气体压缩及输送设备.

第二章 气体压缩及输送设备
第一节 压缩机的分类与应用
在石油化工装置中广泛地使用气体压缩机来输送气体和提高气体的压力。

压缩机种类繁
多，按其工作原理可分为速度式和容积式两大类。

如图.1所示。

容积式速度式混流式回转式轴流式
离心式液环式转子式或罗茨式螺杆式滑片式往复式
膜片式活塞式
压缩机
图2.1 压缩机的分类
速度式（也称透平式）压缩机是依靠高速旋转的工作叶轮，将机械能传递给气体介质，
并转化成气体的压力能。

容积式压缩机依靠容积的周
期性变化来实现气体的增压和输送。

根据用途进行分类，如氢气压缩机，空气压缩机，
裂解气压缩机，乙烯压缩机等。

按出口压力pd 又可分
为：通风机，pd ﹤0.0142MPa ；鼓风机，0.0142MPa ≤
pd ﹤0.245MPa ；压缩机，pd ﹥0.245MPa 。

压缩机由于在原理和结构上的差别，使得在性能
特点方面各有不同，各类压缩机的适用范围如图 2.2
所示。

图2.2 各类压缩机的适用范围
第二节离心式压缩机
一、概述
1. 离心式压缩机的应用
在现代大型石油化工装置中，除了个别需要超高压、小流量的场合外，离心式压缩机已基本取代了活塞式压缩机，成为压缩和输送各种气体的关键设备，占有极其重要的地位。

如在化肥厂使用的离心式氮氢气压缩机、二氧化碳压缩机，石油化工厂使用的离心式石油气压缩机、乙烯压缩机，炼油厂使用的离心式空气压缩机、烃类气体压缩机，以及制冷用的氨气压缩机等。

实践证明，在大型化生产中采用离心式压缩机具有以下几方面优点：（1）排气量大，结构紧凑，机组尺寸小，重量轻，占地面积小。

（2）运转平稳可靠，易损件少，连续运转时间长，机器利用率高，操作维修费用低。

（3）可以做到绝对无油的压缩过程，对于不允许气体带油的某些工艺过程具有重要意义。

（4）机器转速高，适宜采用工业汽轮机或燃汽轮机直接驱动，使生产过程中产生的蒸汽、烟气的副产品得以利用，降低产品成本。

离心式压缩机存在的缺点表现在以下几方面：
（1）目前还不适用于气量太小及压比过高的场合。

（2）气量调节的经济性较差，工作流量偏离设计流量时，效率下降幅度较大。

（3）离心式压缩机效率一般仍低于活塞式压缩机。

我国在五十年代已能制造离心式压缩机，从七十年代初开始又以石油化工厂，大型化肥厂为主，引进了一系列高性能的中、高压力的离心式压缩机，取得了丰富的使用经验，并在对引进技术进行消化、吸收的基础上大大增强了自己的研究、设计和制造能力。

2. 离心压缩机的种类
离心压缩机的种类繁多，根据其性能、结构特点，可按如下几方面进行分类。

表2.1 离心式压缩机的分类
二、离心压缩机的工作原理
汽轮机（或电动机）带动压缩机主轴叶轮转动，在离心力作用下，气体被甩到工作轮后面的扩压器中去。

而在工作轮中间形成稀薄地带，前面的气体从工作轮中间的进汽部份进入叶轮，由于工作轮不断旋转，气体能连续不断地被甩出去，从而保持了气压机中气体的连续流动。

气体因离心作用增加了压力，并以很大的速度离开工作轮，气体经扩压器逐渐降低了速度，动能转变为静压能，进一步增加了压力。

如果一个工作叶轮得到的压力还不够，可通过使多级叶轮串联起来工作的办法来达到对出口压力的要求。

级间的串联通过弯道、回流器来实现。

这就是离心式压缩机的工作原理。

离心压缩机的结构和工作原理与离心泵相似，都是依靠高速旋转的叶片推动流体流动，从而增加流体的动能和压力能。

但是离心压缩机压缩的是气体介质，其介质密度小，所产生的离心力小，因而依靠离心力作功获得的能量较少。

为使气体获得更多的能量以提高气体的压力，离心式压缩机都采用很高的转速。

转速往往高达每分钟近万转或每分钟一万转以上。

转速越高，压缩机流通内气体的流速也就越高。

这些使离心压缩机的结构有其特点，设计制造要求比普通离心泵更为严格、难度更大。

三、离心压缩机的结构
离心式压缩机本体结构由转子及定子两大部分组成，结构如图2-4所示。

转子包括主轴及固定在轴上的叶轮、轴套、平衡盘、推力盘和联轴节等零部件。

定子则由气缸和定位于缸体上的各种隔板以及轴承等零部件组成。

在转子与定子之间需要密封气体之处还设有密封元件。

有的压缩机，气体从气缸中间排出，到缸外进行冷却后，再回到气缸内继续进行压缩，
有一次这样中间排出又返回的称为二段压缩，有的压缩机一缸可以有几个这样的段。

下面将对离心式压缩机主要部件的基本结构和作用进行介绍。

1.吸入室
2.叶轮
3.扩压器
4.弯道
5.回流器
6.蜗壳7、8.轴端密封9.支持轴承10.止推轴承11.卡环12.机壳13.端盖14.螺栓15.推力盘16.主轴1
7.联轴器18轮盖密封19.隔板密封20.隔板
图2-4 离心式压缩机纵剖面结构图
1.主轴
主轴是起支持旋转零件及传递扭矩作用的。

转子上的各零部件红套在主轴上，随主轴高速旋转。

过盈装配不仅是传递扭矩需要，还是为了防止转动部件在旋转时由于离心力的作用而松动。

另外，主轴与叶轮、平衡盘、推力盘等部件间还设有键，起到放松作用。

各转子零部件在主轴上的定位是靠轴肩、定距套、锁进螺母及卡环来实现的。

根据主轴的结构形式分为阶梯轴和光轴两种。

2.叶轮
叶轮又称工作轮，是压缩机转子上最主要的部件，叶轮随主轴高速旋转，对气体作功。

气体在叶轮叶片的作用下，跟着叶轮作高速旋转，受旋转离心力的作用以及叶轮里的扩压流动，在流出叶轮时，气体的压力、速度和温度都得到提高。

它是压缩机中唯一的作功部件。

按结构形式叶轮分为开式、半开式和闭式三种。

开式叶轮（见图2-5）结构最简单，仅由轮毂和径向叶片组成。

在叶轮上，叶片槽道两个侧面都是敞开着的，气体通道是由叶片槽道和与叶片前后有一定间隙的机壳形成的。

这种通道对气体流动不利，使气体流动损失很大，此外，在叶轮和机壳之间引起的摩擦鼓风损失也最大，故这种叶轮的效率最低，在压缩机中很少被采用。

半开式叶轮（见图2-6）叶片槽道一侧被轮盘封闭，另一侧敞开，改善了气体通道，减少了流动损失，提高了效率。

但是，由于叶轮侧面间隙很大，有一部分气体从叶轮出口倒流回进口，内泄漏损失大。

此外，叶片两边存在压力差，使气体通过叶片顶部从一个槽道潜流向另一个槽道，因而这种叶轮效率仍不高。

闭式叶轮由轮盖、轮盘和叶片组成。

这种叶轮对气体流动有利。

轮盖处装有气体密封，减少了内泄漏损失。

叶片槽道间潜流引起的损失也不存在，因此效率比前两种叶轮都高。

另外，叶轮侧面和定子间隙也不像半开式叶轮那样要求严，可以适当放大，使检修时拆装方便。

这种叶轮在制造上虽较前两种复杂，但有较高的效率和其他优点，故在工业压缩机中得到广泛应用。

图2-5 开式叶轮图2-6 半开式叶轮
3.平衡盘
在多级离心式压缩机中因每级叶轮两侧的气体作用力大小不等，使转子受到一个指向低压端的合力，这个合力即称为轴向力。

轴向力对于压缩机的正常运行是有害的，容易引起止推轴承损坏，使转子向一端窜动，导致动件偏移与固定元件之间失去正确的相对位置，情况严重时，转子可能与固定部件碰撞造成事故。

平衡盘是利用它两边气体压力差来平衡轴向
力的零件。

如图2-7所示，平衡盘位于高压端，它的一侧
压力是末级叶轮盘侧间隙中的压力，另一侧通向大气或进
气管，通常平衡盘只平衡一部分轴向力，剩余轴向力由止
推轴承承受，在平衡盘的外缘需安装气封，用来防止气体
漏出，保持两侧的差压。

轴向力的平衡也可以通过叶轮的
两面进气和叶轮反向安装来平衡。

图2-7 平衡盘装置
4.推力盘
由于平衡盘只平衡部分轴向力，其余轴向力通过推力盘传给止推轴承上的止推块，构成力的平衡，推力盘与推力块的接触表面，应做得很光滑，在两者的间隙内要充满合适的润滑油，在正常操作下推力块不致磨损，在离心压缩机起动时，转子会向另一端窜动，为保证
转子应有的正常位置，转子需要两面止推定位，其原因是压缩机起动时，各级的气体还未建立，平衡盘二侧的压差还不存在，只要气体流动，转子便会沿着与正常轴向力相反的方向窜动，因此要求转子双面止推，以防止造成事故。

5.联轴器
由于离心压缩机具有高速回转、大功率以及运转时难免有一定振动的特点，所用的联轴器既要能够传递大扭矩，又要允许径向及轴向有少许位移，联轴器分齿型联轴器、膜片联轴器和盘膜联轴器等，目前常用的是膜片式联轴器，该联轴器具有无油润滑、无磨损、热补偿性好、自动对中性好等特点。

6.气缸
气缸是压缩机的壳体，又称机壳。

由壳身和进、排气室构成，气缸上，装有隔板、密封体、轴承体等零部件。

对它有如下要求：
(1)有足够的强度以承受气体的压力；
(2)法兰结合面应严密，保证气体不向机外泄漏；
(3)有足够的刚度，以免变形。

6.1 气缸的形式
离心式压缩机气缸可分为水平剖分型和垂直剖分型(又称筒型)两种。

气体压力比较低(一般低于5MPa)的多采用水平剖分型气缸，气体压力较高或易泄漏的，要采用筒型缸体。

水平剖分型气缸有一个中分面，将气缸分为上下两半，分别称为上、下气缸，在中分面处用螺栓把法兰连接在一起。

法兰结合面应严密，保证不漏气。

一般进、排气接管或其他气体接管都装在下气缸，以便拆卸时起吊上气缸方便。

打开上气缸，压缩机内零部，如转子、隔板、迷宫密封等都容易进行拆装。

垂直剖分型气缸适应于中高压压缩机。

如图2-4，气缸是一个圆筒，两端分别有端盖板，用螺栓把紧。

隔板有水平剖分面，隔板之间有止口定位，形成隔板束。

转子装好后放在下隔板束上，盖好上隔板束，隔板中分面法兰用螺栓把紧，隔板束件可用贯穿螺栓连起来，推入筒型缸体安置好后，贯穿螺栓可以卸掉。

为了导向和防止隔板束转动，在气缸下部设有纵向键。

轴承座可以和端盖板做成一个整体，易于保持同心，也可以分开制造，再用螺栓连接。

和水平剖分型缸体比较起来，筒型缸体具有以下优点：第一，筒型缸体强度高；第二，筒型缸体泄漏面小，气密性好；第三，筒型缸体的刚性比水平剖分型好，在相同条件下变形小。

筒型缸体的最大缺点是拆卸困难，检修不便。

6.2 气缸的固定原则
气缸固定在机座上，压缩机在启动、停机和运行中负荷变化时，气缸各部分温度都会发生变化而引起相应的膨胀和收缩。

如果膨胀和收缩不能合理、自由地进行，就可能引起气缸、轴承座的部件的变形，使中心对中偏差加
大，振动加剧；同时引起压缩机内的间隙变化，
造成动、静部分碰伤或者效率降低。

因此气缸
固定必须考虑到膨胀和收缩问题，要求气缸合理地自由伸缩。

通常在气缸、轴承座和机座之间装设轴向键和水平横向键。

有的压缩机采用挠性板支撑系统，不设轴向键。

如图2-8所示，A为轴向键，B为水平横向键，气缸可以沿图中箭头所示方向自由膨胀和伸缩，而不会移动或旋动。

图中A-A和B-B的空间交点E是不动点，常称为气缸的死点。

键和机座之间应紧配，而键与气缸键槽、气缸猫抓螺钉与螺钉孔间及螺帽垫圈下均应留有足够的间隙，以使气缸伸缩。

图2-8 气缸机座滑键的布置
在气缸固定时，要特别注意气体管道与气缸的柔性连接，以保证不因管道的收缩影响气缸的定位。

7.隔板
隔板形成固定元件的气体通道，根据隔板在压缩机中所处的位置，隔板有4种类型：进气隔板、中间隔板、段间隔板和排气隔板。

进气隔板和气缸形成进气室，将气体导流到第一级叶轮人口，对于采用可调预旋的压缩机，在进气隔板上还要装设可调导叶，以改变气体流向第一级叶轮的方向角。

中间隔板的任务有二：一是形成扩压器，二是形成弯道（与气缸一起）和回流器。

段间隔板是指在分段叶轮对置的压缩机中分隔两段的排气口。

排气隔板除了与末级叶轮前隔板形成扩压器外，还要与气缸形成排气室（蜗壳）。

(1)扩压器：气体从叶轮流出时，它仍具有较高的流动速度。

为了充分利用这部分速度能，以提高气体的压力，在叶轮后面设置了流通面积逐渐扩大的扩压器。

扩压器一般有无叶、叶片、直壁形扩压器等多种形式。

无叶扩压器通常是由两个平行壁面组成的环形通道，气体在无叶扩压器中按一定方向角作对数螺旋线轨迹运动，随扩压器直径的增大流道面积增大、
达到使气体降速增压的目的，其结构如图2-9所示；叶片扩压器是在环形通道内装有叶片，如图2-10所示。

由于叶片的导流作用，气流降低速度快，与无叶扩压器相比，具有扩压程度大而尺寸小的优点；另一种特殊的叶片扩压器，叫直壁扩压器，其扩压器叶片前一小段形成接近对数螺旋线的曲壁通道，后一段是接近直线的直壁通道，这种扩压器中叶片的形成与一般叶片扩压器不同，它是由所需的通道形式来确定通道的两个壁面，由相邻两通道的侧壁构成叶片。

这种扩压器看成是一个单独通道，故又称为通道形扩压器。

由于这种扩压器的通道数仅为4~12个．也称为少通道扩压器，如图2-11所示，其弯道和回流器连成一个整体。

图2-9 无叶扩压器图2-10 叶片扩压器图2-11 直壁扩压器图2-12 弯道和回流器
(2)弯道：弯道是由机壳和隔板构成的弯环形空间，位于扩压器之后，其作用是为使气体进入下一级叶轮，将扩压出口流出的离心流动的气体作180°的转向，变为向心流动。

(3)回流器：在弯道后面连接的通道就是回流器，回流器的作用是使气流按所需的方向均匀地进入下一级，它由隔板和导流叶片组成。

导流叶片通常是圆弧的，可以和气缸铸成一体也可以分开制造，然后用螺栓连接在一起。

弯道和回流器如图2-12。

(4)蜗壳：蜗壳的主要目的是把扩压器后面或叶轮后面流出的气体汇集起来引出压缩机，由于蜗壳外径的不断增大和流通截面的渐渐扩大，也使气流起到了一定的降速扩压作用。

蜗壳的截面形状有圆形、犁形、梯形和矩形等。

蜗壳可以直接与叶轮出口连通(图2-13(b))，也有的气体先进扩压器再到蜗壳(图2-13 (a))。

有些蜗壳做成不对称的内蜗壳形式(图2-13(c))。

图2-13 蜗壳的结构形式
8.密封
为了减少气体通过转子与固定元件间的间隙的漏气量，需要采用密封装置。

离心压缩机密封分内密封和外密封两种。

内密封的作用是防止气体在级间倒流，如轮盖处的轮盖密封，隔板和转子间的隔板密封。

外密封是为了减少和杜绝机器内部的气体向外泄露，或外界空气窜入机器内部而设置的，如轴端密封。

离心压缩机中密封种类很多，常用的有以下几种：
1）迷宫密封
迷宫密封目前是离心压缩机用得较为普遍的密封装置，用于压缩机的外密封和内密封。

迷宫密封的气体流动(见图2-14)，当气体流过梳齿形迷宫密封片的间隙时，气体经历了一个膨胀过程，压力从P1降至右端的P2，这种膨胀过程是逐步完成的，当气体从密封片的间隙进入密封腔时，由于截面积的突然扩大，气流形成很强的旋涡，使得速度几乎完全消失，密封面两侧的气体存在着压差，密封腔内的压力和间隙处的压力一样，按照气体膨胀的规律来看，随着气体压力的下降，速度应该增加，温度应该下降，但是由于气体在狭小缝隙内的流动是属于节流性质的，此时气体由于压降而获得的动能在密封腔中完全损失掉，而转化为无用的热能，这部分热能转过来又加热气体，从而使得瞬间刚刚随着压力降落下去的温度又上升起
一般有
图2-18 蜂窝型迷宫密封
2）油膜密封，即浮环密封
浮环密封的原理是靠高压油在浮环与轴套之间形成油膜而产生节流降压，阻止机内与机外的气体相通。

浮环密封既能在环与轴的间隙中形成油膜，环本身又能自由径向浮动。

图2-19为浮环密封的结构简，它由几个浮动环组成，浮环能在轴上上、下浮动，但受销钉限制不能随轴转动。

浮环密封需要专门的密封液，一般为润滑油。

封油从进油口注入，通过浮环和轴之间的间隙，沿轴向左右两端流动。

封油压力仅比轴封前机内气体压力高约0.05MPa左右，所以向机内泄漏的封油量很少。

流至高压侧的封油与气混合，排出到油气分离器，经分离后封油继续使用。

流到低压侧(即大气侧)的封油没有被气体污染，可以回油箱循环使用。

浮环密封利用了轴承工作原理，当轴转动且有封油存在时，磨得很光的浮环端面，在压力油和弹簧作用下紧贴在L形固定环上，防止泄漏。

同时因浮环不能转动，环与轴之间形成油楔。

油的流体动压将浮环托起，轴与环之间形成油膜，不仅避免了轴和环的直接接触磨损，且又阻止了机内气体的外漏。

由于轴与环的间隙很小，也大大降低了封油的泄漏量。

一般高压侧浮环只有一个，低压侧浮环数量由介质压力与大气压力的压差而定，压差大时则用两个甚至三个浮环。

浮环密封安全可靠，在离心压缩机上使用比较广泛。

但是这种密封有一套较复杂的压力控制系统，包括封油循环系统、高位罐及控制仪表等。

加前所述，该系统应严格控制封油压力。

图2-19 浮环密封结构简图
3）机械密封
压缩机用的机械密封与一般泵用的机械密封的不同点，主要是转速高，线速度大，PV
值高，摩擦热大和动平衡要求高等。

因此，在结构上一般将弹簧及其加荷装置设计成静止式
而且转动零件的几何形状力求对称，传动方式不用销子、链等，以减少不平衡质量所引起的
离心力的影响，同时从摩擦件和端面比压来看，尽可能采取双端面部分平衡型，其端面宽度
要小，摩擦副材料的摩擦系数低，同时还应加强冷却和润滑，以便迅速导出密封面的摩擦热。

4）干气密封
随着流体动压机械密封技术的不断完善和发展，螺旋槽面气体动压密封即干气密封在
石化行业得到了广泛的应用。

相对于封油浮环密封干气密封具有较多的优点：省去密封油系
中。

图2-20的示意图。

它由动环1O 形环3、5、8，组装套2-21槽深度约2.5~10μm ，要求很高，需小于1μm 如图2-21
吸入螺旋槽内，由外径朝向中心，径向方向朝着密封堰流动，而密封堰起着阻挡气体流向中
心的作用，于是气体被压缩引起压力升高，此气体膜层压力企图推开密封， 形成要求的气
膜。

此平衡间隙或膜厚h 典型值为3μm 。

这样，被密封气体压力和弹簧力与气体膜层压力配
合好，使气膜具有良好的弹性既气膜刚度高，形成稳定的运转并防止密封面相互接触，同时
具有良好刚度的气膜可有效的限制泄漏量。

干气密封作用力情况见图2-22，在正常运转条件下该密封的闭合力（弹簧和气体作用
力）等于开启力（气膜作用力），当受到外力干扰，间隙减小，则气体剪切率增大，螺旋槽
开启间隙的效能增加，开启力大于闭合力，恢复到原间隙，若受到外扰间隙增大，则间隙内
膜压下降，开启力小于闭合力，密封面合拢恢复到原间隙 。

图2-22干气密封作用力图
干气密封的类型可分成单列密封、串联密封、双列对置密封和三列密封等。

和浮环油膜密封比较，干气体密封不需要复杂的辅助系统。

只需要提供简单的控制系
F
P Fc 闭合力
Fo 开启力
Fc=Fo 压缩
膨胀
弹簧载荷+流体静力载荷正常运转气膜
压力分布
弹簧载荷
+流体静力载荷间隙减小开启力增
大
弹簧载荷+流体静
力载荷间隙增大开启力减小
统以监测密封的情况和自动停车的情况。

图2-23所示为一典型的干气体密封辅助系统。

洁净的密封气（可以是工艺气，也可以是外设的氮气）以高于压缩机内被封工艺气体的压力由入口1注入到密封装置，用以阻止压缩机工艺气体渗漏。

在两侧干气密封面间泄漏的工艺介质气和隔离气的混合气经过压力开关PSM(PAM)、限流孔板3和流量计4后，排放到主空口，去火炬系统。

隔离气（氮气）由入口2注入，用以保护密封部件免受污染和阻止工艺气体泄漏，而靠近压缩机外部的密封泄漏气体主要为极少量的缓冲气体，经次放空口5放空。

压缩机油泵运行前，必须将隔离气体（氮气）引入到干气密封装置，以防止密封部件和油接触。

压缩机使用前，一般先注入洁净的氮气启动和保护密封面，在压缩机投入正常运行前，置换来自压缩机出口的工艺气，工艺气必须经过过滤器过滤。

干气密封的支持系统控制部件及管线远不
及常规液体密封安装的那么复杂和昂贵，通常具
有如下特点：①气源与支持系统工程简单；②操
作时无磨损，密封寿命可达数年；③工艺气体漏
损率低，且工艺介质不会被污染；④对转子轴向
或径向移动不敏感，⑤对密封的气体性能相对来
说不敏感；⑥低动力消耗，约为机械接触式密封
的l/20 左右。

图2-23 干气密封的辅助系统
9.轴承
离心式压缩机有径向轴承和推力轴承。

径向轴承的作用是承受转子重量和其他附加径向力，保证转子转动中心和气缸中心一致，并在一定转速下正常旋转。

止推轴承的作用是承受转子的剩余轴向力，限制转子的轴向窜动，保持转子在气缸中的轴向位置。

离心压缩机一般采用油膜滑动轴承，它是依靠轴颈（或止推盘）本身的旋转，把润滑油带入轴颈（或止推盘）与轴瓦之间，形成楔状油膜，受到负荷的挤压建立起油膜压力以承受载荷。

(1)径向轴承
径向轴承主要由轴承座、轴承盖、轴瓦等组成。

轴承座：是用来放置轴瓦的，可以与气缸铸在一起，也可以单独铸成后支持在机座上，转子加给轴承的作用力最终都要通过它直接或间接地传给机座和基础。

轴承盖：盖在轴瓦上，并与轴瓦保持一定的紧力，以防止轴承跳动，轴承盖用螺栓紧固在轴承座上。

轴瓦：用来直接支承轴颈，轴瓦圆表面浇巴氏合金，由于其减摩性好，塑性高，易于浇注和跑合，在离心压缩机中广泛采用。

在实际中，为了装卸方便，轴瓦通常是制成上下两。