向每级叶轮入口喷软化水 清洗叶轮和冷却管束 以保 持良好的运行状态 3 增压机的简介 增压机的作用是为空分装置提供膨胀及高压氧汽化的气源 增压机壳 体为垂直剖分筒形壳体 排气口均垂直朝下 机壳内安装 7 级叶轮 该压 缩机轴端和级间密封均为梳齿密封 不锈钢片制成的密封片嵌装在旋转件 轴 轮盘及轮盖 的槽内 压缩机轴向推力一部分依靠平衡盘平衡 剩 余的轴向力靠止推轴承承受 平衡盘上也嵌装有密封片 4 空压机 增压机数据表 1 空气压缩机性能参数 介质 空气 双甲培训教材 压缩机组工段 115 流量 158000Nm3 h 干燥 进口温度 32 进口压力 0 095MPaA 相对湿度 80 排气压力 0 645 MPaA 排气温度 97 冷却水温度 32 冷却水温升 10 工作转速 5864r min 轴功率 13470KW 耗水量 840T h 2 增压机性能参数 介质 空气 进气温度 30 进气压力 0 59MPa A 相对湿度 0 进气流量 104500Nm3 h 最大进气流量 109725Nm3 h 排气压力 7 02MPa A 排气温度 181 设计点转速 11468RPM 100 最大转速 11610RPM 101 2 设计功率 10010KW 最大点功率 10550KW 抽气压力 2 82MPa A 温却水温度 32 冷却水压力 0 4MPa G 冷却水温升 10 0 冷却水压降 0 15MPa 3 汽轮机性能参数 蒸汽入口压力 10 0 MPa G 蒸汽出口温度 520 抽汽压力 4 0 MPa G 排气量 160 排气压力 0 012 MPa G 排气温度 49 功率 23720 KW 100 负荷 25000 KW 105 负荷 转速 11560 rpm 双甲培训教材 压缩机组工段 116 二 氨二 氨压缩压缩机机组组 1 氨压缩机组简图 2 氨压机的简介 氨压缩机组为重庆通用工业集团制造 型号为 KLDAWH C 其驱动透平 为锦西化机厂制造 型号为 6CL 6 本压缩机采用双缸 段 一次中间补 气 二次中间冷却 12 级叶轮压缩 一段 36 的氨气经过低压缸 6 级压缩 后进入中间冷却器 1 冷却后 二段 1 的补气汇合后进入高压缸第 7 10 级叶轮压缩后排入中间冷却器 2 冷却 冷却后的气体再进入第 11 12 级 叶轮进压缩后进入冷凝器冷凝 该压缩机组低压缸内有 6 级叶轮 顺流排 列 高压缸也有 6 级叶轮 但前四级叶轮与后二级叶轮背靠背布置 压缩 机叶轮为焊接闭式叶轮 高低压缸布置在汽轮机的同一侧 联轴节为是挠 性膜片式的 压缩机的高低压缸轴端密封均为串联干气密封 氨压机高低 压缸和增速齿轮箱公用一个底座 汽轮机单独底座 该氨压机组通过改变 转速调节负荷 并设置两个防喘振回路 3 氨压缩机性能参数 一段进口压力 0 07PaA 一段进口温度 36 一段进口流量 8128kg h 一段出口压力 368kPaA 一段出口温度 130 8 二段进口压力 350kPaA 二段进口温度 26 一段进口流量 14535kg h 二段出口压力 1010KPaA 二段出口温度 133 三段进口压力 1000KPaA 三段进口温度 45 双甲培训教材 压缩机组工段 117 三段出口压力 1650KPaA 三段出口温度 95 1 轴功率 2088KW 低压缸转速 11240rpm 高压缸转速 15818rpm 冷却水压力 0 4 MPaA 冷却水温度 32 冷却水温升 4 三 循三 循环环气气压缩压缩机机 1 循环气压缩机组简图 电机 齿轮箱 压缩机 2 循环气压缩机组简介 循环气压缩机的作用是将来自 V2702 未反应的合成气 40 5 1MPa 压缩到 5 65 MpaA 然后该气体与净化来的新鲜合成气汇合预热进入合成塔 该压缩机为锦西化机厂