离心式压缩机的应用现状

张东峰，刘行宇，李宏燕

（宁夏大学 机械工程学院，宁夏 银川 750021）

0 引 言

离心式压缩机是一种实现连续运输和高转速的节能设备，依靠高速旋转的叶片带动气体产生离心力并完成做功。

离心式压缩机的发展历程已有百年历史。离心式压缩机的出现和发展晚于往复式压缩机，但目前在许多领域，已逐渐代替往复式压缩机而成为了主要的动力机械，特别是在重大化工生产、气体传输和液化等领域得到了广泛的应用。

传统的容积式压缩机是依靠压缩腔内缩小容积来提高气体压力，因其气体脉动大、易引起管道振动、内部零件易损坏、气体运输不连续等特点逐渐退出重大工业生产领域。

离心式压缩机因其结构紧凑、占用空间小、易操作、运行平稳、可大流量传输等特点，从结构和性能上，都得到了一定程度的提升，适合当代工业发展的需求。

离心式压缩机按结构分为单轴离心式压缩机、齿轮式离心压缩机和原动机与离心压缩机组合式压缩机。这3 类压缩机在性能上各有特色，侧重点不同，以满足不同工业生产的需求。

随着科学技术不断的进步，离心式压缩机也逐渐向集成化、智能化和复杂化方向靠拢。相比较国外的先进技术水平，国内的离心式压缩机在整体设计水平上还有很大差距，出现了振动明显、噪音大、能耗高，转速较低等现象，且国内的大型企业离心式压缩机大多依赖于国外进口。

1 离心式压缩机在发电领域内的应用现状

布雷顿循环是以乔治·布雷顿的名字命名的热力循环系统，包括绝热压缩、等压加热、绝热膨胀和等压冷却4 个部分。

超临界二氧化碳（S-CO2） 布雷顿动力循环是指以二氧化碳为工质的传热体系，其结构紧凑，效率高，安全稳定，在化石能源、核能、太阳能等发电领域得到了广泛的应用。以超临界（S-CO2） 为工质的离心式压缩机大大提高了布雷顿循环热效率以及各种热源形式的利用。

美国Sandia 国家实验室和能源部对以S-CO2为工质的发电技术进行了大量的实验，并建造S-CO2压缩机实验台用于研究压缩机的性能。2018年，在德州开建了一个S-CO2光热发电示范项目“Supercritical Transformational Electric Power”（“STEP”，超临界转换发电装置），成功推进S-CO2发电技术的大型化。

相比较于传统的离心式压缩机，S-CO2压缩机具有能耗少、结构紧凑、内部机理复杂等特点。但由于工质的高密度性，S-CO2离心式压缩机表现出的盘腔内泄漏损失和鼓风损失的现象较为严重。

曹润、李志刚等人考虑盘腔泄漏对压缩机性能造成的影响，得出盘腔泄漏会导致压缩机启动性能的下降。此外，其气动性能、轴向推力和叶轮的强度也是S-CO2压缩机在设计阶段考虑的关键因素。

由于S-CO2工质压力高、密度大、压缩机的进口状态参数较难控制，技术上还存在高效密封和间隙泄漏等难题。

2 离心式压缩机在天然气运输方面的应用现状

天然气主要存在于煤田、油田、气田中，在低碳环境的要求下，天然气作为一种优质的清洁能源，符合我国可持续发展的战略目标，也受到了世界各国的青睐，其用量也在逐年上升。

由于在天然气的运输和开采过程中，天然气的压力会出现波动，造成传动系统的不稳定，且传输过程中有能耗的损失，因此，需要借助压缩机来实现对天然气的增压和稳定性的控制，以安全运输到各个用户。

对于大气量天然气的传输，采用离心式压缩机可以达到较好的运输效果，离心式压缩机特点是结构紧凑，运行稳定，可实现大气量和长距离传输。

华北管网首站的中石化某管道压气站采用了4台GE 新比隆公司BCL355 型离心式压缩机，其压缩机的重要技术参数见表1。

表1 场站压缩机组重要技术参数Table 1 Important technical parameters of compressor unit of field station

BCL355 型离心式压缩机为电驱式压缩机。压缩机实际进气口压力约为3.8~4.2 MPa，出口压力约为7.5 ~ 9.5 MPa，每日运输气量约为700 ~ 900万m3。

为提高压气站的运行可靠性，现共有4 台离心式压缩机，处于2 用2 备的状态。此类压缩机处于长期运行的状态，受外力因素和内部气流不稳定的影响，易出现故障问题。

其中，热力故障是此类压缩机普遍存在的问题，会导致排气不足、排气不稳定和排气压力上升等现象。此类现象严重影响压缩机的日常运行，如果不及时处理，会迫使压缩机停机。

引起热力故障有多方面的因素，其中包括过滤器堵塞、电压不稳定、管道设置和布局不合理等。

由于天然气中湿气含液多和杂质多，易导致压缩机密封气系统失效。另外，天然气中金属离子含量较高，易在压缩机机腔内部积垢，引起压缩机的异常振动。

液化天然气（Liquefied Natural Gas,简称LNG）具有便于储存和长途运输的特点。由于LNG 温度较低，大约为-162 ℃，而LNG 离心式压缩机的作用是将储罐中不断吸收外界热量而蒸发的气体通过再次冷凝成低温液体，能有效控制储罐中的压力和温度，以确保LNG 的流失和系统的正常安全运行。

位于中东卡塔尔最大的天然气液化装置的离心式压缩机的供应商是美国GE 公司。于淼对LNG液化工厂离心式压缩机做了概述，分析了冷剂压缩机的常见故障并列举了解决措施。

3 离心式压缩机在化工领域内的应用现状

随着化工行业的快速发展，对压缩机的要求也越来越高，不仅要求压缩机高效、稳定、大流量，还在材料、密封程度、安全系数等方面提出了更高的要求。

3.1 合成氨工业中离心式压缩机的应用

安徽六国化股份有限公司1 000 t/d 的合成氨项目，采用节能离心式压缩机为生产磷酸二铵提供气氨。

压缩机的一段压缩进口压力为0.07 MPa，温度为-38.2 ℃，流量为10.7 t/h。氨合成工段的气氨经气液分离后，会在氨压缩机低压缸内与一段气氨混合后进入二段压缩。二段压缩进口压力为0.26 MPa，温度为24.5 ℃，流量为27.4 t/h。

经过段间冷却器的冷却，和与来自经过气液分离的合成气氨混合后，一部分送往六国化本部，另一部分进入三段压缩，此时，压缩机进口压力为1.70 MPa，温度为145 ℃。

考虑到防喘振的安全余量，此类压缩机在设计阶段应考虑扩大运行工况范围。

3.2 尿素生产工段离心式压缩机的应用

工业生产尿素的方法是以液氨和二氧化碳为原料，CO2经过离心式压缩机加压后，与来自氨泵的高压液氨在尿素合成塔中进行反应，生成低浓度的尿液；在经过分解、蒸发、造粒等多种工艺加工处理后，即得到尿素。

尿素生产中的原料CO2主要来源于水煤气。压缩机的入口温度约为30 ℃，压力约为0.13 MPa。经过加压后，出口压力约为15.5 MPa，温度约为120 ℃。

尿素生产中的二氧化碳离心式压缩机具有高压比、高压差、高功率、高转速、高温度、高压力等特点。

另外，在尿素生产中，CO2压缩机工段设置的脱硫装置是为了脱离掉CO2原料中的H2S。一般尿素生产装置的压缩机一段进口会加入0.4%~0.7%的防腐空气，以减轻H2S 对不锈钢的腐蚀。

3.3 氯碱行业离心式压缩机的应用

在氯碱工业中，氢气压缩机主要用于对来自电解工序的高温湿H2进行冷却、净化，并加压运输。此类压缩机多因控制回路出现故障造成停车。

氯气压缩机的作用是将Cl2进行压缩并输送给用户，要求进机的氯气干燥，并净化处理达标，且含水量低于一定值，不含酸雾。此外，氯气压缩机初开车时易引起压力波动。

中盐吉兰泰盐业集团有限公司袁飞对离心式氯气压缩机的工作原理和整个氯碱压缩机运行的工艺流程做了详细叙述，同时给出了氯气压缩机的工艺控制指标及操作注意事项。

3.4 煤制甲醇生产中压缩机的应用

在甲醇生产过程中，离心式压缩机按照运输介质的不同分为空分压缩机、氧气压缩机、氮气压缩机和合成气压缩机。

3.4.1 空分压缩机

空分压缩机是给空气增压的装置，空分装置的工作原理是根据空气中气体各组分沸点的不同，经过加压、冷却、纯化，再经过冷却使之液化、精馏，从而获得所需要的氮气、氧气、氩气等产品。

离心式压缩机为精馏塔提供原料空气，使空气组分能成功分离。

空分装置的能耗和效率一直是企业和客户关注的重点问题，因此，对压缩机性能上的要求是其对能耗有很好的控制。此外，空气增压机由于整体的压力较高，应考虑壳体的密封性能和整体强度。

3.4.2 氧气压缩机

氧气压缩机的作用是将从分馏塔出来的氧气进行压缩处理后送至后工序用于生产，以保证甲醇生产工序的正常进行。

山西焦化有限责任公司甲醇厂空分车间配套了3 台55/30 型氧气压缩机，空分产氧量为7 138 m3/h，2 台氧气机的实际打气量为6 000 m3/h。该压缩机基本达到了满负荷状态运行。

氧气本身具有强氧化性，在高纯度环境下容易发生氧化作用，因此，应做好防锈处理，确保机壳和内部零件的防护。由于纯氧环境易发生燃烧，应特别注意周围环境的安全。

3.4.3 氮气压缩机

氮气压缩机和氧气压缩机的功能和作用相同，是将从分馏塔分离出来的氮气通过氮气压缩机加压后运送到后序工段。氮气压缩机长期处于高压状态容易引发泄漏事故。

3.4.4 甲醇合成气离心式压缩机

②发电调试：山前水库输水涵洞附近没有可供机器人使用的电源,采用汽油发电机进行发电，待其运行平稳后打开开关向主控制器送电。在地面通过主控制器对机器人发送指令，检查爬行器的抬升架起落情况，检查爬行器前进后退、灯光、镜头的水平左右旋转、调焦控制等动作，以检查设备是否处于良好状态。同时将所要检测的涵洞的基本信息输入主控制器保存。

甲醇合成气离心式压缩机的作用是将来自甲醇洗净后的新鲜气和甲醇合成来的循环气进行压缩。

河南龙宇煤化工有限公司一套生产50 t/a 甲醇的装置，其合成气压缩机的新鲜气压力为3.15 MPa，温度为30 ℃，进入压缩机内六级压缩后压力变为7.54 MPa，温度为163 ℃，与来自酯化压缩机分离段的甲醇混合后，压力变为8.2 MPa，温度为71 ℃。

国家能源集团宁夏煤业有限责任公司的合成气压缩机进口压力为2.8 MPa，温度为30 ℃，与来自合成系统的循环气（7.4 MPa，40 ℃） 混合后，经循环气压缩机压缩至8.4 MPa 后进入合成装置。

合成气压缩机的流量比和压力比对压缩机的整体运行状态会产生相应的影响。同时，应注意密封结构方面的问题。

综上所述，离心式压缩机在化工领域中，由于工作气体性质会对压缩机的零件和密封产生较大的影响，所以，在长时间的高速运转下容易出现零件的失效情况。

离心式压缩机运转时的入口压力、入口温度、出口温度、出口压力、工作流量等均为离心式压缩机工作的重要参数。

由于化工领域循环气成分的原因，对压缩机的材料、技术和密封都有很高的要求，尤其对气体的适应性、压缩介质的改变均会直接影响压缩过程和膨胀过程指数，从而影响排气量和排气温度。

在长时间的运行下，压缩机叶片易发生积垢，破坏了转子的动平衡，从而造成机组振动。

4 离心式压缩机在冶金行业的应用现状

4.1 离心式压缩机的作用

在电冶行业，离心式压缩机主要是用来压缩空气。高压空气被用作能源介质，主要用于控制仪表及自动化装置。

压缩空气常用作对仪表的吹扫，因周围环境差，空气中常伴有灰尘，会使仪表内部和表面堆积大量的赃物，高压空气可以起到清洁作用。

在石化领域，高压空气也常用作仪表的气动控制和吹扫。对用于仪表气系统和仪表吹扫系统压缩机空气的要求较高，应通过后期处理后才能使用。

压缩空气中若含油，会影响设备的使用寿命，也会增加故障率和维护成本。

在冶金工业中，高压空气另一个作用是给动力执行结构提供稳定的动力源。

钢铁公司在生产过程中的烧结车间、炼铁高炉、气压缸、高炉的炉门开启和等待关闭等一系列操作都需高压空气来完成动力执行环节。高炉鼓吹、蒸汽喷雾冷却、钢带表面、炉底用风等多个环节也会用到高压空气。

高炉的鼓风设备用气量很大，通常压力为0.2 MPa，可用电作执行机构的动力源，但电作为动力源危险系数很高。

因此，压缩机可完成多项功能和任务，大大节约了成本。

4.2 离心式压缩机的优势

（1） 由于压缩机的转速高，因此，可实现大流量和高效率的输出。

（2） 压缩机的整体结构紧凑，占地面积小，易于安置。

（3） 运转平稳，工作可靠，调节方便。

4.3 离心式压缩机的劣势

（1） 转速高，易产生振动。

（2） 结构复杂，紧密性高，对设备的运转条件要求高。

（3） 稳定工况区较窄，经济性较差。

该类离心式压缩机主要功能是完成对空气的压缩，要求压缩机的运行工况点基本维持在高效区运行，具有良好的抗喘振性能。

5 离心式压缩机在采矿行业的应用现状

5.1 离心式压缩机的作用

矿山所用离心式压缩机大体功能与冶金行业相同，高压空气也常用作矿山机械的动力源之一，包括凿岩机、风镐和其他的风动机械，压缩空气可以为旋转钻头提供旋转动力。

由于矿山机械的操作环境一般是在有瓦斯或易爆炸的煤层，且冲击力较强，使用电作为动力源极易引发大的安全事故。因此，高压空气作为动力源，其安全性能就比较高。

尽管这种动力机械的效率很低，但考虑其安全性能，目前，矿业的采掘工作多使用风动机械来进行煤矿的开采。

在矿山开采中，空压机被称为煤矿的“4 大件” （主要通风机、主提升机、主排水泵、空气压缩机） 之一，可见其在矿山开采中的重要性。

压缩空气可通过高速气流来引爆爆炸物，也可为深部采矿环境提供通风系统。

5.2 离心式压缩机的优势

（1） 结构紧凑。

（2） 排气量大。

（3） 运行稳定。

（4） 使用寿命长。

（5） 容易操作。

（6） 安全性高。

（7） 所运输的气体质量较高。

5.3 离心式压缩机的劣势

（1） 操作相对复杂。

（2） 设备技术含量高。

（3） 运行维护费用较高。

（4） 当排气量变化时易发生振动，齿轮箱噪声大。

6 离心式压缩机在制药行业的应用现状

在制药领域中，离心式压缩机的作用是压缩空气。灌装机、制粒机、加浆机、填充机、包装机、印字机和工艺提取提灌机，都要用到压缩空气。

此外，在化验中试用气、物料输送、干燥、吹扫、气动仪表、自动控制用气等，也都要用到压缩空气。

在药物生产过程中，很多情况下压缩空气与药品直接接触，为了防止药物发生污染进而危及人们的生命安全，应对压缩空气进行处理以达到一定的要求。特别要控制压缩空气中的含油量、含水量、固体颗粒、微生物粒子等，还要求压缩空气无味，必须通过GMP 的认证查验。

对医药工业来说，微粒特别是尘粒会直接影响药品质量。2010 空气质量等级标准文件规定了生产行业所使用的空气质量的标准。

所以，制药工厂对所用压缩空气必须以微粒和微生物为主要控制对象，是与制药工厂只控制微粒的其他工厂（如电子、机械工厂等） 的主要区别之一。

7 结 语

本文论述了离心式压缩机在不同行业的作用和表现，探讨了其运行条件、特点、优缺点以及常见的失效种类和方式，可为离心式压缩机平稳操作和日常维护提供有效的指导意见。

离心式压缩机经过多年的研究和不断发展，不仅能满足大流量的输出和高效率运行，在安全保障方面，离心式压缩机简单易操作，安全系数较高，结构紧凑，运行平稳。

在现代大型工业制造领域，离心式压缩机逐渐取代往复式压缩机成为主要的动力机械。但受限于国内离心式压缩机的发展技术，大部分的离心式压缩机依赖于国外进口，在未来十年中，中国由制造大国向制造强国转变，离心式压缩机的制造也会得到飞速的发展。