【正文】 第二章 氣體壓縮及輸送設(shè)備第一節(jié) 壓縮機(jī)的分類與應(yīng)用在石油化工裝置中廣泛地使用氣體壓縮機(jī)來輸送氣體和提高氣體的壓力。壓縮機(jī)種類繁多，按其工作原理可分為速度式和容積式兩大類。 壓縮機(jī)的分類速度式（也稱透平式）壓縮機(jī)是依靠高速旋轉(zhuǎn)的工作葉輪，將機(jī)械能傳遞給氣體介質(zhì)，并轉(zhuǎn)化成氣體的壓力能。容積式壓縮機(jī)依靠容積的周期性變化來實(shí)現(xiàn)氣體的增壓和輸送。根據(jù)用途進(jìn)行分類，如氫氣壓縮機(jī)，空氣壓縮機(jī)，裂解氣壓縮機(jī)，乙烯壓縮機(jī)等。按出口壓力pd又可分為：通風(fēng)機(jī)，pd﹤；鼓風(fēng)機(jī)，≤pd﹤；壓縮機(jī)，pd﹥。壓縮機(jī)由于在原理和結(jié)構(gòu)上的差別，使得在性能特點(diǎn)方面各有不同。 各類壓縮機(jī)的適用范圍第二節(jié) 離心式壓縮機(jī)一、概述1. 離心式壓縮機(jī)的應(yīng)用在現(xiàn)代大型石油化工裝置中，除了個別需要超高壓、小流量的場合外，離心式壓縮機(jī)已基本取代了活塞式壓縮機(jī)，成為壓縮和輸送各種氣體的關(guān)鍵設(shè)備，占有極其重要的地位。如在化肥廠使用的離心式氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)、二氧化碳壓縮機(jī)，石油化工廠使用的離心式石油氣壓縮機(jī)、乙烯壓縮機(jī)，煉油廠使用的離心式空氣壓縮機(jī)、烴類氣體壓縮機(jī)，以及制冷用的氨氣壓縮機(jī)等。實(shí)踐證明，在大型化生產(chǎn)中采用離心式壓縮機(jī)具有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)：（1）排氣量大，結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)組尺寸小，重量輕，占地面積小。（2）運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，易損件少，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時間長，機(jī)器利用率高，操作維修費(fèi)用低。 （3）可以做到絕對無油的壓縮過程，對于不允許氣體帶油的某些工藝過程具有重要意義。（4）機(jī)器轉(zhuǎn)速高，適宜采用工業(yè)汽輪機(jī)或燃汽輪機(jī)直接驅(qū)動，使生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的蒸汽、煙氣的副產(chǎn)品得以利用，降低產(chǎn)品成本。離心式壓縮機(jī)存在的缺點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾方面：（1）目前還不適用于氣量太小及壓比過高的場合。（2）氣量調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性較差，工作流量偏離設(shè)計(jì)流量時，效率下降幅度較大。（3）離心式壓縮機(jī)效率一般仍低于活塞式壓縮機(jī)。我國在五十年代已能制造離心式壓縮機(jī)，從七十年代初開始又以石油化工廠，大型化肥廠為主，引進(jìn)了一系列高性能的中、高壓力的離心式壓縮機(jī)，取得了豐富的使用經(jīng)驗(yàn)，并在對引進(jìn)技術(shù)進(jìn)行消化、吸收的基礎(chǔ)上大大增強(qiáng)了自己的研究、設(shè)計(jì)和制造能力。2. 離心壓縮機(jī)的種類離心壓縮機(jī)的種類繁多，根據(jù)其性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可按如下幾方面進(jìn)行分類。 離心式壓縮機(jī)的分類分類方法類型名稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)或用途按照機(jī)殼數(shù)目分 單缸型 只有一個機(jī)殼 多缸型 具有二個以上機(jī)殼按照氣體在壓縮過程中的冷卻次數(shù)分 單段型 氣體在壓縮過程中不進(jìn)行冷卻 多段型 氣體在壓縮過程中至少冷卻一次 等溫型 氣體在壓縮過程中每次都進(jìn)行冷卻按照機(jī)殼的剖分方式分 水平剖分型 機(jī)殼被水平剖分為上下兩半 筒型 機(jī)殼為垂直剖分的圓筒二、離心壓縮機(jī)的工作原理汽輪機(jī)（或電動機(jī)）帶動壓縮機(jī)主軸葉輪轉(zhuǎn)動，在離心力作用下，氣體被甩到工作輪后面的擴(kuò)壓器中去。而在工作輪中間形成稀薄地帶，前面的氣體從工作輪中間的進(jìn)汽部份進(jìn)入葉輪，由于工作輪不斷旋轉(zhuǎn)，氣體能連續(xù)不斷地被甩出去，從而保持了氣壓機(jī)中氣體的連續(xù)流動。氣體因離心作用增加了壓力，并以很大的速度離開工作輪，氣體經(jīng)擴(kuò)壓器逐漸降低了速度，動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，進(jìn)一步增加了壓力。如果一個工作葉輪得到的壓力還不夠，可通過使多級葉輪串聯(lián)起來工作的辦法來達(dá)到對出口壓力的要求。級間的串聯(lián)通過彎道、回流器來實(shí)現(xiàn)。這就是離心式壓縮機(jī)的工作原理。離心壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理與離心泵相似，都是依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉片推動流體流動，從而增加流體的動能和壓力能。但是離心壓縮機(jī)壓縮的是氣體介質(zhì)，其介質(zhì)密度小，所產(chǎn)生的離心力小，因而依靠離心力作功獲得的能量較少。為使氣體獲得更多的能量以提高氣體的壓力，離心式壓縮機(jī)都采用很高的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速往往高達(dá)每分鐘近萬轉(zhuǎn)或每分鐘一萬轉(zhuǎn)以上。轉(zhuǎn)速越高，壓縮機(jī)流通內(nèi)氣體的流速也就越高。這些使離心壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)有其特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造要求比普通離心泵更為嚴(yán)格、難度更大。三、離心壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)離心式壓縮機(jī)本體結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)子及定子兩大部分組成，結(jié)構(gòu)如圖24所示。轉(zhuǎn)子包括主軸及固定在軸上的葉輪、軸套、平衡盤、推力盤和聯(lián)軸節(jié)等零部件。定子則由氣缸和定位于缸體上的各種隔板以及軸承等零部件組成。在轉(zhuǎn)子與定子之間需要密封氣體之處還設(shè)有密封元件。有的壓縮機(jī)，氣體從氣缸中間排出，到缸外進(jìn)行冷卻后，再回到氣缸內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行壓縮，有一次這樣中間排出又返回的稱為二段壓縮，有的壓縮機(jī)一缸可以有幾個這樣的段。下面將對離心式壓縮機(jī)主要部件的基本結(jié)構(gòu)和作用進(jìn)行介紹。 18輪蓋密封 圖24 離心式壓縮機(jī)縱剖面結(jié)構(gòu)圖主軸是起支持旋轉(zhuǎn)零件及傳遞扭矩作用的。轉(zhuǎn)子上的各零部件紅套在主軸上，隨主軸高速旋轉(zhuǎn)。過盈裝配不僅是傳遞扭矩需要，還是為了防止轉(zhuǎn)動部件在旋轉(zhuǎn)時由于離心力的作用而松動。另外，主軸與葉輪、平衡盤、推力盤等部件間還設(shè)有鍵，起到放松作用。各轉(zhuǎn)子零部件在主軸上的定位是靠軸肩、定距套、鎖進(jìn)螺母及卡環(huán)來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)主軸的結(jié)構(gòu)形式分為階梯軸和光軸兩種。 葉輪又稱工作輪，是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子上最主要的部件，葉輪隨主軸高速旋轉(zhuǎn)，對氣體作功。氣體在葉輪葉片的作用下，跟著葉輪作高速旋轉(zhuǎn)，受旋轉(zhuǎn)離心力的作用以及葉輪里的擴(kuò)壓流動，在流出葉輪時，氣體的壓力、速度和溫度都得到提高。它是壓縮機(jī)中唯一的作功部件。按結(jié)構(gòu)形式葉輪分為開式、半開式和閉式三種。開式葉輪（見圖25）結(jié)構(gòu)最簡單，僅由輪轂和徑向葉片組成。在葉輪上，葉片槽道兩個側(cè)面都是敞開著的，氣體通道是由葉片槽道和與葉片前后有一定間隙的機(jī)殼形成的。這種通道對氣體流動不利，使氣體流動損失很大，此外，在葉輪和機(jī)殼之間引起的摩擦鼓風(fēng)損失也最大，故這種葉輪的效率最低，在壓縮機(jī)中很少被采用。 半開式葉輪（見圖26）葉片槽道一側(cè)被輪盤封閉，另一側(cè)敞開，改善了氣體通道，減少了流動損失，提高了效率。但是，由于葉輪側(cè)面間隙很大，有一部分氣體從葉輪出口倒流回進(jìn)口，內(nèi)泄漏損失大。此外，葉片兩邊存在壓力差，使氣體通過葉片頂部從一個槽道潛流向另一個槽道，因而這種葉輪效率仍不高。閉式葉輪由輪蓋、輪盤和葉片組成。這種葉輪對氣體流動有利。輪蓋處裝有氣體密封，減少了內(nèi)泄漏損失。葉片槽道間潛流引起的損失也不存在，因此效率比前兩種葉輪都高。另外，葉輪側(cè)面和定子間隙也不像半開式葉輪那樣要求嚴(yán)，可以適當(dāng)放大，使檢修時拆裝方便。這種葉輪在制造上雖較前兩種復(fù)雜，但有較高的效率和其他優(yōu)點(diǎn)，故在工業(yè)壓縮機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。 圖25 開式葉輪 圖26 半開式葉輪在多級離心式壓縮機(jī)中因每級葉輪兩側(cè)的氣體作用力大小不等，使轉(zhuǎn)子受到一個指向低壓端的合力，這個合力即稱為軸向力。軸向力對于壓縮機(jī)的正常運(yùn)行是有害的，容易引起止推軸承損壞，使轉(zhuǎn)子向一端竄動，導(dǎo)致動件偏移與固定元件之間失去正確的相對位置，情況嚴(yán)重時，轉(zhuǎn)子可能與固定部件碰撞造成事故。平衡盤是利用它兩邊氣體壓力差來平衡軸向力的零件。如圖27所示，平衡盤位于高壓端，它的一側(cè)壓力是末級葉輪盤側(cè)間隙中的壓力，另一側(cè)通向大氣或進(jìn)氣管，通常平衡盤只平衡一部分軸向力，剩余軸向力由止推軸承承受，在平衡盤的外緣需安裝氣封，用來防止氣體漏出，保持兩側(cè)的差壓。軸向力的平衡也可以通過葉輪的兩面進(jìn)氣 和葉輪反向安裝來平衡。 圖27 平衡盤裝置由于平衡盤只平衡部分軸向力，其余軸向力通過推力盤傳給止推軸承上的止推塊，構(gòu)成力的平衡，推力盤與推力塊的接觸表面，應(yīng)做得很光滑，在兩者的間隙內(nèi)要充滿合適的潤滑油，在正常操作下推力塊不致磨損，在離心壓縮機(jī)起動時，轉(zhuǎn)子會向另一端竄動，為保證轉(zhuǎn)子應(yīng)有的正常位置，轉(zhuǎn)子需要兩面止推定位，其原因是壓縮機(jī)起動時，各級的氣體還未建立，平衡盤二側(cè)的壓差還不存在，只要?dú)怏w流動，轉(zhuǎn)子便會沿著與正常軸向力相反的方向竄動，因此要求轉(zhuǎn)子雙面止推，以防止造成事故。由于離心壓縮機(jī)具有高速回轉(zhuǎn)、大功率以及運(yùn)轉(zhuǎn)時難免有一定振動的特點(diǎn)，所用的聯(lián)軸器既要能夠傳遞大扭矩，又要允許徑向及軸向有少許位移，聯(lián)軸器分齒型聯(lián)軸器、膜片聯(lián)軸器和盤膜聯(lián)軸器等，目前常用的是膜片式聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器具有無油潤滑、無磨損、熱補(bǔ)償性好、自動對中性好等特點(diǎn)。氣缸是壓縮機(jī)的殼體，又稱機(jī)殼。由殼身和進(jìn)、排氣室構(gòu)成，氣缸上，裝有隔板、密封體、軸承體等零部件。對它有如下要求：(1)有足夠的強(qiáng)度以承受氣體的壓力；(2)法蘭結(jié)合面應(yīng)嚴(yán)密，保證氣體不向機(jī)外泄漏；(3)有足夠的剛度，以免變形。 氣缸的形式離心式壓縮機(jī)氣缸可分為水平剖分型和垂直剖分型(又稱筒型)兩種。氣體壓力比較低(一般低于5MPa)的多采用水平剖分型氣缸，氣體壓力較高或易泄漏的，要采用筒型缸體。水平剖分型氣缸有一個中分面，將氣缸分為上下兩半，分別稱為上、下氣缸，在中分面處用螺栓把法蘭連接在一起。法蘭結(jié)合面應(yīng)嚴(yán)密，保證不漏氣。一般進(jìn)、排氣接管或其他氣體接管都裝在下氣缸，以便拆卸時起吊上氣缸方便。打開上氣缸，壓縮機(jī)內(nèi)零部，如轉(zhuǎn)子、隔板、迷宮密封等都容易進(jìn)行拆裝。垂直剖分型氣缸適應(yīng)于中高壓壓縮機(jī)。如圖24，氣缸是一個圓筒，兩端分別有端蓋板，用螺栓把緊。隔板有水平剖分面，隔板之間有止口定位，形成隔板束。轉(zhuǎn)子裝好后放在下隔板束上，蓋好上隔板束，隔板中分面法蘭用螺栓把緊，隔板束件可用貫穿螺栓連起來，推入筒型缸體安置好后，貫穿螺栓可以卸掉。為了導(dǎo)向和防止隔板束轉(zhuǎn)動，在氣缸下部設(shè)有縱向鍵。軸承座可以和端蓋板做成一個整體，易于保持同心，也可以分開制造，再用螺栓連接。和水平剖分型缸體比較起來，筒型缸體具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，筒型缸體強(qiáng)度高；第二，筒型缸體泄漏面小，氣密性好；第三，筒型缸體的剛性比水平剖分型好，在相同條件下變形小。筒型缸體的最大缺點(diǎn)是拆卸困難，檢修不便。 氣缸的固定原則氣缸固定在機(jī)座上，壓縮機(jī)在啟動、停機(jī)和運(yùn)行中負(fù)荷變化時，氣缸各部分溫度都會發(fā)生變化而引起相應(yīng)的膨脹和收縮。如果膨脹和收縮不能合理、自由地進(jìn)行，就可能引起氣缸、軸承座的部件的變形，使中心對中偏差加大，振動加劇；同時引起壓縮機(jī)內(nèi)的間隙變化，造成動、靜部分碰傷或者效率降低。因此氣缸固定必須考慮到膨脹和收縮問題，要求氣缸合理地自由伸縮。通常在氣缸、軸承座和機(jī)座之間裝設(shè)軸向鍵和水平橫向鍵。有的壓縮機(jī)采用撓性板支撐系統(tǒng)，不設(shè)軸向鍵。如圖28所示，A為軸向鍵，B為水平橫向鍵，氣缸可以沿圖中箭頭所示方向自由膨脹和伸縮，而不會移動或旋動。圖中AA和BB的空間交點(diǎn)E是不動點(diǎn)，常稱為氣缸的死點(diǎn)。鍵和機(jī)座之間應(yīng)緊配，而鍵與氣缸鍵槽、氣缸貓抓螺釘與螺釘孔間及螺帽墊圈下均應(yīng)留有足夠的間隙，以使氣缸伸縮。 圖28 氣缸機(jī)座滑鍵的布置在氣缸固定時，要特別注意氣體管道與氣缸的柔性連接，以保證不因管道的收縮影響氣缸的定位。隔板形成固定元件的氣體通道，根據(jù)隔板在壓縮機(jī)中所處的位置，隔板有4種類型：進(jìn)氣隔板、中間隔板、段間隔板和排氣隔板。進(jìn)氣隔板和氣缸形成進(jìn)氣室，將氣體導(dǎo)流到第一級葉輪人口，對于采用可調(diào)預(yù)旋的壓縮機(jī)，在進(jìn)氣隔板上還要裝設(shè)可調(diào)導(dǎo)葉，以改變氣體流向第一級葉輪的方向角。中間隔板的任務(wù)有二：一是形成擴(kuò)壓器，二是形成彎道（與氣缸一起）和回流器。段間隔板是指在分段葉輪對置的壓縮機(jī)中分隔兩段的排氣口。排氣隔板除了與末級葉輪前隔板形成擴(kuò)壓器外，還要與氣缸形成排氣室（蝸殼）。(1)擴(kuò)壓器：氣體從葉輪流出時，它仍具有較高的流動速度。為了充分利用這部分速度能，以提高氣體的壓力，在葉輪后面設(shè)置了流通面積逐漸擴(kuò)大的擴(kuò)壓器。擴(kuò)壓器一般有無葉、葉片、直壁形擴(kuò)壓器等多種形式。無葉擴(kuò)壓器通常是由兩個平行壁面組成的環(huán)形通道，氣體在無葉擴(kuò)壓器中按一定方向角作對數(shù)螺旋線軌跡運(yùn)動，隨擴(kuò)壓器直徑的增大流道面積增大、達(dá)到使氣體降速增壓的目的，其結(jié)構(gòu)如圖29所示；葉片擴(kuò)壓器是在環(huán)形通道內(nèi)裝有葉片，如圖210所示。由于葉片的導(dǎo)流作用，氣流降低速度快，與無葉擴(kuò)壓器相比，具有擴(kuò)壓程度大而尺寸小的優(yōu)點(diǎn)；另一種特殊的葉片擴(kuò)壓器，叫直壁擴(kuò)壓器，其擴(kuò)壓器葉片前一小段形成接近對數(shù)螺旋線的曲壁通道，后一段是接近直線的直壁通道，這種擴(kuò)壓器中葉片的形成與一般葉片擴(kuò)壓器不同，它是由所需的通道形式來確定通道的兩個壁面，由相鄰兩通道的側(cè)壁構(gòu)成葉片。這種擴(kuò)壓器看成是一個單獨(dú)通道，故又稱為通道形擴(kuò)壓器。由于這種擴(kuò)壓器的通道數(shù)僅為4~12個．也稱為少通道擴(kuò)壓器，如圖211所示，其彎道和回流器連成一個整體。圖29 無葉擴(kuò)壓器 圖210 葉片擴(kuò)壓器圖211 直壁擴(kuò)壓器 圖212 彎道和回流器(2)彎道：彎道是由機(jī)殼和隔板構(gòu)成的彎環(huán)形空間，位于擴(kuò)壓器之后，其作用是為使氣體進(jìn)入下一級葉輪，將擴(kuò)壓出口流出的離心流動的氣體作180176。的轉(zhuǎn)向，變?yōu)橄蛐牧鲃印?3)回流器：在彎道后面連接的通道就是回流器，回流器的作用是使氣流按所需的方向均勻地進(jìn)入下一級，它由隔板和導(dǎo)流葉片組成。導(dǎo)流葉片通常是圓弧的，可以和氣缸鑄成一體也可以分開制造，然后用螺栓連接在一起。彎道和回流器如圖212。(4)蝸殼：蝸殼的主要目的是把擴(kuò)壓器后面或葉輪后面流出的氣體匯集起來引出壓縮機(jī)，由于蝸殼外徑的不斷增大和流通截面的漸漸擴(kuò)大，也使氣流起到了一定的降速擴(kuò)壓作用。蝸殼的截面形狀有圓形、犁形、梯形和矩形等。蝸殼可以直接與葉輪出口連通(圖213(b))，也有的氣體先進(jìn)擴(kuò)壓器再到蝸殼(圖213 (a))。有些蝸殼做成不對稱的內(nèi)蝸殼