苏尔寿和德菜赛兰公司化肥离心压缩机技术进展[资料]

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苏尔寿和德菜赛兰公司化肥离心压缩机技术进展【1991】
兰州石油化工设计院(730060) 朱达界
对瑞土苏尔寿公司和美国掐莱赛兰公司生产的化肥五大离心压缩机组的生产品种、结构特点和技术现状作了重点介绍，并对德莱赛兰公司采用的新技术气体密封和磁力轴承也作了介绍。
1989年我们与瑞士苏尔寿公司(SHLzER  Co)和美国德莱赛兰公司(DRESSER—RAND  co．)接触，从报告会、商谈以及他们所提  供的资科中，了解到一些大化肥装置中的五大离心压缩机组(即空压机、氮压成气压缩机、氨冷冻机和二氧化碳压缩机组。  投资约占整个装置设备费的l／6，功耗约占整  个装置3／4。)的技术进展。兹归纳整理如下，  供今后化肥装置压缩机组询价和评估以及考虑国产化方案时参考。
苏尔寿
1．低压压缩机(13bar以下)
  低压压缩机采用等温压绝就是将压缩机的级间冷却附安排亦压缩机机体内，气体介质经陨缩升混后不经近瞥进而直接进入级间冷却器的壳程空间进行冷却，使压缩过程靠近等温过程。其优点是：
(1)效率高  由于压缩过程趋向等温，又由于没有管路(包括膨胀节)、阀门等阻力损失，气体离开叶轮后通过宜敞而理想的庞道进入级闻冷却器，因而等温效率较高，达75％，而原空压机的效率为门、5％。
(2)结构紧埃  由于级间冷却器不再另外占据位置，厂房底层仅剩下油系统等设备，可以考虑将油系统安排在和压缩机一个底座—上，厂房单层布置，使厂房高度显著降低。
(3)噪音降低  这是由于内置式冷却器将压缩机转子包因住了，噪音传到机壳外壁有较多的衰减。
(4)操作周期长，维修也简单  在压缩机叶轮和冷却管束处设有若干个喷嘴，可在不停车的条件下定期进行喷水冲洗(约lo分钟＞。冷却器的气水分离效果比较好，可将水及时排出，经常保持压缩机在比较清净的状态下操作。对比较脏的气体、易于聚合的气体优越性更大。据介绍，大部分压绍机3—6年才须进行一次大修，最高记录为U年。另外，在中小修时，可以不必揭大差。冷却器管束可以单独吊出，更换轴承可以在轴端进行。在必需揭大盖检查转子时也可以不动管束。
等温压缩机有ARI和RIK两个系列：AN系列为轴流—离心复合式压缩机，有6种型号。该系列压缩机出口压力一般在20bar以下，气量12x10‘一15×10‘m。／L，进出口均为水平布置，适合作大化肥装置的空压机和其他压缩机组低压缸。 RIK系列为纯离心式压缩机，有4种型号。该系列压缩机出口压力一殷在10bar以下，气量3．5X10‘一10M10‘m‘／h，一殷有6个内置式冷却管束。管于为翅片式，材料一殷选用紫铜。在有氨存在时采用镀锡或铝或采用铝—锡合金(80％A1，20％sn)；当冷却水中氨的浓度在10DPPm以上时也可采用不锈钢管与钢翅片热该压成型。如果水中氯离子较高，可采用CuNil0Fe，水管污垢系数设计值为0．5x10‘(m：·oc)／可。苏尔寿公司的各种等温压缩机已销售loo台以上，1984年我国首都钢铁公司引进的ARl56作为氮压机，ARl63作为空压机(型号后数值表示叶轮直径，cm)。
从节能的观点考虑，当气量大于8Xlo‘mI／h对，选用ARI型比RIK型优越。另外，轴流部分由于采用了可调式静叶片，气量调节范围较宽，能达到65—105％，而一般纯离心压缩机为80一105％。但是BIK压缩机在运转可靠性，简化控制系统和降低设备投资方面优于ABI。因此近年来苏尔寿公司又开发了RIK90，100和l12，扩大了纯离心式等温压缩机的使用范围。大化肥空压机如果气量在16x10‘m。／h左右可选用BIKloo。据介绍，功耗仅比ARl63高1％，而价格便宜8％。
苏尔寿公司在提高压缩机效率方面还有： (1)利用计算机和先进的测试手段使三元叶轮的效率提高3—5％，而且能扩大压缩机的稳定操作范围。 (2)提高压缩机转速，减少叶轮级数和直径，并佐范量系数维持较大数值。转速提高以后，采取了以下措施提高转子的强度和稳定性：
  ①取消轴套和键连接，叶轮在轴上的装配为1．5％的轻度过盈配合，并用对称布置的径向销订团定。由于轴套在高速下为松动元件，取消轴套可减少转子不平稳因素，同时可佐轴的直径适当加粗。径向销钉的采用除了可以代替轴套来固定叶轮的轴向位置以外，还可以降低轴上应力集中系数(键为2．6，销钉为1．8)，提高轴的强度。每次拆卸叶轮和装配对，可将叶轮上的孔铰大一个规格三次锭大以后应格叶轮转过45。重新钻孔和饺孔。 ②减少了级数可佐轴承跨距缩短增加转子的刚性，并采用刚性联轴歉因此又提高了转子的刚性和稳定性。 (3)改进隔板中扩压器、回滴器和涡壳的流道设计，减少了气流的各种损失。

2．中压压缩视
水平剖分的中压压缩机采用机壳有B，Bs和Bz系列。B表示径向，Bs表示该机有侧线进出口，Bz表示该机有级间冷却、液体分离或侧线气体有混合过程等。该机型有8个规格，出口压力13—70bar，气量0．4×10‘一22x10‘m3／h。中压压缩机不能采用等温结构是因为机壳承压能力受到限制。
中压压缩机的结构特点：
(1)在第一级和其他叶轮的人口处可设置可调或不可调的导叶片使气流人口角处于最佳疽，减少气流损失。
(2)各级叶轮在安装前进行比操作转速高15％的运转试验，以便在叶轮中形成局部永久变形和预应力，以降低操作时叶轮中的应力值，提高叶轮的强度和可靠性。
(3)叶轮根部比较民当用加热的方法将叶轮从轴上取下时，由于叶轮有较大的热容量不会佐轴的温度上升太快，佐叶轮的拆卸工作简化，避免用力敲打而佐叶轮变形。
(4)梳齿密封的齿安装在转子上，当偶尔发生摩擦时转子不易造成局部烷低密封效果较好，此外，维修也比较方便。
(5)转子一般都经过高速动平衡试验，以提高运转平稳性。
(6)在制造厂可进行气体闭路性能试验。所使用气体的分子量尽量与实际操作气体分子量相近。

3．高压压缩机
高压压缩机机壳采用垂直创分(筒式)，有RB，RBS和RBz系列。  B表示筒形，其余符号意义与中压压缩机相同。该系列有6个规格，出口压力70—700b8r，气量0．3x10‘一4．5x10‘m’／h，其结构特点有：
(1)外筒材料一般为低合金高强度钢银件，进出口方位可灵活安排，接管焊接在筒体上。采用有限元法用计算机进行应力分析和强度计算，并用先进的试验手段进行检验，使整个简体包括与接管连接部位的应力作到均衡分布。内筒为铸钢或球墨铸铁，必要时也可采用不锈钢或有色金属铸造。
(2)具有良好的互换性，减少备件数量。
(3)外筒的端釜设计避免采用剪切环的结构，因为剪切环与介质接触容易锈蚀和卡住，拆卸比较因难，因此采用法兰式，用大甥检连接。端差与筒体之间为金属对金属接触，在简体端部用两道“o”形阁进行密封。两道“o”形圈之间有通道与用力炭相连，以便监视“o”形圈曲严密性。
(4)整个内件(包括转子、——L—下隔板、轴承和密封件)与册羌一起装配好以后，利用活动支架推进简体中，拆卸和安装郡比较方便。维修以后一般可以不必重新对中。
(5)内外筒之间有四道金属环或称活塞环，起支承和各段间的密封作用，并使内外简之间保持适当的间隙。在压缩机开车时，内筒温度比外筒温度升高快得多，可以使内简自由膨胀。另外活塞环比“o”形环强度死在内筒安装时不易翻转和损坏。为了便于装卸，整个外简的内壁光滑不带台阶。
(6)所有叶轮排列均为顾列，避免喘振时转子产生强烈的轴向审动。
(7)离开叶轮的气流大部分进入6“压路，但也有一小部分漏泄至叶轮背面，形成强烈的涡流，明显地影响转于的平稳性：为此在叶轮背面的扩压器上设计一圈涡皖破断器，试验证明效果很好另外，在设叶—L利用这部分气流来平衡转于的轴向力也有良好效果，成为苏尔寿的专利技术。
(8)高压压缩机流道窄，加工精度和光洁度要求很高，以减少气流损失。叶轮的焊接是采用金—镍合金  (Au80％，Ni20％)在10 oo。c下进行真空钎焊，保证叶轮焊接精度和强度。
(9)采用刚性联轴器在苏尔寿公司已有20多年的经验，它可以使整个机组的转子联成一个整体，而仅使用一个止推轴承，可以安排在比较有利的部妓，以提高其承载能力。当机组带有齿轮增速路N‘，可格高压缸的轴向推力经小齿轮铀J；的比推盘和大齿轮L：的止推盘传到大西轮的lL推轴承上，使高速止推变成低速止推(止推盘上的摩擦基本上届于杰汕吸泅沿下的波动联接)，而且空间他置所：受的限制小，使止报面积明显增大，比医显著降低，因而较好地解决了化肥装置中高原缸止推轴承烧瓦和寿命曲问题，另外，坤退路r6出轮由于有lL推盘的布亿可以不作成人字惭。采州斜齿轮卯习。：在没有齿轮箔的机组中．可将IL推轴承安排在联轴器的勃上。
刚性联轴器的使用不仅简化了机组推力轴承，使之工作更为可靠，而且消除了义他联孙器给转子带来的悬簧结构，提高了转子的刚性，并可利用联接短轴的长短和粗细来调整转子的临界转速。一部分短轴可以作为挠性的，以便缓和压缩机找正的因难。如果驱动用汽轮机本身有止推轴承或采用电动机时，驱动机和压缩机组之间可用一般薄膜联轴器进行联接。
至1987年年底止，苏尔寿公司共生产出口压力为80一100ba r的压缩机55台，100—350bar的压缩机52台。
4．氧压缩机
氧压缩机低压缸为RIo型。其中o表示氧，有5个规格。出口压力可达20bar；气设1．2×10‘一9×10‘m’汕，出口压力超过20愧?时可采用中压R机刑或高压BB机型配套形成一个机组。钢铁材料在纯氧巾当温度和吊力较高时是容易氧化和燃烧的，在设计、选材、操作和维修方面应采取一系列措施。据报道，目前世界上能生产较高压力的离心式氧压缩机的厂家只有瑞土苏尔寿和西秘掳马克两家，其中苏尔寿占有领先地位。到现在为止，苏尔寿公司所生产的出口压力在30一75bar的氧压缩机共有85个机组。依据的规范主要为欧洲制造行业颁布的《氧气透平压缩机施行规范，第四版(1981年5月)》。兹将氧压缩机在设计上的特点归纳如下：
(1)控制气流速度，例如压力为40bar时，气流速度应小于60 m／s。因为气流速度高时，气流小的粉尘与压缩机的过流部分发生机械撞击，可能在局部打起火花。
(2)所有过流部分的气流湿度不能超过135。C。
(3)避免过流部分存在气流死角，因为在死角处粉尘容易集聚，也容易产生涡流而形成局部高温，使金属在纯氧巾自燃。
(4)氧压缩机的密封不应采用百油润滑的结构，无论压力高低，一殷均采用梳齿式密封。梳齿及其相对的静密封应选择导热好、摩擦时不打火花的材料制造：如银、镍、铜及其合金。轴端的栋齿密封一般有三个密封眩一个与压缩机入口相通，一个与大气相通(至火炬)，一个通以缓冲气(如氮气)，压力为密封压力加26660Pa。
(5)轴承室不应与机壳铸成一体，防止润滑油或油蒸汽浸入机体内。止推轴承的承载能力应有足够的裕量以免损坏时造成转子与隔板发生剧烈撞击。应当在轴的适当部位设计一个安全肩，挂上巴氏合金，一旦止推轴承失效时，临时可起安全作用。
(6)转子应可靠的接地，以消除静电积累。
(7)压纳机浆配别·，过流部分严格禁止油的污樊，也不允许过统部分涂油漆。 (8)压绍机控制系统匝严格要求：
①严格防止压缩机发生喘振，以免造成内件之间剧烈撞击和ii流温度的剧烈上升。防喘振阀应工作可练(例如采用FIsHER公司的产品)，尺寸应足够大，使压缩机在最大连续转速下能通过120％的气量。除用压力、流量等参数控制防喘振外还应安装独立的计数器系统，以便在防振阀失灵而刚发生喘振时即时自动停车。 ②在压缩机各段出口处安装温度快速感应装置，当氧气超过规定温度20。c时报警，超过35。c时自动停车。 ②轴承温度、转子振动与轴位移装置的报警和自动停车装置应工作灵敏可靠。 ④一旦压缩机停车时，隔断阀应立即动作，使压缩机与系统隔开。 ③冷却水故障应有报警，以免冷却效果下

德莱赛兰公司

  德莱赛兰公司生产的离心压缩机水平列分机壳的为M型，有7个规格，出口压力最高达5．8MPa，气量0*7X10‘一40×10‘m‘／h。1M，2M，3M为铸造机壳(中小型)，6M为焊制机壳(大型)，4M和5M的可以是铸造也可以是焊接。垂直刘分机壳(筒形)的为B型，有10个规格。08B，1B，2B，3B为锻造或焊接机壳(小型)，4B，5B，6B为焊接机壳(中型)，出口压力可达74MPa。
1、离心压缩机的特点
(1)二元叶轮效率较高，操作范围技宽，不仅使气底在叶轮内部流线合理，而且可使进入和离开叶轮的气流也处于合四流动的状态。
(2)隔板的设计有较显著的改进： ①各级叶轮间的距离显著缩短，可使转于在轴承间的跨距减小，或者在相同跨距内安排更多酌叶轮。 ②按照气体动力学的要求合理分配各级所占的轴向长度，一般第一级最讫以后的级依次缩短。 ②扩压器为收缩形，迫使气流稳定流动，弯道半径大而均匀。回流器也是均匀扩张使气流平稳地加速进下一级导流叶片，隔板—k各种尺寸均进行了好纫安排和计算。压缩机进出口涡壳同样也是充分利用轴承间的跨距和空间合理设计o
(3)叶轮采用真空电子束焊接，焊接前后自动热处理，保证叶轮的强度和精度。叶轮与轴的用向固定不靠键或者定位销，而是靠精密磨削而戍的三角形孔和轴来完成的，无需加热即可徒手进行装卸。对于垂直创分的高压缸的隔板，由于可以将叶轮和隔板逐级进行安装，因此隔板也可以垂直剖分，避免了水平刘分面的泄漏损失。
  (4)止推轴承采用喷油直接润滑，即在每个止推块之间的支承板上开有一串小油孔。作用是使每个止推块在高速下部能得到温度较低的润滑油充分润滑，提高了止推轴承的承裁能力，也减少了润滑油的用量。
(5)止推盘为油压装配，使止推盘工作更可靠，装卸时也不易损伤配合面。 (G)有4种轴封，即油膜密劫、机械密封、捕齿密封和气体密封。油膜密封用得最多，主要原因是： ①密封压力较高，目前已达到72MPa(密封油压力要求比介质压力高o．035MPa)。 ②在密封失效时不会突然发生泄漏，只是密封油的消耗量增加，压缩机还可以暂时维持操帜因此比较安全。 ⑧结构比较简单，维修比较容易。德莱赛兰的机械密封的密封压力目前能达到3．2MPaP其优点是开、停车时可以保持不泄漏。一般用在易燃易爆有毒或较昂贵的介质上。梳齿密封在结构上有两个特点：即沿轴向收缩，以提高承受压差的能力。在平衡活塞处为阶梯形梳齿，试验证明可减少该处30％左右的泄漏量。 (7)在制造和装配方面： ①过流部分的粗糙度严格控制，叶轮在21in以下时粗糙度不大于32BMS，2lin以上时，粗糙度不大于125RMS。 ②动、静元件连接处不允许出现台阶。

德莱赛兰公司目前正在对离心压缩机组实施两项重大的技术突破：采用气体密封和磁力轴承。
2．气体密封
即用气膜来代替油膜，取消密封油系统，采用压缩机内的介质经冷却、过滤(o．45ym)和干燥以后作密封介质用，操作时气膜处泄漏极少量的气体可导人火炬焚烧。气体密封为美国JOHHCRAHE—HOUDAILLE开发的产品。气体密封的产生是考虑到可以克服以下油膜密封酌缺点：
(1)浮环中的油膜对高速转子的运转有明显的干扰，影响转子运转的稳定性。 (2)在中、高压压缩机中，串级式的油膜密封勃向尺寸很长。另外，在设计上也力图使密封处轴的直径减少以提高密封效果，转子趋向于细长刚性和动力学性能下降。 (3)需要一套复杂而昂贵的密封抽系统。气体密封的结构与机械密封有些相似，但动、静环之间不接触而有一个o．o0254一o．0127mm(100—500微英寸)的间隙。这是由于精确计算的摩擦副所受的各种静压力、摩擦力、密封面推力、弹簧力和惯性力等处于平衡状态后达到的。当密封面间隙增大时，密封面上的推力减小，从而使摩擦副自动靠近，密封面间隙减小6反之，密针面间隙自动扩大，从而获得稳定的气膜密封。
动环装在轴上，材料为碳化钻或碳化钨。静环是浮动的，直接受弹簧的推力，材料为石墨。动环和静环的加工精度很高，外面部有用殷钢(INvAR)制成的刚性好、热膨胀系数极小的护套防止变形。动环的底部有一道密封圈，除起密封作用外，还起隔热和支承作用。静环的密封面分为两个区，内圈区为密封钡，气体主要在这部分进行密封，外因区为自位坏，是浮动的，可以在密封面间自由转动，类似推力轴承的止推块，能自动维持密封面的间隙。为了在气体密封失效时保证不致泄漏，在密封腔内还安装了一套浮动石墨环密封，并通以o．105MPa的空气或氮气作为缓冲气，缓冲气的另一作用是保证气体和轴承中的油能彼此分开。
德莱赛兰从U74一U88年共安装了395套气体密封，有4、22—14、06MPo酌各种密封压力，使用于氮气、二氧化碳、丙烯、氟里昂、天然气和其他碳氢化合物(合5％H：s)的压缩机中。
3．磁力轴承
磁力轴承包括径向轴承和止推轴承，是靠磁场的磁力作用将转子浮起。磁力是来自电磁铁(一组铁芯片)外部缠绕的绝缘线圈通以电流所形成的磁场。在转子的轴颈部位也装有铁芯片，在磁场中转动时受到感应产生磁性，因而在磁场中浮起。浮力的大小决定于电流和轴承间隙的大小。为了控制这个间隙，维持稳定的运转，在间隙处安装了一个探测氟将信号反馈给控制系统，通过ND模拟计算机发出电压校正信号给功率放大笼使通向线圈中的电流获得校正值，以维持稳定的轴承间隙。
德莱赛兰1980年将一套磁力轴承用在出口压力为4，2MPa，转速为10000一13000r／m：n的氮压机上。磁力轴承的正确设计必须掌握它对转子的刚性和阻尼。磁力轴承在化肥离心压绍机中尚未开始应用。到目前为止。德莱赛兰将磁力轴承用在压绍机中的仅有8套，大部分都用在输送天然气的管道压绍机上功率4250—23000HP，转速5250一14500?／min。
磁力轴承由于结构简单、磨损小，寿命长、功耗省、维修容易，特别是省去了复杂而昂贵的润滑油系统，如果将它与气体密封联合使用，可将润滑油和密封油系统全部取消，成为无油离心压缩机，这将是压缩机技术上的一个突破。另外，使用磁力轴承的压缩机只驱动端轴封才需氮另一端磁力轴承由于无润滑剂可以安排在机壳内部，处在介质小间，因此无需轴封装置：
目前苏尔寿和德莱赛兰两公司的离心压缩机组比原来国内镇海等三个化肥厂所用的压缩机，估计能提高效率lo％以上，化肥装置五大机组总的轴功率约5xlo‘kw，这样每年可节能约4xlo’kw，h。至于提高运转可靠性，减少停车事故，延长大修周期和使用寿命等方面带来的好处更应当引起重视。在考虑离心压缩机组国产化方案比不应盲目地不顾国情地去追求世界最新技术，也不应停留在测绘仿制70年代国外产品或用70年代的技术设计离心压缩机组而用在90年代中期或后期投产的装置上。