多段补气多轴离心压缩机的研制

危松江

（长沙赛尔透平机械有限公司，湖南 长沙 410100）

0 前言

离心式鼓风机和压缩机在国民经济各部门中占有重要的地位，可广泛应用于石油化工、制冷、空分、冶金、煤化工、纺织、制药、国防等和国计民生息息相关的各个领域，是该领域的核心设备，具有不可替代的作用。与容积式相比，离心式具有效率高、故障少、运行平稳等优点。多轴离心压缩机，作为离心式压缩机中的一大类，由于其结构简单，效率更高，近年来得到了广泛的应用。

随着现代工业的迅猛发展，随着新技术、新工艺的不断应用，某些行业对工艺气体压缩机的要求越来越高，特殊要求也越来越多。在工艺压缩机中，会碰到中间补气，甚至中间出现多段补气的特殊压缩机应用。该文根据某用户工艺参数需求，对多段补气的高效离心压缩机相关方面进行技术研发。

1 设计参数表

根据用户提供的工艺气体参数来设计确定压缩机的参数。某用户对工艺气体参数需求、压缩机设计参数见表1。各段设计参数见表2。

表1 压缩机设计参数

表2 各段设计参数

2 研发的过程及技术特点

2.1 结合气动确定主机布置方案

根据各段压比，每段采用一级叶轮就能满足压力的需求。各段进口流量都比较小且各段流量不同，多轴齿式压缩机适合小流量压缩机，各级叶轮能根据流量和压比匹配不同的转速，使各级效率最高。综合以上，拟采用三级多轴齿式压缩机，每级进口均带有进口预旋器调节流量，相当于三个单级压缩机的串联组合。主机结构布置对比方案如图1所示。

图1 主机结构布置对比方案

主机结构布置方案1与方案2的区别就是1级与2级同轴还是2级与3级同轴，通过比较2级采用不同的转速（与1级同转速或者与3级同转速）计算，以及2级与3级具有差不多的压比值，综合起来最终锁定布置方案2。

2.2 转子动力学分析计算

转子动力学-轴承分析、计算和优化，对机组的稳定运行极为关键，直接影响机组平稳运行的周期和使用的寿命。多轴离心压缩机机组，由一级高速转子、二三级高速转子及大齿轮转子组成。各转子转速比较高，高速轴转子转速都在两万多转。大小齿轮啮合、各转子的耦合增大了扭转振动及动力学分析计算难度。

轴承分析软件采用“CMD-Bearing滑动轴承性能计算软件”，计算压缩机各轴承在不同转速下的刚度和阻尼性能。大齿轮轴为刚性转子，支撑轴承可以选用圆瓦、椭圆瓦、错位瓦等。通过对比计算，该次选用具有较大刚度和阻尼的错位瓦轴承，而且其、方向的交叉刚度和阻尼相等，使转子运转轴心轨迹趋向于圆心轨迹，对转子的运转稳定性有好处。而大齿轮的推力轴承由于推力较小、结构比较紧凑，选用较简单的面推力轴承。高速轴转子由于转速高，载荷比较小，一般选用可倾瓦轴承。可倾瓦轴承又分为4块瓦和5块瓦两种，而且可以根据载荷和转速选用不同的间隙比、不同的宽径比、不同的预负荷，结合转子-轴承动力学计算，确定一级、二三级径向轴承的计算结果，见表3。

动力学分析软件采用“CMD-Rotor转子系统动力学分析软件”，其工程精度高、计算效率高。根据表3轴承参数计算各转子在单独和耦合状态下的各阶临界转速、各阶阵型，同时在各阶临界转速下计算出转子的不平衡响应大小，依此通过调整轴系以及轴承参数可以优中选优，选择最稳定可靠的轴系和轴承方案。一级转子的临界转速以及在临界转速下的不平衡响应图如图2、图3所示。

图2 一级转子的临界转速

图3 临界转速下不平衡响应图

表3 一级、二三级径向轴承计算结果

压缩机各转子的临界转速计算结果见表4，计算结果满足压缩机设计标准API617要求。

表4 压缩机临界转速计算结果

2.3 主机结构

多轴离心压缩机，主要是由齿轮箱、轴承、蜗壳、隔板、导流器、转子组以及进口预旋调节结构等组成。该次主机结构剖面图设计如图4所示。一段气体从进口预旋器进入第一级叶轮，经一级叶轮压缩后提高压力，并进入一级扩压器中，气体流速降低，压力再一次升高，而后由蜗壳汇集，随排气管流出，由气体冷却器冷却，随后与二段进气混合，再进入二级叶轮压缩，同样收集二级出口气体，经冷却后与三段气体混合，然后再进入三级叶轮压缩，依次循环至完成要求。

图4 主机

进口预旋调节器（IGV）安装在每级叶轮进口前面，通过气动执行机构驱动传动机构，传动机构控制叶片转动，以此改变进口气流预旋角度，控制各级叶轮的流量。与传统的靠调整进风阀门开度调节压缩机负荷的调节方式相比，节流损失小，可节能降耗5%。调节范围更宽，可实现压缩机在70%～105%范围内高效运行，对恒转速压缩机来说，尤其适用。

2.4 机组气路流程布置

多段补气压缩机常规的气路流程布置是把压缩机的每段当作一个独立的压缩机来进行控制，典型气路流程布置，如图5所示。

按照常规压缩机串联布置，常规均会采用如图5所示的流程，但通过分析，图5流程有一个弊端。如果一段氮气流量严重不足，一级防喘振阀会打开，造成二级入口流量也不足，二级防喘振阀也打开，同样造成三级入口流量也不足，三级防喘振发也打开。也就是说前段防喘振会影响后段的防喘振，如果碰上工况变化比较大的场合，三个防喘振阀会频繁且同时动作，会给压缩机运行带来较大的安全隐患。所以在这个流程的基础上，该文设计改进了流程，改进气路流程布置，如图6所示。

图5 典型气路流程布置图

图6 改进后的气路流程布置图

改进的气路流程布置，压缩机各段的防喘振均从末级回流，这样前段即使入口流量不够，防喘振阀操作后回流后的流量会进入后段，不会对后段流量造成大的影响，不会影响后段的防喘振操作。前期设计时只考虑了在末级出口配置了放空阀，后期详细设计时经分析认为，按上述配置的防喘振流程，压缩及正常的操作没有问题，但在压缩机紧急停车时，由于一段出口与二段补气管网是联通的，二段出口与三段补气官网联通，急停时，一段和二段的出口不能快速卸压，会对压缩机造成损坏。因此在一段出口和二段出口多增加了一段放空阀和二段放空阀，三个放空阀出口一起接入放空消音器。

2.5 机组撬装设计及整体布置

压缩机机组包括压缩机、电机、中间冷却器、稀油润滑系统、管路系统、仪表以及压缩机的控制体系统。为尽量节省现场厂房的占地面积，布置更紧凑、节约土建成本，把压缩机主机、电机、稀油润滑系统撬装在一起，冷却器和复杂的管路系统布置撬装块的两侧。优化后机组的整体布置如图7所示。

图7 机组的整体布置图

3 结论

该文结合气动的设计优化使主机结构更加合理。运用转子动力学分析软件和轴承计算软件确定压缩机的轴系与轴承，保证了机组的运行稳定性。通过流程分析比较确定最有利于安全运行的气路流程。采用撬装布置减少了用户土建等成本投入。汇总形成了整套机组的最终设计方案，并成功完成了首台“多段补气”电动多轴离心式压缩机组的研制。产品样机目前已经通过了厂内验收，机械运转振动均小于20μm，轴承温度均低于70℃，待现场安装调试。多段补气多轴离心压缩机的研制提高了公司在工艺压缩机领域的研制能力，拓展了公司的产品市场领域。