离心压缩机的升级改造

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发表于 2008-10-20 18:17 |只看该作者 |正序浏览

离心压缩机的升级改造

沈阳通用电气透平机械技术有限公司(辽宁110168)张海界

中国通用机械制造业网上家园

【关键词】离心压缩机,升级改造

【论文摘要】介绍了离心压缩机的升级改造，并对其工作范围、技术应用以及实际业绩进行了分析和介绍。

一、前言

近年来，石化、钢铁、电力行业快速发展，装置规模不断扩大，原有的安装设备以不能满足扩能需要，如何科学、有效地利用原有的设备，对其进行升级改造来取得新装置同样的经济效果，成为业内人士的研究热点。离心压缩机作为此类装置中的关键设备，其优化、改造方面的技术需求尤为突出。下面对投资少，见效快的离心压缩机升级改造技术进行了简要介绍，以供参考。

二、进行升级改造的必要性

(1)装置工艺流程的改变这包括装置产量、操作压力、气体组分等的变化，因此通过压缩机部件改造和系统改进，来适应新流程的要求。
(2)减少维护费用使用新技术、新材料来延长设备寿命，减少维护停工时间，提高压缩机可靠率/利用率，降低维护成本。
(3)符合不断完善的环保法规的要求利用技术的创新和系统的改进，减少 NOx的排放，减少气体向大气的泄漏，清除油对工艺气的污染。

三、压缩机升级改造

1?压缩机升级改造的工作流程
首先根据用户提供的压缩机新操作参数，对其进行初步工程分析，得出技术方案；随后评估压缩机组的运行现况，并配合用户分析升级改造的回报率；接着开始技术、商务报价，并进行谈判，最终签订合同；压缩机制造厂进行详细的工程设计和项目管理，直至现场安装、交付。
压缩机升级改造的工作范围如图1所示。

图1压缩机升级改造的工作范围
1?可倾斜支撑轴承，直接之间滑推力轴承
2?压缩机通流部分
3?干气密封，可磨密封，蜂窝密封4?干式弹性联轴器

2?压缩机通流部分
通过改进离心压缩机的通流部分，可提高其运行性能，即提高效率、流量和多变能量头。通常，可大幅度提高效率（高达10%），降低压缩机所需功率，从而减少能耗。额外的动力可以用于增加能量头和流量；具体视压缩机规格和维护情况而定，新的通流部分可以提高压缩机的名义流量（高达50%）。这种改造可以获得许多益处，包括：压缩机升级改造以重新设计隔板束通道为基础，保留现有外壳，因而对装置布局没有太大影响；提高装置效率，从而降低运营成本；提高装置生产能力；对现有的主要设备再利用，投资少。设计标准和规范在未明确限定时，部件设计应依据最高的工程设计标准。必要时，通过应用FEA（有限元分析）、CFD（流体动力学计算）和模型试验等方法检验部件的设计。
下面简要介绍压缩机通流部分改造的具体内容和步骤。
(1)确定原有机壳内轴向和径向可用空间。
(2)校核进风口法兰、出风口法兰、进气涡室、排气涡室等处的气体流速。
(3)空气/转子动力学的计算、分析。针对压缩机新的操作工况（流量、进口压力、进口温度、气体组分、出口压力等），应用已被验证的新的压缩机高效基本级，选择叶轮和定子部件，重新进行压缩机通流部分的设计；转子的横向/扭振动力学的分析保证新转子在安全的转速运行。
(4)改动部件材料的选择，确保能在可能的恶劣条件（如H2S含量高等）工作。
(5)辅助系统的校核，如润滑油系统、密封系统和防喘振控制系统。

3?支撑轴承
离心压缩机的支撑轴承是影响其安全工作和使用率的关键零件之一，所以我们可使用可倾瓦支撑轴承替代原有的椭圆轴承，大大提高压缩机的运行性能。可倾瓦支撑轴承包括沿中心线剖分的圆柱形轴承套和五个可倾斜的扇形轴瓦，瓦块可以使转子偏心，可以优化轴承瓦块上的载荷分布情况，并且形成更好的油楔。根据承受的载荷，可以根据需要把轴承按以下两种位置安装：一块轴瓦承载；两块轴瓦之间承载（用于大型转子和/或挠曲严重的场合）。使用可倾瓦支撑轴承，可以改善转子轴承系统的动力学性能，并大幅度减小油膜振荡；可倾瓦轴承可以使轴瓦倾斜，从而增强轴承对轴运动的适应性；从五个等距径向进油孔均匀进油；通过侧盖控制，减少润滑油量；因阻尼作用较大从而增加了稳定性；降低了备件成本，只需更换瓦块；可以在瓦块上安装热电阻元件，更好地监控轴承温度。
4?止推轴承
所有的透平机械机运行时在转子上均会产生轴向推力，必须平衡轴向推力以保证在旋转过程中轴向定位的稳定。正是止推轴承上的残留载荷保证转子处于固定的轴向位置。在运转过程中，明确限定的位置对避免轴向振动并保证转子和定子的气流通道中气流形态稳定至关重要，而后者保了压缩机在热动力学方面正确无误并且高效的运行。转子上的残余轴向力通过止推盘传递到轴承上，并且由机器支撑系统予以平衡。止推盘和轴承瓦块（通常6个轴承瓦块）之间的油膜确保零件相对运动时摩擦小无金属间接触，将巴氏合金面的磨损最小。采用直接润滑止推轴承，轴承瓦块背后是水准块，水准块可以把轴向推力传递到轴承座上，同时保证每块瓦块承受相等的推力负载。在润滑油进口压力和止推盘旋转产生的离心力作用下，促使润滑油从止推轴承内径流向外径，通过该径向油流可以更好地润滑止推轴承。
5?密封
离心压缩机的密封件非常重要，它对于机组的多变效率、吸收功率、实际的流量、转子和止推轴承上的轴向载荷的变化等因素有着很大影响。密封系统可允许转动件与固定件作相对运动，同时保证级间和端部密封的密封功效，并把固有的内循环减少到最低限度。密封按安装位置可分为：装于转子轴端上（以保证压缩机内部同外部的密封效果）、在平衡盘上（以保证补偿轴向推力）、在叶轮上（保证级间密封）。传统使用的铝合金或不锈钢迷宫密封，定子上的密封齿和转子表面之间的径向间隙在迷宫密封正常使用的过程中，既要考虑尽量减少泄露（窄间隙），又要保证避免危险的机械接触的必要性和密封件自身运行使用完好（宽间隙），二者之间折中确定间隙值。迷宫密封效果并不理想，因此我们可以应用一下几种密封形式。
(1)可磨密封
使用可磨密封件弥合了以上迷宫密封窄、宽间隙两个互相冲突的要求。该密封系统允许大幅度减少径向间隙，同时保证一旦发生摩擦时的运行安全性和运行效率，大幅度降低泄漏率。可磨密封成套组件，可用于替换原机组中的传统迷宫密封。这些组件可应用于平衡盘密封、轴端密封、级间密封和叶轮口环密封。可磨密封和传统的迷宫密封的本质差别在于两种密封的几何形状。与传统平直的迷宫密封不同，可磨密封在轴上安装的零件，具有齿形外表面，而定子零部件的内表面是平滑的。旋转零件由金属制成，而定子零件由复合原料制成，密封的装配间隙较小（比常规的迷宫密封减少50%，减少气体泄漏）。可磨密封的金属齿在复合材料表面的摩擦，只会在复合材料表面上产生小凹槽，而不会改变装配间隙。固定零件上的这种小凹槽不会改变密封齿间微型涡流的形成情况，因此不会破坏密封功能。因为材料差异相当大，摩擦不会磨损密封齿，因而对转子平衡不会有任何影响。使用可磨密封还解决了灰尘积聚问题（在迷宫密封齿中，气体中的固体颗粒在其中旋转，最终由泄漏气体夹带离开密封），可以保证齿间气体处于紊流状态，始终保持密封功效。改造部件适用于排出压力低于35MPa的压缩机。
(2)蜂窝密封
迷宫密封在高压状态下使用时，产生的横向扰动力会严重影响空气动力学性能。尤其当介质是大摩尔质量的气体时，这种不稳定的影响，将引起振动振幅增大，甚至造成压缩机紧急停车。出口排气压力较高或处理重介质气体的压缩机，蜂窝密封可以很好地解决这种问题，它的定子表面上的每个蜂窝状结构的单元约大1?ffice:smarttags" />2mm、深2?5mm，减少气体轴向泄漏，并获得较好的密封效果，并增加转子刚度和阻尼特性，减少吸收功率。

(3)干气密封
干气密封的密封环由一个端面受弹簧加载的静环和一个与之相对应的旋转动环组成。在动环或静环的密封端面上（或同时在两个环的密封端面上）开有特种槽。动环旋转时，端面槽对气体产增压作用，气体压力分布由环外缘至槽的根部逐渐增加，动环与静环端面之间形成气膜，使密封端面之间具有足够的开启力而脱离接触，形成非接触式密封。密封端面宽度应比普通机械密封端宽，因为端面上包括了带槽区和密封堰两个部分。密封堰主要作用是在主机停机时，在弹簧力作用下，将两个密封端面贴紧保证停机密封。这种密封可以显著提高可靠性并降低维护成本；取消原密封油系统，避免密封油通过密封件向压缩机内泄漏，在新机组中已经大量成熟使用。
6?联轴器
在许多压缩机组中，采用了油润滑齿式联轴器。运行几年后，会造成齿轮轮齿之间出现磨损，增大了联轴器的工作啮合间隙；润滑系统出现故障或维护不当导致齿形啮合处迅速磨损，磨损脱落的微粒和灰尘集聚在联轴器内部，形成油泥。这样会导致转子振幅增大，联轴器逐渐失灵，增大了涡轮机残余不平衡量，定期维护的工作量大。采用干式挠性联轴器克服了上述问题。它的弹性元件没有可拆卸零件，因而不需要维护。无需改造涡轮机转子和联轴器护罩，即可改装挠性联轴器。在大多数情况下，可以选择与原装齿式联轴器刚度相似的替换联轴器，避免改变机器转子的动力学性能。
挠性联轴器主要分为两类：膜盘联轴器和膜片联轴器。
(1)膜片联轴器通过螺栓将联轴器轮毂、弹性元件（膜片）和套筒三部分连接在一起，最终经联轴器轮毂传递转矩。膜片联轴器的主要优点是结构轻巧，因而减小了悬伸力矩，系统无需维护，大幅度降低润滑油流动引起的横向不稳定性，轴向负载较小，并有较强的对中能力。
(2)膜盘联轴器联轴器轮毂与焊接到套筒上的一/两个膜盘通过螺栓连接来传递转矩。这类联轴器的主要优点为配置简单，因而只有一定限度的平衡问题而没有磨损——即没有挠性转矩传递元件相互摩擦引起的擦伤和腐蚀问题。膜盘联轴器的外径大于膜片联轴器，因此也较重。通常重型汽轮机驱动的压缩机组的轴端装配方式采用法兰连接的膜盘联轴器。
7?其他可以升级改造的部件
离心压缩机升级改造还可能涉及到其他方面，如：
(1)监控振动和轴向位移系统（非接触式探头等）
(2)防喘振控制系统（流量测量元件、防喘振阀、重置控制限等）

四、小结

对原有的离心压缩机机组进行有针对性的升级改造，使原设备最大化的再利用，从而达到与投资相对很高的新装置同样的气体处理规模，可取得良好的经济效益。同时由于其具有周期短，可根据用户实际进行量体裁衣设计、制造等特点，更进一步提高了其实用性。国内外的应用情况显示，该技术是值得在石油、化工等行业中大力推广的技术。