离心式压缩机

第第 6 章章 气体输送设备气体输送设备 离心式压缩机离心式压缩机 一 概述 离心式压缩机属于叶片旋转式压缩机 即透平式压缩机 在离心式压缩机中 高速旋转的叶轮给予气体的离心力作用 以及在扩压通道中给予气体的扩压作用 使气体压力等到提 高 目前国内外生产的离心式压缩机品种愈来愈多 应用范 围也愈来愈广 并在向高压力 低流量方向发展 离心式压 缩机之所以能获得这样广泛的应用 主要是比活塞式压缩机 有以下一些优点 1 离心式压缩机的气量大 结构简单紧凑 重量轻 机组尺寸小 占地面积小 2 运转平稳 操作可靠 运转率高 摩擦件少 因 之备件需用量少 维护费用及人员少 3 在化工流程中 离心式压缩机对化工介质可以做 到绝对无油的压缩过程 4 离心式压缩机为一种回转运动的机器 它适宜于 工业气轮机或燃气轮机直接拖动 对一般大型化 工厂 常用副产蒸汽驱动工业气轮机作动力 为 热能综合利用提供了可能 离心式压缩机主要有水平剖分型 筒型和多轴型 水平剖分的离心式压缩机有一水平中分面将气缸分为上 下两半 在中分面处用螺栓联接 此种结构拆装方便 适用 于中 低压力场合 筒型的离心式压缩机有内 外两层气缸 外气缸为一筒 型 两端有端盖 内气缸为水平或垂直剖分 其组装好后再 推入外气缸中 此种结构缸体强度高 密封性好 刚性好 但拆装困难 检修不便 适用于高压力或要求密封性好的场 合 多轴型的离心式压缩机是一个齿轮箱中由一个大齿轮驱 动几个小齿轮轴 每个小齿轮轴的一端或两端安装有一级叶 轮 叶轮轴向进气 径向排出 通过管道将各级叶轮联接起 来 此种结构简单 体积小 适用中 低压力的空气 蒸汽 或惰性气体的压缩 如图 1 所示 为多轴型的离心式压缩机 的典型布局方式 二 离心式压缩机的工作原理 离心式压缩机工作原理简述为 根据动能转换为势能的 原理 将流体加速到高速 然后降低速度 通过改变它的流 向 把它具有的动能转变为势能 从而提高压力 气体在机内的流动过程是 当驱动机驱动主轴带动叶轮 高速旋转时 在叶轮的入口处产生低压 将气体从吸入室不 断吸入叶轮 使气体的压力 速度和温度提高 然后流入扩 压器 使气体的速度降低 压力进一步提高 离心式压缩机 通常由多级组成 为了将扩压器后的气流引到下一级叶轮继 续压缩 在扩压器后设置了弯道 使气体由离心方向改为向 心方向 弯道下为起导向作用的回流器 其中安装有导流叶 片 它使气流以一定方向均匀地进入下一级叶轮进口 由于 图图 1 气体在压缩过程中温度要升高 为了节省压缩功耗和防止气 体温度过高 气体经一压缩后 由蜗室及排气管引出机壳至 中间冷却器冷却 降温后再引入下一级吸入室 经 3 级压缩 后的气体再由蜗室和排气管引出机外导入管路系统 三 离心式压缩机的结构 离心式压缩机的品种和规格型号较多 但就其基本的组 成而言 主要由定子和转子两部分组成 而每部分又由一些 基本的元件组成 现以催化剂厂正在使用的美国 Cooper 公司 生产的 TA6000 型离心式压缩机为例 来介绍离心式压缩机 的结构 TA6000 型离心式压缩机也是多轴型的离心式压缩机 压 缩机的形式与图 1 类似 只布局上略有差别 如图 2 所示 电机 油冷却器 控制盘 1 级冷却器 压缩机 1 级 压缩机2级 压缩机 3 级 2 级冷却器 排气到后 冷却器 空气通过入口导 叶进入压缩机 图图 2 齿轮箱 冷却水出口 冷却水入口 1 压缩机本体 1 进气导流叶片 在压缩机一级 入口处 装有进气 导流叶片 导流叶 片由一个驱动电机 带动 在用气状态 变化时 可以自动 调节进气导流叶片 的开度 以配合用 气变化的要求 同时减 少能耗 如图 3 所示 2 齿轮箱 TA6000 齿轮箱采用 水平剖分式 如图 1 所示 齿轮箱内有一个斜齿大齿 轮 和两个小齿轮 大齿 轮为主齿轮 居中布置 带动两边的小齿轮 实现 增速传动 图 4 为配有 2 3 级叶轮的一个小齿轮 叶轮轴在高速旋转过程中所产生的轴向负荷传 递给低速运转中的驱动齿轮 再由主驱动轴的轴承承 受 这种结构增加了叶轮轴运转的稳定性并且可以降 低机组的机械损耗 3 叶轮 叶轮 为开式 三元流叶 轮 叶轮与轴之间过盈配合 热装在轴上 三元流叶轮的叶片在空间 是扭曲的 与气体的实际流动 更相适应 其效率更高 1 级 开启时闭合时 图图 3 图图 4 图图 4 叶轮有叶片 19 片 2 级叶轮有叶片 15 片 3 级叶轮 有叶片 14 片 1 级叶轮安装在一个齿轮轴上 2 3 级叶轮共一个齿轮轴 4 轴承 采用液静压挤 膜转子轴承 具有 抗振阻尼性能 如 图 5 所示 油泵直 接将油从输油孔注 入轴承套 在轴承 套和轴承之间形成 油膜 轴承悬浮在轴承套中 金属部分不直接接触 5 扩压器 气体自叶轮出来时一般具有相当大的 速度 对压缩机来说 其主要任务是提高 气流的压力 气速则只要能保证在排气管 中能给出所需的气量就可以了 因此 出 叶轮气量流的这部分很大的动能必须加以 很好利用 使其有效地转变为静压能 目前离心式压缩机中常用的扩压器形 式有无叶扩压器 叶片扩压器及直壁形扩 压器等几种 TA6000 采用的是叶片扩压 器 如图 6 所示 6 密封 TA6000 的密封 由 3 个非 接触的迷宫式气封和油封组成 均由铝合金制成 如图 7 图 8 所示 气封和油封之间通大 气 保证润滑油在任何情况下 100 不污染压缩空气 如图 9 所示 迷宫密封由若干个依次排 列的环状密封齿组成 齿与转 子之间形成一系列节流间隙与 图图 5 图图 6 气封 图图 7 膨胀空腔 在压差的作用下 气流经过径向间隙高速 进入环形空腔室 由于空间突然扩大 气流突然膨胀 而产生猛烈的旋涡 使气流的绝大部分动能转化为热 能 并被腔室中的气流吸收 只有小部分动能仍以余 速进 入下一间隙 如此一次接一次地重复上述过程 达到密封的效果 气体介质经过密封齿和轴之间的环 形密封时 经历的是一条曲折的迷宫路线 所以称迷 宫密封 7 中间冷却器 中间冷却器采用水走管内 气走 管壳的直管型中间冷却器 管束可以抽出 易于维护 油封 图图 8 图图 9 2 润滑油系统 润滑油系统的构成如图 11 主油泵安装在空压 机齿轮箱上 并由大齿轮轴驱动 主油泵从油箱中吸 入润滑油 并打入润滑油系统和齿轮箱循环使用 为 防止润滑油通过辅助油泵返回油箱 辅助油泵装有出 口单向阀 润滑油首先经过油冷却器以除掉所含的过多热 量 回水线上的节流阀可调节流经油冷器的冷却水流 量 将润滑油温度保持在一定的操作范围 之后 润 滑油流经过滤器 去除杂质 图图 10 图图 11 润滑油然后流向齿轮箱 首先经过一个总管 再由总管分配到大齿轮轴 小齿轮轴 和两个齿轮油 喷嘴 润滑油然后返回油箱 在这里润滑油将经过一 个折流板 而去除循环过程中产生的泡沫 然后继续 在空压机润滑油系统中循环 润滑油系统可以在任何时候为空压机轴承和齿 轮提供稳定 冷却和洁净的润滑油 结构特点主要有 1 恒温调节阀 将冷油和热油混合保持油温在 46 2 调节阀可调节回油量保证油压 3 油雾 系统保证油箱和齿轮箱产生微负压 从而防止润滑油 或油雾流入大气或造成其他漏油现象 润滑油系统的组成主要有 1 辅助油泵 电驱动的全流量辅助油泵 开机时 提供压缩机预润滑 低油压时自启动 2 轴头油泵 主轴驱动的全流量油泵 运行时提 供正常的油润滑 掉电时提供惯性润滑保护 3 油过滤器 4 油冷却器 5 油箱 6 油加热器 7 油温混合阀 如图 12 所示 恒温调节阀可以 将冷油和热油混合 维持 46 恒温 图图 12 8 恒压调压阀 排油阀 用于维持整个润滑油 系统的正常操作压力 它会将过量的润滑油返 回游乡 9 真空抽除油雾过滤器 这是油雾系统的组成部 分 可保证齿轮箱和油箱维持负压 如图 13 所示 TA6000 采用一个简单的文丘里型喷射 过滤器系统 使齿轮箱和油箱内产生微负压 从而防止润滑油或油雾流入大气和造成其他漏 油现象 图图 13 图图 14 10 温度与压力的监测和保护 3 控制系统 TA6000 的控制系统为 Quad2000 其控制盘如 图 15 所示 采用恒压控制 在理想的现场条件下 空压机出口压力可以保持恒定 并且能耗和放空量最 小 Quad2000 也提供了手动控制 可以作为系统设 置和故障处理时的一种应急措施 手动控制只有在确 定一些特定控制参数的设定值时使用 当操作条件与任何设定值不同 空压机或辅助 设备故障 或空压机操作性能下降时 控制系统都会 激活两种空压机安全保护措施中的一种 这主要取决 1 显示屏 2 数字键盘 3 报警 联锁指示和消音键 4 控制复位键和待用指示 5 开机键 6 停机键 7 操作方法键盘 8 电源开关 9 紧急停机按钮 图图 15 于操作参数与设定值的偏差大小 一种是给出报警信 号 另外一种除了报警外还包括相应的调节动作 报警 当达到报警条件时 整个空压机系 统将维持正常操作 控制盘显示并记录该 报警 以提醒操作员注意 跳闸 在达到跳闸条件时 Quad2000 控制 系统将终止空压机的操作 以保护设备 当一个或多个操作条件超过空压机的安全 设定值时 将会出现这种情况 报警和跳闸设定值见下表 报警和跳闸设定值报警和跳闸设定值 报警跳闸 操作条件 低高低高 标准配置标准配置 各级振动 m 3850 油压 巴 5 59 74 810 3 油温 20551560 各级入口空气温度 55 5VDC 控制盘供电电源 4 845 25 24VDC 控制盘供电电源 22 825 2 选项配置选项配置 入口空气过滤器压降 mm 水柱 250 润滑油过滤器压降 巴 1 01 4 空压机大齿轮振动 m 6575 电机振动 m 6575 电机定子温度 165170 4 吸气室 入口采用三级过滤 吸气室采用卷帘式过滤器 过 滤精度为 30 m 吸气室内有两组过滤器箱体组成 每组 箱体配有 3 个入口 入口处安装两级滤芯 两级过滤精度 分别为 10 m 2 m 如图 16 所示 图中过滤器箱体只 画出两个入口 四 离心式压缩机的控制逻辑 根据特定的工艺要求 空压机可以有三种自动控制方法 双位自动控制 恒质量流量控制 恒压控制 催化剂厂采用 的是恒压控制 图 17 为恒压控制的空压机配管典型示意图 在使用恒压控制方法时 空压机运行中不会有卸荷过程 Quad2000 控制系统可对入口导叶和出口放空阀进行连动控制 在保证最小能耗和最少放空量的同时 优化操作点 这样便 保证了空压机以恒定的压力连续供风 1 第一级滤芯 2 第二级滤芯 图图 16 图 18 为恒压控制系统的特性曲线图 在按下控制盘上的 加载 LOAD 按钮后 空压机入口导叶便开始为整个用风 系统充压 一旦空气压力达到其设定值 A 时 空压机入 口导叶便开始节流以维持空压机的出口压力 此时入口导叶 自动开或关 以确保正确的空压机进气量 来满足用风系统 的压力要求 由于恒压控制方法具有决不对空压机进行卸载操作的特 点 这样便保证了空压机在满足所有工艺要求的情况下 维 持稳定的出口压力 当工艺用风要求降低到喘振极限 B 以下时 可调节的出口放空阀 保持全关 如果工艺用风要 求降低到空压机最低的稳定操作范围 C 以下时 该放空 阀可按要求自动开或关 将空压机过剩压缩能力排大气 入 口导叶和出口放空阀的连动工作 也确保了工艺用风量和排 A 入口过滤器 B 入口膨胀节 其后为入口导叶 C 出口膨胀节 D 单向阀 E 后冷却器 其后有气液分离器 未画出 F 切断阀 G 放空阀 H 消音器 图图 17 大气风量之和 总能等于或大于空压机的最低稳定操作点 Quad2000 控制系统使用 这一放空控制 来防止空压机在低工艺用风要求下发生喘振 由于空压机的 空气流量可以认为与电机流量等效 所以 Quad2000 系统使 用了这样的方法 即使当前电机电流值 与预先设定的空压 机稳定流量的最小电流值相比较 如果空压机的运行参数接 近喘振点 D 控制系统将给可调放空阀一个打开的信号 以维持流过空压机的空气量 对应驱动电机的电流降 高于 喘振底限流量 这便是最小电流的设定值 E 在当前的入口条件下 如果由于某种原因 工艺用风量 将超过空压机的最大负荷 这时空压机将满足风量要求 但 风压会低于原风压的设定值 换句话说 图 18 中的空压机操 作点将沿着性能曲线向下移动 空压机送出高于额定 100 流 量的风量 直到主驱动电机电流达到其最大电流设定值 这 个时候 控制系统将开始对空压机流量进行节流 以避免空 图图 18 压机过载 TA6000 离心式 空压机能够满足炎热 夏季等恶劣工况下的 供风量和供风压力的 要求 然而 大多数 情况下 空压机在这 样热空气密度小 水 蒸气含量高的条件下 运行时间也仅仅是一 年中的几天 大部分 时间 空压机的操作 只能被认为是处于 非设计 操作条件 下 即空压机入口空 气温度低于 设计标准 入口空气温度 35 的 情况 在这样情况下 实际流量可高于 100 的设计流量 图 19 显示空压机在 非设计 条件下运行时 其剩余于 供风能力及其对应能耗的关系 空压机在这样 非设计 条 件下 主驱动电机和空压机均带过载保护 控制系统监测电 流 并用入口导叶节流 以将空压机负荷限制在主驱动电机 的额定负荷下 五 离心式压缩机的操作 维护保养及故障判断 1 开停机 开停机必须严格按照操作规程规定的步骤进行 正常开机步骤如下 关闭排冷凝水旁路阀 接通水源 检查油箱的油位 接通空气喷射器用风 接通驱动电机的启动器 启动电驱动油泵 检查空压机的水线和仪表风线是否泄露 接通 Quad2000 控制系统的电源 图图 19 打开排气阀 按 Quad2000 控制盘上的 CONGTROL RESET 控制 复位 键 按 LOCAL 现场 和 UNLOAD 卸载 键 确认其 相应的红色指示灯亮 在 READY TO START 待用 指示灯亮后 拉 出 EMERGENCY STOP 紧急停车 按钮 按 START 开机 键 开机后 观察一段时间 以确认空压机操作是否正常 然后 如有必要就可给空压机加载 正常停机步骤如下 按 UNLOAD 卸载 键 让入口导叶全关约 10 15 秒 然后按 STOP 停机 键 关闭进出口空气闸阀 打开排凝旁路阀 让冷却水和润滑油循环至少 30 分钟 以带走系统中 的热量 关闭水源 关闭电机驱动的油泵 断开电机启动器 关闭空气喷射器用风 如有必要 关闭控制盘的电源 2 维护保养 定期检修内容 周检 或设备运行周检 或设备运行 150 个小时 个小时 检查入口过滤器 根据实际情况决定是否更换 检查油箱过滤系统 根据实际情况决定是否更换 半年检 或设备运行半年检 或设备运行 4000 个小时 个小时 更换油箱放空系统中过滤器的过滤元件 更换油过滤系统中的过滤元件 对润滑油进行测试 根据实际情况决定是否更换 给入口导叶驱动螺杆组件加润滑脂 按要求给驱动电机球轴承添加润滑脂 按要求给油泵电机球轴承添加润滑脂 专项检查内容 齿轮箱齿轮箱 清理叶轮 入口和扩压器 检查叶轮 入口和扩压器 齿轮磨损情况的外观检查 齿轮啮合间隙的检查 检查轴向小齿轮窜动是否灵活 检查叶轮和入口之间的间隙是否合格 中冷器和后冷器中冷器和后冷器 检查管芯 根据实际情况进行清理 检查散热片 根据实际情况进行清理 检查冷却腔 根据实际情况进行清理 润滑系统润滑系统 检查油路是否有油泄漏 检查油质是否合格 检查油冷却器的运行情况是否合乎要求 过滤器过滤器 应对所有过滤器中的过滤元件进行检查 控制面板控制面板 检查是否能正常运行 控制阀控制阀 检查入口导叶 检查旁路控制阀 检查排气单向阀 驱动电机驱动电机 电机联轴器的检查和加油 按照电机厂商提供维护手册中的要求和步骤检查电机 3 故障判断 常见故障处理表如下 故障状态可能产生的原因 电机振动电机振动 不正常的响声不正常的响声启动器故障 基础螺栓松 其他机械部件松 电压过高或电压不平衡 故障状态可能产生的原因 润滑不足或润滑过度 冷却风扇上有赃物 在空气缝隙处有赃物 轴承磨损 对中不良 驱动联轴器磨损 电机过热电机过热环境温度过高