工藝壓縮機(jī)的選型

工藝壓縮機(jī)的選型

中國電子系統(tǒng)工程第四建設(shè)有限公司上海200000Summary工藝壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中，其可靠性、壽命及能耗直接影響生產(chǎn)運(yùn)營的正常性、安全性及經(jīng)濟(jì)性。選取合適的壓縮機(jī)具有至關(guān)重要的意義。首先介紹了常見工藝壓縮機(jī)的分類及適用范圍，然后詳細(xì)對比了不同類型壓縮機(jī)的特點(diǎn)，并以工程設(shè)計(jì)中遇到的選型工況作為案例為工藝壓縮機(jī)的合理選型提供了原則和方法。Keys工藝壓縮機(jī)分類特點(diǎn)選型0引言壓縮機(jī)是一種用來增加可壓縮流體壓力的設(shè)備，廣泛用于工農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國防、日常生活等領(lǐng)域?？杀粔嚎s的流體種類很多，可以是氣體或蒸汽，流體分子量范圍也很廣，有記載的可壓縮氣體分子量可從2（氫氣）到352（六氟化鈾）[1]。工藝壓縮機(jī)是將給定的工藝氣體從初始條件壓縮到要求的排氣條件，以滿足工藝生產(chǎn)的需要。環(huán)境保護(hù)和節(jié)能是日益關(guān)心的問題，壓縮機(jī)的可靠性、壽命及能耗直接影響生產(chǎn)運(yùn)營的正常性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。除超出易損件壽命可能發(fā)生中斷運(yùn)行是可接受的外，壓縮機(jī)（包括輔助設(shè)備）的設(shè)計(jì)和制造應(yīng)有最少20年壽命和3年無障礙運(yùn)行，這是一項(xiàng)公認(rèn)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。因而合理的選擇壓縮機(jī)，保證壓縮機(jī)的可靠、壽命及效率，并把對環(huán)境的影響減小到最低具有至關(guān)重要的意義。1壓縮機(jī)分類及適用范圍1.1壓縮機(jī)分類根據(jù)“GB/T4976-2017壓縮機(jī)分類”，壓縮機(jī)分類如圖1所示。常見的工藝壓縮機(jī)包括往復(fù)壓縮機(jī)、螺桿壓縮機(jī)、離心壓縮機(jī)。圖1.壓縮機(jī)分類1.2壓縮機(jī)適用范圍圖2顯示了不同類型壓縮機(jī)大致的應(yīng)用范圍，橫坐標(biāo)表示流量，縱坐標(biāo)表示壓縮比。對于不同的供應(yīng)商，該范圍會有所不同。選型時，應(yīng)參考供應(yīng)商的產(chǎn)品樣本，并與供應(yīng)商溝通以了解每個供應(yīng)商的確切可用范圍。另外，從圖上可看出，各類型壓縮機(jī)的應(yīng)用范圍存在重疊區(qū)域，選用壓縮機(jī)時，應(yīng)根據(jù)氣量、溫度、壓力、功率、效率、氣體性質(zhì)、裝置特性、使用經(jīng)驗(yàn)等因素綜合考慮，保證壓縮機(jī)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。圖2.不同類型壓縮機(jī)典型的應(yīng)用范圍[1]2不同類型壓縮機(jī)的特點(diǎn)及比較不同類型壓縮機(jī)的特點(diǎn)簡要介紹如下。往復(fù)壓縮機(jī)為正位移式壓縮機(jī)，適用標(biāo)準(zhǔn)為《API618石油化工和天然氣工業(yè)用往復(fù)式壓縮機(jī)》，其中隔膜式往復(fù)壓縮機(jī)采用制造商標(biāo)準(zhǔn)。可實(shí)現(xiàn)小氣量，高壓力；價格較低，可多臺并機(jī)運(yùn)行，對變工況適應(yīng)能力較強(qiáng)；尤其適用于低分子量氣體，如氫氣和富氫氣體。但單機(jī)能處理的氣量??；體積大，重量大，噪音大；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損件多，維修工作量大，常設(shè)備機(jī)。螺桿壓縮機(jī)為正位移式壓縮機(jī)，適用標(biāo)準(zhǔn)為《API619石油、化工和氣體工業(yè)用螺桿壓縮機(jī)》。零部件少，可靠性高，操作維護(hù)方便，通常不設(shè)備機(jī)。沒有不平衡慣性力，可平穩(wěn)地高速工作，體積小，重量輕，適合做移動式壓縮機(jī)；強(qiáng)制輸氣，排氣量幾乎不受排氣壓力影響，在寬廣的范圍內(nèi)能保持較高效率；轉(zhuǎn)子齒面間留有間隙，因而能耐液體沖擊，可輸送含液氣體，含粉塵氣體，易聚合氣體等。但是轉(zhuǎn)子齒面是空間齒面，需特制的刀具在專用設(shè)備上進(jìn)行加工，且加工精度要求高，造價高；受轉(zhuǎn)子剛度和軸承壽命的影響，不能用于高壓場合；因依靠間隙密封氣體，容積流量不能太小。離心壓縮機(jī)為動力式壓縮機(jī)，適用標(biāo)準(zhǔn)為《API617石油、化工和氣體工業(yè)用軸流、離心壓縮機(jī)及膨脹機(jī)》。單機(jī)處理量大，結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，機(jī)組重量輕，噪音?。粺o氣閥、填料、活塞環(huán)等易損件，運(yùn)行可靠性高，維修工作量小，通常不設(shè)備機(jī)；工藝氣體不與潤滑油接觸；供氣連續(xù)，穩(wěn)定，無循環(huán)脈動。但排氣壓力隨流量改變而改變，穩(wěn)定工作范圍較窄，低流量易喘振，需防喘振控制系統(tǒng)；多臺機(jī)并聯(lián)操作困難，對變工況適應(yīng)能力較差；高速、高溫下旋轉(zhuǎn)的葉輪和軸用高級合金制造，制造工藝要求高。表1對這三種壓縮機(jī)的參數(shù)進(jìn)行細(xì)化對比，可作為工程設(shè)計(jì)中壓縮機(jī)選型的指導(dǎo)原則。表1不同類型壓縮機(jī)的參數(shù)對比[1,2,3]壓縮機(jī)參數(shù)往復(fù)壓縮機(jī)螺桿壓縮機(jī)離心壓縮機(jī)噴油螺桿壓縮機(jī)無油螺桿壓縮機(jī)最大排氣量(m3/h)30000(隔膜壓縮機(jī)小于1000)2500070000400,000+最大入口壓力(MpaG)范圍廣（與活塞桿負(fù)載有關(guān)）51.5接近出口壓力入口壓力可變性有限的可以可以不可以最大排氣壓力(MpaG)3504.52.520最大排氣溫度(℃)分子量不超過12的介質(zhì)，排氣溫度小于135°C，其他介質(zhì)排氣溫度小于150°C120(通常由高溫對油的影響決定)200~260246單級最大壓縮比5：1~20:1(取決于排氣溫度及活塞桿負(fù)載)10:1~20:1(噴油近似等溫壓縮，單級壓比高)4:1~7:11.5:1~3:1流量控制方式進(jìn)氣閥卸荷器調(diào)節(jié)余隙容積調(diào)節(jié)變頻調(diào)節(jié)旁路調(diào)節(jié)滑閥調(diào)節(jié)(15~100%無級調(diào)節(jié))變頻調(diào)節(jié)旁路調(diào)節(jié)進(jìn)氣節(jié)流調(diào)節(jié)變頻調(diào)節(jié)旁路調(diào)節(jié)進(jìn)氣節(jié)流調(diào)節(jié)進(jìn)氣節(jié)流調(diào)節(jié)出氣節(jié)流調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)變頻調(diào)節(jié)旁路調(diào)節(jié)速度范圍(rpm)一般不超過500rpm。大、中型易燃工藝氣往復(fù)壓縮機(jī)活塞平均速度上限為3.6m/s，轉(zhuǎn)速不大于333r/min。1500或2900（由四極或兩極電機(jī)直接驅(qū)動陽轉(zhuǎn)子。陰轉(zhuǎn)子由陽轉(zhuǎn)子通過油膜驅(qū)動)3000to8000(泄露大,不能低轉(zhuǎn)速，要內(nèi)置/外置的增速齒輪)8000to15,000工作轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速的關(guān)系工作轉(zhuǎn)速低于一階臨界轉(zhuǎn)速工作轉(zhuǎn)速低于一階臨界轉(zhuǎn)速工作轉(zhuǎn)速低于一階臨界轉(zhuǎn)速工作轉(zhuǎn)速高于一階臨界轉(zhuǎn)速，低于二階臨界轉(zhuǎn)速軸封類型填料密封帶氣體吹掃機(jī)械密封，迷宮密封機(jī)械密封，迷宮密封機(jī)械密封，干氣密封，迷宮密封，浮環(huán)密封循環(huán)脈動大無無無喘振無無無有額定工作點(diǎn)效率75-92%70-85%70-85%70-88%非額定工作點(diǎn)效率中優(yōu)中差振動水平高低低低，中氣體組分的影響小，中小小大（對含氫氣體應(yīng)降低壓力使用）易聚合氣體應(yīng)用(固體處理能力)不可以(會損壞氣缸壁、活塞環(huán)、閥門)不可以(影響噴入的油的品質(zhì))可以(聚合物氣體的最佳類型，固體的堆積減少了轉(zhuǎn)子之間的間隙，提高了效率)很難(葉輪不平衡，引起過度磨損和振動)液體處理能力不可以(液滴粘附在氣缸壁上，影響潤滑，易引起磨損和腐蝕)不可以(會引起油的稀釋)可以(壓縮機(jī)內(nèi)部的高溫，液體很容易閃蒸)不可以(沖刷流道，引起腐蝕)啟動轉(zhuǎn)矩高低低高安裝費(fèi)用高低中中備件費(fèi)用高低中高維修中，高低低低壓縮機(jī)的附屬設(shè)備進(jìn)出口緩沖罐，級間/后冷卻器，安全閥，買方管道系統(tǒng)的聲學(xué)和脈動分析，考慮脈動和不平衡力的特殊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，減速傳動裝置安全閥，油分離裝置同步齒輪引起的額外軸封（4套）,安全閥，進(jìn)出口消音器防喘振控制系統(tǒng)，級間/后冷卻器3選型案例3.1循環(huán)氣壓縮機(jī)某高性能聚烯烴項(xiàng)目有一臺循環(huán)氣壓縮機(jī)，工藝參數(shù)及選型基本要求如表2。表2循環(huán)氣壓縮機(jī)工藝參數(shù)及選型基本要求工藝參數(shù)壓縮機(jī)選型基本要求安裝區(qū)域室外，2區(qū)防爆壓縮機(jī)類型根據(jù)安裝區(qū)域，本壓縮機(jī)組需要考慮防爆設(shè)計(jì)。壓縮機(jī)流量只有130~300Nm3/h,根據(jù)圖2不同類型壓縮機(jī)典型的應(yīng)用范圍，離心式壓縮機(jī)肯定選不到。經(jīng)咨詢供應(yīng)商螺桿式壓縮機(jī)也無法選到，只能選擇往復(fù)活塞/隔膜式壓縮機(jī)。入口壓力3~4barg，對隔膜壓縮機(jī)很友好，可以選到很合適的型號，相比于活塞壓縮機(jī)的笨重及考慮到工藝介質(zhì)的易燃易爆的特性，該循環(huán)氣壓縮機(jī)初步選擇隔膜壓縮機(jī)。壓縮機(jī)數(shù)量2臺，一用一備。流量控制方式變頻+旁路回流驅(qū)動方式電機(jī)驅(qū)動處理氣體烴類處理氣體組分(質(zhì)量%)氮?dú)?12.63乙烯:26.131-丁烯:61.24流量(Nm3/hr)130~300吸入條件：壓力(barg)3.0~4.0溫度（°C）15~40相對濕度干Cp/Cv比熱容比1.2066壓縮常數(shù)0.943排出條件：壓力(barg)22溫度（°C）<130Cp/Cv比熱容比1.223壓縮常數(shù)0.8934基于表2，與供應(yīng)商及用戶詳細(xì)溝通后，最終采購的兩臺隔膜壓縮機(jī)為變頻(30~50Hz)、D型（對稱平衡）、水冷、雙缸、單作用、單級壓縮機(jī)。機(jī)組潤滑方式為壓力潤滑，密封方式為金屬隔膜密封（含隔膜破裂報警功能），控制方式為DCS過程控制，SIS聯(lián)鎖(潤滑油壓力低、隔膜破裂、排氣壓力高均采用三取二聯(lián)鎖停機(jī))。工藝氣體經(jīng)壓縮機(jī)出口換熱器排至出口緩沖罐，多余的工藝氣體經(jīng)出口緩沖罐上的壓力調(diào)節(jié)回到壓縮機(jī)入口。本機(jī)組選型需要注意入口壓力3~4barg波動，即容積流量為300Nm3/h(3barg進(jìn)氣時)~375Nm3/h(4barg進(jìn)氣時)。選型時容積流量應(yīng)按苛刻工況，即按3barg,300Nm3/h選擇的機(jī)型在4barg下，進(jìn)氣流量可達(dá)375Nm3/h。同時據(jù)此流量進(jìn)行旁路回流的設(shè)計(jì)。3.2脫氣增壓機(jī)某高性能聚烯烴項(xiàng)目有一臺脫氣增壓機(jī)，工藝參數(shù)如表3。需要將廢氣增壓到4.5barg排到下游塔中。表3脫氣增壓機(jī)工藝參數(shù)安裝區(qū)域室外，2區(qū)防爆壓縮機(jī)選型基本要求處理氣體烴類壓縮機(jī)類型根據(jù)安裝區(qū)域，本壓縮機(jī)組需要考慮防爆設(shè)計(jì)。根據(jù)圖2不同類型壓縮機(jī)典型的應(yīng)用范圍，只能選擇往復(fù)式壓縮機(jī)。吸入壓力0barg,意味著隔膜壓縮機(jī)不再適用。因?yàn)楦裟嚎s機(jī)進(jìn)出氣口的尺寸很小，吸入壓力低意味著隔膜壓縮機(jī)的尺寸很大很大，沒有適用的型號。因而該脫氣增壓機(jī)選擇往復(fù)活塞壓縮機(jī)。壓縮機(jī)數(shù)量2臺，一用一備。流量控制方式變頻+氣量卸荷系統(tǒng)+旁路回流驅(qū)動方式電機(jī)驅(qū)動特殊要求壓縮機(jī)需要將廢氣全部排到下游塔中，若采用兩級壓縮，兩級壓縮之間冷凝下來的液體還需要另外處理，所以希望供應(yīng)商選擇不需要中間冷凝的方案。處理氣體組分(質(zhì)量%)1-丁烯:95.4182正己烷:4.2202正辛烷:0.0798正癸烷:0.135正十二烷:0.1468流量(Nm3/hr)180~670吸入條件：壓力(barg)0溫度（°C）50相對濕度干Cp/Cv比熱容比1.11壓縮常數(shù)0.977排出條件：壓力(barg)4.5溫度（°C）<130Cp/Cv比熱容比1.108壓縮常數(shù)0.9452基于表3的特殊要求，經(jīng)與供應(yīng)商溝通，有兩種方案可滿足要求：方案一：壓縮機(jī)經(jīng)一級壓縮完全可以滿足排氣壓力溫度的要求。方案二：壓縮機(jī)經(jīng)一級壓縮后不經(jīng)換熱器冷凝，直接進(jìn)入二級壓縮，然后排出，也能滿足排氣壓力溫度的要求。且此方案所選壓縮機(jī)的型號會比方案一的壓縮機(jī)在價格上更有優(yōu)勢。最終選擇方案二。最終采購的兩臺活塞壓縮機(jī)為變頻(30~50Hz)、臥式對置式、水冷、兩列兩缸、雙作用、兩級無油往復(fù)壓縮機(jī)。機(jī)組潤滑方式為壓力潤滑，密封方式為填料密封+充氮密封保護(hù)及漏氣回收，控制方式為DCS過程控制，SIS聯(lián)鎖(潤滑油壓力低，采用三取二聯(lián)鎖停機(jī)；機(jī)身振動聯(lián)鎖停機(jī))。氣量卸荷系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)0%-50%-100%三檔調(diào)節(jié)。工藝氣體經(jīng)壓縮機(jī)出口換熱器排至出口緩沖罐，多余的工藝氣體經(jīng)出口緩沖罐上的壓力調(diào)節(jié)回到壓縮機(jī)入口緩沖罐。4總結(jié)工藝氣體壓縮機(jī)的選型主要考慮如下幾個因素：(1)壓縮機(jī)安裝位置的要求。如：安裝在有腐蝕性氣體存在場合的壓縮機(jī)，要有防大氣腐蝕的措施；安裝在室外環(huán)境溫度低于-20°C以下的壓縮機(jī)，應(yīng)采用耐低溫的材質(zhì)；安裝在爆炸性危險環(huán)境內(nèi)的壓縮機(jī)，應(yīng)滿足防爆要求。(2)工藝氣體進(jìn)出壓縮機(jī)的溫度、壓力、流量的要求。如：中小氣量，高壓力時可選用往復(fù)式壓縮機(jī)；中小氣量，壓力不高，或含塵、濕、臟的氣體時，可選用螺桿式壓縮機(jī)；大中氣量，低、中、高壓力時可選用離心式壓縮機(jī)。(3)工藝氣體流量控制擬采取的方式。見表1。(4)工藝氣體的組成。如：各組份的分子量及百分比、比熱容比、絕熱指數(shù)、壓縮比、相對濕度等。(5)介質(zhì)特性的要求。如：介質(zhì)為腐蝕性氣體時，接觸介質(zhì)的部件要采用耐腐蝕材料；易燃、易爆、有毒或貴重的氣體，軸封要可靠。且往復(fù)活塞式壓縮機(jī)在氣缸與機(jī)體十字頭部位之間應(yīng)設(shè)計(jì)中體（接筒），以使氣缸和活塞桿的密封環(huán)泄露的氣體滲漏到中體中，由中體頂部排氣接頭通過連接管道引致外部，避免氣體泄露到機(jī)體內(nèi)部污染和損壞機(jī)內(nèi)潤滑油。(6)驅(qū)動方式的要求。如：變頻/工頻電機(jī)驅(qū)動、燃?xì)馄啓C(jī)/蒸汽輪機(jī)驅(qū)動。(7)壓縮機(jī)所遵循的規(guī)范要求。如：供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)、API標(biāo)準(zhǔn)、用戶的規(guī)范要求等。(8)排氣口油含量的要求（針對噴油壓縮機(jī)）。(9)用戶的使用經(jīng)驗(yàn)。選型時基于這些因素，結(jié)合第2節(jié)中描述的各類壓縮機(jī)的參數(shù)特性，綜合考慮工藝需求、介質(zhì)、環(huán)境與投資等因素，抓住主