離心式壓縮機設計淺析

（中石化洛陽工程有限公司配管室，河南 洛陽 471003）

離心式壓縮機設計淺析

蔣 波

（中石化洛陽工程有限公司配管室，河南 洛陽 471003）

轉動機械是石油煉化裝置中不可或缺的能量轉化設備，在各種煉化裝置中具有核心的、不可動搖的地位。但由于其設備的特殊性，在對其進行附屬管道設計時，需要綜合多方面的因素，保證設備、管道的安全、經濟。

管道布置；離心式壓縮機；蒸汽輪機；應力評定

壓縮機是輸送氣體和提高氣體壓力的一種從動的流體機械；壓縮機按照結構可分為速度式和容積式；速度式主要有離心式和軸流式兩種基本型式；其中離心式壓縮機在石油煉化行業中被廣泛應用。離心式壓縮機及其驅動用蒸汽輪機的設備及管道布置有以下幾個要點：

一、離心式壓縮機的設備布置及廠房（棚）布置

進出口都在壓縮機下方的大型壓縮機或壓縮機組，宜采用雙層布置，比較重要的設備設置在上層，附屬設備及管工藝道設置在下層，層間距應滿足制造廠的要求，一般情況下應大于或等于4m。

若壓縮機的動力來源是凝汽式汽輪機，該離心式壓縮機宜采用雙層布置，在汽輪機排汽口的正下方布置凝汽器，并把凝結水泵靠近凝汽器布置，且其標高應能滿足水泵安全運行所需的吸入高度的要求。若壓縮機由背壓式汽輪機驅動，蒸汽透平的汽封冷卻器應盡可能的靠近機組本體。

若采用雙層布置，壓縮機檢修將在二層平臺上進行。檢修區域應能滿足檢修空間及最大檢修件的放置要求，以放置檢修件后能進行檢修作業為準。若有多臺機組，其檢修區域可互相共用。二層平臺上應設置吊裝孔，吊裝孔宜布置在廠房一角或兩機組間一側，地面層應設置車行通道。吊裝孔尺寸應以考慮吊車死點位置后，機組最大尺寸檢修部件能順利通過為準。

由于壓縮機主軸就位、電機抽芯等操作的靈活、正確、不損壞機件等因素，吊車軌頂的位置要綜合考慮。其標高由機組的運行、檢修、安裝所需的起吊高度決定，吊車主鉤距操作層的最大高度應大于壓縮機制造廠所規定的機組最小起吊高度。

壓縮機基礎應與廠房基礎、結構相互脫開，也應與附屬設備基礎分開。應根據和壓縮機相連的工藝管道直管段要求、潤滑油站高度及廠房外管架的層高要求來確定，若壓縮機帶有中間（級間）冷卻器或由凝汽式蒸汽輪機驅動，還應綜合考慮各冷卻器與冷凝器的安裝高度。

潤滑油站宜布置在一層回油總管側，并靠近回油總管的低端。對于帶有管殼式冷油器的潤滑油站需考慮其管束的檢修抽出空間。高位油箱應按機組特性要求的高差布置（一般為高出機組中心線6m），宜布置在廠房兩端吊車死區。

二、離心式壓縮機的工藝管道的設計

離心式壓縮機分垂直剖分式與水平剖分式。垂直剖分式壓縮機前端不宜布置管道或其它障礙物；水平剖分式壓縮機上部不宜布置管道或其它障礙物，若因特殊情況，必須在相應位置布置管道時，應采用法蘭連接，以便拆卸。如果附屬管道需要支撐，支架生根的基礎應

不妨礙吊裝或可拆卸。

離心式壓縮機入口管道上應設置臨時過濾器，該過濾器應便于拆卸，一般安裝在靠近壓縮機管口的位置。在布置管線時，為防止進氣流相不問引起機組或管線振動，不宜用彎頭直接與入口配對法蘭連接，一般要設置3～5倍DN的直管段，以達到整流的效果。

兩臺以上主風機出口管道并聯或切換操作時，不可避免的會有氣流頂撞的現象存在。為避免由此現象引起的壓力損失，在兩路管道連接時，應順介質流向45°斜接。事故狀況下，催化劑可能會倒流到主風機管線內，因此應在主風機出口管線上設置阻尼單向閥，該閥應盡量靠近輔助燃燒室，使催化劑倒流的危害減小到最小。

可燃氣體壓縮機反飛動泄放應采取密閉循環方式，并設置在合理的位置。主風機吸入口與反喘振放空口的間距應盡量遠。為防止噪聲污染及熱風循環，放空口應設置放空消音器，并將管線引至主風機廠房頂部，且放空消音器應高于主風吸入口。

可燃氣體壓縮機應有供開停工使用的惰性氣體置換設施，惰性氣體入口接至壓縮機入口管切斷閥后，靠近閥門布置，以減小死區。

三、離心式壓縮機的潤滑油管道設計

1 所有潤滑油管道、管件、閥門等的材質均應選用奧氏體不銹鋼。

2 潤滑油管道，管子及管道附件均應選用對焊型式。

3 潤滑油管道不得與蒸汽管道或其它高溫管道相鄰布置，交叉布置時，凈空不得小于200mm。

4 供、回油總管應分別布置在靠近在機組的兩側，供油主管布置在壓縮機基礎上，回油主管布置在二層樓板下的基礎邊緣上。

5 高位油箱與機組供油總管相接的管道應短而直。不宜出現“U”形配管。

6 回油管道的設計還滿足下列要求：

6.1 回油總管應以≥4%的坡度坡向油箱，回油管道不得出現“U”形配管。

6.2 回油支管與回油總管應采用法蘭聯接，各回油支管應在易于觀察的部位設置示境。

6.3 回油管道不得設置閥門。

7 潤滑油管道應分段用法蘭聯接，應根據酸洗設施的大小確定每段管段的空間尺寸，管道預制完畢后進行現場試組裝，確認無誤后應進行酸洗、鈍化處理，然后回裝。

四、蒸汽輪機的配管要點

蒸汽輪機利用系統中多余的熱能量進行驅動。將蒸汽的能量轉換成為機械能，進而推動各種轉動設備進行做工，能量轉換的目的，又稱蒸汽透平。凝氣式蒸汽輪機由于其出口管線較大，制造廠一般設置分液罐及膨脹節。一般由機械專業選擇汽輪機的類型，來調節全場的蒸汽平衡。

蒸汽輪機出入口管線應以可以自然補償管道自身熱膨脹及機體附加位移為原則，以吸收管系的熱脹量和汽輪機入口管咀的附加位移量。由于溫度較高且管嘴受力苛刻，需對其進行詳細的管道柔性分析計算。而且由于其校核方式的特殊性，蒸汽輪機的出入口管線需要合并在一起計算。

蒸汽汽輪機出入口管道在靠近蒸汽輪機出入口處宜設限位支架，以阻止外部推力影響機械管嘴；且應在適當設置彈簧支吊架，避免使用剛性支吊架抑制管線的熱膨脹，減小設備管嘴的熱漲反力。為減小管嘴所受到的水平力，可采用低摩擦系數支架（聚四氟乙烯支架、滾動支架等）。

入口蒸汽管道上的切斷閥前后應設預熱和平衡壓力的旁路線，旁路線的直徑應根據入口線管徑適當放大。入口管道主汽門前的放空管道應引至廠房外，并應選擇安全的放空位置。由于該管線平時處于關閉狀態，因此管道應力分析計算時，應考慮放空及不放空兩種情況下對汽輪機管嘴受力的影響。必要時可優化該管線的走向，使其對壓縮機管嘴的影響盡量小。

靠近汽輪機進口法蘭的管道上應設置一段可拆卸的帶法蘭的短節，以便在試運前安裝吹掃打靶用的臨時管，為拆卸該短接方便，該拆卸法蘭不宜與進口法蘭在同一直線上。

五、應力分析與應力評定

轉動機械如汽輪機、煙氣輪機、離心泵等設備，由于其轉速高、殼壁薄，因此其管嘴允許受力比較小。若管道施加在機械管口的受力過大，將會造成殼體變形、轉動軸對中度產生偏差、定子轉子之間的間隙改變，造成機械破壞與磨損、震動。因此離心式壓縮機及汽輪機的管嘴受力在API617及NEMA SM-23中有明確的規定。NEMA SM-23規定如下：

1作用于任一管口上的合力及合力矩應滿足以下要求：

0.9144 FR+MR≤26.689De

2進汽口、抽汽口和排汽口上的力和力矩合成到排汽口中心處的合力及合力矩應滿足以下兩個條件：

（1）合力和合力矩應滿足以下條件：

0.6096 Fc+MC ≤13.345DC 式中：

（2） FC和MC在X、Y、Z三個方向的分力和分力矩應滿足以下條件：

|Fcx| ≤8.756Dc

|Fcx| ≤13.345Dc

|Fcy| ≤21.891Dc

|Fcy| ≤6.672Dc

|Fcz| ≤17.513Dc

|Fcz| ≤6.672Dc

根據API617標準校核公式可以看出，管嘴受力F的系數小于1，在校核公式中占得比例較小。因此在管道設計中，應以盡量減少管嘴力矩為主要方向。當然，力與力矩存在轉化關系，譬如在考慮綜合受力時，出（入）口受力要往入（出）口合成，對于管口較大的的壓縮機，進出口之間距離L往往在1m以上，由于力矩M=FxL，此時力F的比重又開始占據了主導因素。所以布置管線不但要考慮減收力矩對壓縮機管口的影響，也要設置必要的限位支架控制各個方向的水平力。垂直方向的力可以通過調整彈簧荷載的方式予以解決。

另外，在對壓縮機管線進行綜合受力評定時，由于力與力矩的矢量性，可以適當調整管線的走向或限位位置及限位形式，使壓縮機進出口管嘴受力（及折算力矩）的方向相反，這樣在綜合受力評定時，可以起到事半功倍的效果。

離心式壓縮機的受力校核標準大致原則與計算方法跟蒸汽輪機基本相同，綜合受力校核原則都是把其余管口的受力及力矩折合到最大管口，再進行數據校核，區別只在于API617的允許數據是NEMA SM-23的1.85倍。因此在用軟件對壓縮機進行校核時，若軟件提供的進出口個數不足，可以用NEMA SM-23校核程序進行校核，把前面的比例因子改為1.85即可。

NEMA SM-23、API617等標準中的允許受力限制非常嚴格，在管道設計和應力分析中一般都很難滿足這個要求，因此，在機組定貨協議和前期審查階段應要求制造廠適當放寬限制。

[1]張德姜．石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊[M]．北京：中國石化出版社,2009．

[2]唐永進．壓力管道應力分析（第二版）[M]．北京：中國石化出版社，2009．

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