多段補氣多軸離心壓縮機的研制

危松江

（長沙賽爾透平機械有限公司，湖南 長沙 410100）

0 前言

離心式鼓風機和壓縮機在國民經濟各部門中占有重要的地位，可廣泛應用于石油化工、制冷、空分、冶金、煤化工、紡織、制藥、國防等和國計民生息息相關的各個領域，是該領域的核心設備，具有不可替代的作用。與容積式相比，離心式具有效率高、故障少、運行平穩等優點。多軸離心壓縮機，作為離心式壓縮機中的一大類，由于其結構簡單，效率更高，近年來得到了廣泛的應用。

隨著現代工業的迅猛發展，隨著新技術、新工藝的不斷應用，某些行業對工藝氣體壓縮機的要求越來越高，特殊要求也越來越多。在工藝壓縮機中，會碰到中間補氣，甚至中間出現多段補氣的特殊壓縮機應用。該文根據某用戶工藝參數需求，對多段補氣的高效離心壓縮機相關方面進行技術研發。

1 設計參數表

根據用戶提供的工藝氣體參數來設計確定壓縮機的參數。某用戶對工藝氣體參數需求、壓縮機設計參數見表1。各段設計參數見表2。

表1 壓縮機設計參數

表2 各段設計參數

2 研發的過程及技術特點

2.1 結合氣動確定主機布置方案

根據各段壓比，每段采用一級葉輪就能滿足壓力的需求。各段進口流量都比較小且各段流量不同，多軸齒式壓縮機適合小流量壓縮機，各級葉輪能根據流量和壓比匹配不同的轉速，使各級效率最高。綜合以上，擬采用三級多軸齒式壓縮機，每級進口均帶有進口預旋器調節流量，相當于三個單級壓縮機的串聯組合。主機結構布置對比方案如圖1所示。

圖1 主機結構布置對比方案

主機結構布置方案1與方案2的區別就是1級與2級同軸還是2級與3級同軸，通過比較2級采用不同的轉速（與1級同轉速或者與3級同轉速）計算，以及2級與3級具有差不多的壓比值，綜合起來最終鎖定布置方案2。

2.2 轉子動力學分析計算

轉子動力學-軸承分析、計算和優化，對機組的穩定運行極為關鍵，直接影響機組平穩運行的周期和使用的壽命。多軸離心壓縮機機組，由一級高速轉子、二三級高速轉子及大齒輪轉子組成。各轉子轉速比較高，高速軸轉子轉速都在兩萬多轉。大小齒輪嚙合、各轉子的耦合增大了扭轉振動及動力學分析計算難度。

軸承分析軟件采用“CMD-Bearing滑動軸承性能計算軟件”，計算壓縮機各軸承在不同轉速下的剛度和阻尼性能。大齒輪軸為剛性轉子，支撐軸承可以選用圓瓦、橢圓瓦、錯位瓦等。通過對比計算，該次選用具有較大剛度和阻尼的錯位瓦軸承，而且其、方向的交叉剛度和阻尼相等，使轉子運轉軸心軌跡趨向于圓心軌跡，對轉子的運轉穩定性有好處。而大齒輪的推力軸承由于推力較小、結構比較緊湊，選用較簡單的面推力軸承。高速軸轉子由于轉速高，載荷比較小，一般選用可傾瓦軸承。可傾瓦軸承又分為4塊瓦和5塊瓦兩種，而且可以根據載荷和轉速選用不同的間隙比、不同的寬徑比、不同的預負荷，結合轉子-軸承動力學計算，確定一級、二三級徑向軸承的計算結果，見表3。

動力學分析軟件采用“CMD-Rotor轉子系統動力學分析軟件”，其工程精度高、計算效率高。根據表3軸承參數計算各轉子在單獨和耦合狀態下的各階臨界轉速、各階陣型，同時在各階臨界轉速下計算出轉子的不平衡響應大小，依此通過調整軸系以及軸承參數可以優中選優，選擇最穩定可靠的軸系和軸承方案。一級轉子的臨界轉速以及在臨界轉速下的不平衡響應圖如圖2、圖3所示。

圖2 一級轉子的臨界轉速

圖3 臨界轉速下不平衡響應圖

表3 一級、二三級徑向軸承計算結果

壓縮機各轉子的臨界轉速計算結果見表4，計算結果滿足壓縮機設計標準API617要求。

表4 壓縮機臨界轉速計算結果

2.3 主機結構

多軸離心壓縮機，主要是由齒輪箱、軸承、蝸殼、隔板、導流器、轉子組以及進口預旋調節結構等組成。該次主機結構剖面圖設計如圖4所示。一段氣體從進口預旋器進入第一級葉輪，經一級葉輪壓縮后提高壓力，并進入一級擴壓器中，氣體流速降低，壓力再一次升高，而后由蝸殼匯集，隨排氣管流出，由氣體冷卻器冷卻，隨后與二段進氣混合，再進入二級葉輪壓縮，同樣收集二級出口氣體，經冷卻后與三段氣體混合，然后再進入三級葉輪壓縮，依次循環至完成要求。

圖4 主機

進口預旋調節器（IGV）安裝在每級葉輪進口前面，通過氣動執行機構驅動傳動機構，傳動機構控制葉片轉動，以此改變進口氣流預旋角度，控制各級葉輪的流量。與傳統的靠調整進風閥門開度調節壓縮機負荷的調節方式相比，節流損失小，可節能降耗5%。調節范圍更寬，可實現壓縮機在70%～105%范圍內高效運行，對恒轉速壓縮機來說，尤其適用。

2.4 機組氣路流程布置

多段補氣壓縮機常規的氣路流程布置是把壓縮機的每段當作一個獨立的壓縮機來進行控制，典型氣路流程布置，如圖5所示。

按照常規壓縮機串聯布置，常規均會采用如圖5所示的流程，但通過分析，圖5流程有一個弊端。如果一段氮氣流量嚴重不足，一級防喘振閥會打開，造成二級入口流量也不足，二級防喘振閥也打開，同樣造成三級入口流量也不足，三級防喘振發也打開。也就是說前段防喘振會影響后段的防喘振，如果碰上工況變化比較大的場合，三個防喘振閥會頻繁且同時動作，會給壓縮機運行帶來較大的安全隱患。所以在這個流程的基礎上，該文設計改進了流程，改進氣路流程布置，如圖6所示。

圖5 典型氣路流程布置圖

圖6 改進后的氣路流程布置圖

改進的氣路流程布置，壓縮機各段的防喘振均從末級回流，這樣前段即使入口流量不夠，防喘振閥操作后回流后的流量會進入后段，不會對后段流量造成大的影響，不會影響后段的防喘振操作。前期設計時只考慮了在末級出口配置了放空閥，后期詳細設計時經分析認為，按上述配置的防喘振流程，壓縮及正常的操作沒有問題，但在壓縮機緊急停車時，由于一段出口與二段補氣管網是聯通的，二段出口與三段補氣官網聯通，急停時，一段和二段的出口不能快速卸壓，會對壓縮機造成損壞。因此在一段出口和二段出口多增加了一段放空閥和二段放空閥，三個放空閥出口一起接入放空消音器。

2.5 機組撬裝設計及整體布置

壓縮機機組包括壓縮機、電機、中間冷卻器、稀油潤滑系統、管路系統、儀表以及壓縮機的控制體系統。為盡量節省現場廠房的占地面積，布置更緊湊、節約土建成本，把壓縮機主機、電機、稀油潤滑系統撬裝在一起，冷卻器和復雜的管路系統布置撬裝塊的兩側。優化后機組的整體布置如圖7所示。

圖7 機組的整體布置圖

3 結論

該文結合氣動的設計優化使主機結構更加合理。運用轉子動力學分析軟件和軸承計算軟件確定壓縮機的軸系與軸承，保證了機組的運行穩定性。通過流程分析比較確定最有利于安全運行的氣路流程。采用撬裝布置減少了用戶土建等成本投入。匯總形成了整套機組的最終設計方案，并成功完成了首臺“多段補氣”電動多軸離心式壓縮機組的研制。產品樣機目前已經通過了廠內驗收，機械運轉振動均小于20μm，軸承溫度均低于70℃，待現場安裝調試。多段補氣多軸離心壓縮機的研制提高了公司在工藝壓縮機領域的研制能力，拓展了公司的產品市場領域。