1、往复压缩机介绍目 录3. 动设备（往复式压缩机）3.1 压缩机简介3.1.1 压缩机的用途3.1.2 压缩的方法及压缩机类型3.2 基本理论介绍3.2.1 基本定律1） 热力学第一定律2） 热力学第二定律3） 熵的定义3.2.2 压缩过程3.2.3 理想气体定律3.2.4 压缩级数3.2.5 轴功率3.3 压缩机型式的选择3.4 往复压缩机3.4.1 用途3.4.2 加氢重整装置中氢压机的一般特点1） 加氢装置2） 重整装置3） 转速及活塞线速度4） 气体载荷及活塞杆静载荷5） 反向角的概念及应用6） 尾杆的应用7） 排气温度3.4.3 往复机的结构特点及材质1） 综述2） 主要结构特点及材质
2、3.4.4 典型气、水、油系统介绍1） 工艺气路系统2） 润滑油系统3） 软化水系统3.4.5 驱动机3.4.6 工艺配管要求3.4.7 对基础的要求3.4.8 往复机的热力计算简介3.4.9 往复机控制系统简介3.6 组合式机组介绍3.7 选型实例分析3.8 国内外主要压缩机制造商介绍3.1 压缩机简介3.1.1 压缩机的用途压缩机的基本目的就是提高被压缩介质的压力。3.1.2 压缩的方法及压缩机类型压缩方法大体可分为两类：一是通过容积的变化，二是通过速度的变化。相应的压缩机可以分成两大类型：容积式（间断流动）和动力式（连续流动）。主要的压缩机分类可见下图：图 311 主要压缩机类型3.2
3、基本理论介绍3.2.1 基本定律1） 热力学第一定律在任一过程中（比如说压缩过程），能量既不可能生成也不可能消灭，而只能从一种形式变成另一种形式。2） 热力学第二定律可以有几种表达方法：a) 热量不能自动从冷的物体传到热的物体；b) 仅在外加功的情况下，热量才可能从低温物体传到高温物体。c) 真实过程中，孤立系统的有用能总要降低。d) 热量或能量（或水），总是从高向低流。3） 熵的定义能量有高有低，能量只有在从高位移到低位时才能利用。熵是用来表征能量的不可用性。系统放热，熵增加；系统吸热，熵减少；系统既不吸热也放热，熵不变。3.2.2 压缩过程1） 等温过程PVC需要移走压缩过程中产生的热量，
4、这是不可能的。2） 绝热过程PVk=C过程中既不吸热也不放热，是可逆过程。由于过程中总有吸热或放热，故也是不可能的。3） 等熵过程SC4） 多变过程PVn=C真实的过程，注意 nk3.2.3 理想气体定律PVMRT（理想气体）PVZMRT （真实气体）Z（压缩性系数）反映实际气体偏离理想气体的程度。3.2.4 压缩级数1） 每一个基本的压缩单元对操作条件有限制，不同型式压缩机有不同的限制条件。如：a) 排气温度各种压缩机。b) 差压（压升）动力压缩机和大多数容积式压缩机。c) 压比动力压缩机。d) 余隙影响往复式压缩机。e) 省功。2） 考虑到这些限制条件，采用多级或多段压缩就势在必行。3.2
5、.5 轴功率1） 容积式压缩机（往复式为例）a) 理论绝热指示功率 Wi-ad，理论等温指示功率 Wi-is，实际循环指示功率 Wi 及实际循环轴功率 Ws（功率单位：kW）。式中： z总级数，级数 j=1,2zj压比Zsj入口状态压缩因子Psj入口状态压力，MpaAVsj入口体积流量，m3/hrZdj出口状态压缩因子KTj等温绝热指数nj多变指数Lj泄漏系数Tj等温系数j析水系数j总压损，m机械效率，c传动效率，b) 热效率：等温指示效率 i-is，等温轴效率 is，绝热效率（绝热轴效率）ad3.3 压缩机型式的选择总的来说，往复式压缩机适用于低流量、高压比、低轴功率，对气体组成不敏感。而离
6、心式压缩机适用于高流量、低压比、高轴功率，对气体组成很敏感。压缩机选型除了考虑压缩机本身的适应性外,还应考虑布置、占地，一次投资、节能及操作维护等，具体问题具体分析。3.4 往复式压缩机3.4.1 用途在加氢装置中，主要用于新氢（或补充氢）压缩机和循环氢压缩机。新氢压缩机将新鲜氢气通过压缩机加压输送到反应系统，用以补充反应所耗之氢气；循环氢压缩机它是用于保持反应器内氢分压，同时将反应生成的热量从反应器中取出，并经冷却系统冷却再将循环氢输送到反应器中去。只有当处理量较小的加氢装置，循环氢压缩机采用往复式。在重整装置中，主要用于预加氢循环氢压缩机，预加氢补充氢压缩机及重整氢增压机。预加氢循环氢压缩
7、机也是用来维持反应器内氢分压，带走反应生成的热量，经冷却后再回到反应器中去。预加氢补充氢压缩机将新鲜氢气压缩后输送到反应系统，用以补充反应所耗氢气，而重整氢增压机将重整过程产生的氢气加压送到氢提纯装置或直接送到氢气系统。3.4.2 加氢重整装置中氢压机的一般特点介绍1） 加氢装置补充氢压缩机，根据加氢类型的不同以及新氢气源的不同，一般采用二到四级压缩机，单级压缩比控制在2.42.8。而循环氢压缩机均采用一级压缩，压缩比一般在 1.11.3。补充氢压缩机一般有二列二级二缸，三列三级三缸，四列三级三缸，四列三级四缸以及四列四级四缸五种布置型式，而循环氢压缩机一般均采用二列一级二缸的布置型式。2）
8、重整装置预加氢循环氢压缩机均采用一级压缩，压缩比一般在 1.5 左右，而预加氢补充氢压缩机根据氢气气源的不同，采用一到二级压缩。重整氢增压机，根据重整工艺的不同，采用一到二级压缩。预加氢循环氢压缩机布置型式为二列一级二缸或二列一级一缸，预加氢补充氢压缩机的布置有二列二级二缸或二列一级二缸，二列一级一缸三种，而重整氢增压机主要有四列二级四缸，二列二级二缸和二列一级二缸三种布置型式。3） 转速及活塞线速度有油润滑的压缩机活塞线速度可控制 4.5m/s 以下，无油或少油润滑的压缩机一般控制在 4.0m/s 以下。相应的压缩机转速有油润滑可在 300RPM 至 750RPM，而无油的一般在 275RP
9、M 至 500RPM，大型压缩机通常采用较低的转速如 275、300、333，而中、小型压缩机采用较高的转速如 375、500、750 等。4） 气体载荷及活塞杆净载荷（综合载荷）气体载荷是由于差压作用于活塞上产生的力，而活塞杆综合载荷是气体载荷和惯性力的代数和。惯性力是由于往复质量的加速度产生的力。十字头销的惯性力，是所有往复质量的总和（活塞和活塞杆组件、十字头组件与十字头销）与其加速度之乘积。最大许用气体载荷是制造商对压缩机静止部件（如机身、中体、气缸及连接螺栓）所允许承受连续运转的最大的力；而最大许用活塞杆综合载荷是制造厂对全部运动件（活塞、活塞杆、十字头组件、连杆、曲轴和轴承）连续运转
10、所允许承受的最大力。实际计算的气体载何在任何规定的工况下，考虑到可能出现的最低进口压力及最高的出口压力下，应不超过制造商规定的最大许用气体载荷；同样，实际计算的活塞杆综合载荷也不应超出最大许用活塞杆综合载荷。实际计算的气体载荷最大值一般不等于实际计算的活塞杆综合载荷，并且最大值出现的相位角也不相同。5） 反向角的概念及应用当曲轴每转一周（360）时，与活塞杆平行的综合负荷分量将完全在十字头销和轴瓦之间反向作用，反向作用持续时间所对应的曲柄角度，称为反向角。维持一定的反向角是为了保证十字头销和轴瓦之间维持充分的润滑。不同的制造商，不同的机型以及不同的操作条件对反向角大小的要求不尽相同。6） 尾杆
11、的应用有些场合，在活塞的两端均有活塞杆，通常称盖侧的活塞杆为“尾杆“，尾杆在某些特定场所的应用不要忽视。尾杆的作用是降低活塞力，增大反向角，主要应用在循环氢部分（压比小；d/D 大）。7） 排气温度分为绝热排汽温度和预期排汽温度两种。绝热排汽温度是假设缸内压缩过程为绝热过程时得到的排气温度。而预期排气温度是实际压缩过程的排汽温度。预期的排汽温度不同于绝热排气温度，它取决于介质组分、气缸的输入功率、压缩比、气缸尺寸、冷却通道表面积和冷却液流速等因素。一般来说，有以下原则： 氢压机单级的预期排气温度要高于绝热排汽温度； 无油（或少油）润滑的氢压机级的预期排汽温度要高于有油润滑的氢压机； 对于大功率
12、、大压比、大尺寸气缸，预期的排汽温度与绝热排汽温度的温差会稍大，而对于小功率、小压比、小尺寸气缸，此温差会小一些。 合适的冷却液流速及换热面积会降低此温差。制造商应在其数据表中明确给出每级的预期排汽温度及绝热排汽温度。API618 中明文规定，对于富氢（分子量12）的预期排气温度应不超过 135，其他气体如没有特殊规定，预期排汽温度应不大于 150。3.4.3 往复式氢压机的结构特点和材料1） 综述往复式压缩机由机身(曲轴箱)、曲轴、连杆、十字头、中间连接体、气缸、活塞、活塞杆、压力填料、气阀及卸荷器等部件组成，如图 341 所示。在系统中还包括每级气缸进出口的缓冲罐、级间冷却器和分液罐以及机
13、身润滑油站、气缸和填料的注油器等部件。在 API618 的附录中对压缩机主要零部件材料的选择提供了一般的要求，具体选择哪种材料还要结合制造厂的标准以及用户或设计单位的意见确定。API618 中又规定, 如果材料暴露在含硫化氢(多见于循环氢混合气体中)的介质中，那么要执行美国国家腐蚀工程师协会 NACE MR0175 标准，即与气体接触的碳钢或低合金钢类承压零件，材料的屈服限不应超过 620MPa，硬度不得大于 HRC22，对于沉淀硬化不锈钢和其他非奥氏体不锈钢来说，屈服限可适当增加到 880MPa，硬度不大于 HRC34。但活塞杆表面、阀片和弹簧是例外，因为过低的硬度对这些零件是不合适的。2）
14、 压缩机的主要材质与结构特点机身(图 342)一般由高牌号的铸铁整体浇铸而成。为了提高加工精度，将其毛坯置于高精度的座标镗床中一次加工完成。 国外设计的压缩机机身在驱动端使用双轴承结构，为的是可以承受单支承(外侧轴承)电机转子作用在机身上的外力。采用这种结构的目的是为了减少曲轴与电机转子连接偏差(不同心度)所产生的不均衡力。沈阳气体压缩机厂所生产的机身是以两列为一基本单元拼装起来的，四列就用二个两列机身连接而成，因此该厂没有奇数列的机身，也没有双轴承的结构，所以必须采用两端支承的电机，对刚性连接的压缩机来说，增加了曲轴的受力和轴承的负载。反之，双轴承结构的机身采用两端支承的电机也显示不出优点。
15、曲轴(图 343)与电机大多采用刚性法兰连接，大型压缩机的曲轴采用高强度的合金钢锻造，小型的则采用普通碳钢锻造。曲轴经热处理消除应力，轴颈和曲拐部分经过精密磨削与抛光。为了保证质量，加工后的曲轴要经过超声和着色探伤检查，以确保其内部和表面无缺陷。在某些压缩机的曲轴上加配重可以减少活塞作用在曲轴上的不平衡力。连杆采用模锻制造，其材质与曲轴大体相同，结构断面成工字型（图 345）。由于模锻成本较高，在国内很少采用。中小型压缩机的十字头一般采用灰铸铁铸成，大型的采用铸钢或球墨铸铁(图 346)。十字头滑动部分是可更换的铸铁滑履，其上复盖了一层耐磨的巴氏合金。主轴承的轴瓦和连杆大头轴瓦一般采用钢制成，
16、表面敷设薄层巴氏合金，美国 DR 公司轴瓦则用铝合金制成，其上敷设了一层很薄的巴氏合金，这种称之为薄壁瓦的轴承不但耐磨损并且可以承受很高的应力，延长使用寿命。连杆小头轴瓦用加铅青铜制成。主轴承、连杆和十字头都有油孔相通，依靠机身润滑系统提供压力润滑。低压气缸一般由铸铁制成， 中压气缸用铸钢或球墨铸铁浇铸，而高压气缸则采用碳钢锻造。铸造气缸的气体通道必须光洁无型砂等铸造残留物存在，否则在使用过程中，这些残留物会进入气缸中而损坏活塞、气阀等部件。活塞有采用球墨铸铁或铝合金的，高压缸的活塞为铸钢或锻钢制成。活塞环和支承环均采用填充石墨的四氟塑料做的。活塞杆用高碳钢或合金钢的棒料加工而成，采用表面淬火
17、、渗氮或喷涂硬质合金等加工工艺使其表面硬度达到 HRC50 以上，螺纹采用滚压加工以提高其使用寿命。此外，活塞杆的表面光洁度也要求很高。大中型压缩机的活塞杆与活塞、十字头采用液压涨紧螺栓连接；小型的则用热装或普通螺栓连接。进排气阀是压缩机重要部件之一，它们的好坏直接影响压缩机的工作性能。在加氢压缩机上有三种气阀可供选择： 环状阀、网状阀和菌状阀（图 347）。目前大多数国内氢压机都选用上海贺尔碧格气阀有限公司的网状阀，该公司的阀片和弹簧是由瑞士贺尔碧格公司进口的，性能和质量是有保障的。国外引进的压缩机也有选择贺尔碧格公司的产品。上海德莱赛兰压缩机有限公司则选用美国德莱赛兰公司进口的菌状阀或其他
18、类型的气阀。环状阀和网状阀的阀片用不锈钢制成，近来一种新型的塑料阀片替代了不锈钢阀片，由于塑料阀片质轻、强度大，耐冲击寿命长，密封性能好。德莱赛兰公司的菌状阀芯也是用高强度的塑料制成，弹簧则用 174PH 的沉淀硬化不锈钢丝制作。调节压缩机流量的卸荷器(图 348)都是用电磁阀控制压缩风操纵的。国内压缩机一般均为有风卸载无风加载的，国外压缩机厂家考虑到压缩机操作安全起见，一般都采用无风卸载有风加载的。卸荷器常见塞式和指式两种。指式用于环状阀和网状阀居多，塞式用于菌状阀和作为余隙调节用。另外还有一种孔隙式，一般用于大型气缸上。国内压缩机制造商较少使用。在气缸和活塞杆之间安装压力填料的目的是为防止
19、加压的工艺气从活塞杆处泄漏出去。填料都是用填充石墨的四氟塑料做的。填料的数量和类型由压力和用途确定。作为氢压机，机身与气缸之间都必须采用双室结构的中间连接体，这是为了收集易燃、易爆气体设汁的。为了防止氢气通过压力填料泄漏到大气中去或进入机身内，在连接体的两个腔室中要引入氮气和放空、排凝等管线，如果用户没有规定的话，制造厂的设计各不相同，我们推荐图 349 所示的布置方式，这是因为所使用的氮气量最小，而隔离效果最好。气缸夹套和填料函的冷却。根据 API618 的说明，进入气缸冷却夹套中的冷却水温度要高于吸气温度 6，这是为了防止气体中重组分和饱和水析出，尤其对循环氢压缩机的正常操作会造成有害的影
20、响。为此，要设立一套闭式循环的软化水系统。但是对补充氢压缩机来说，输送的是新鲜氢气，氢气的纯度很高，达到995998，没有凝液可以析出，似乎可以不要设立软化水循环系统。不过我们建议还是设立一套独立的闭式软化水循环系统为好，这是考虑到我国一般炼油厂的循环冷却水质很差，水在夹套中尤其在填料函的水腔中容易结垢，造成冷却质量的下降，从而影响机组的正常运行。3.4.4 往复机典型气、水、油、系统介绍1） 工艺气路系统往复式压缩机的工艺流程如图 3410 及 3411 所示。压缩机的流量调节依靠吸气阀的卸荷器可进行0、50、100或 0、25、50、75 和 100(随气缸的配置而定)几级调节，也有采用卸
21、荷器加调节余隙容积来满足工艺操作的要求。更进一步调节流量的措施是从压缩机末级出口通过调节阀控制冷却后返回压缩机 1 级入口缓冲罐。也有采用逐级设置返回线来调节流量的方法。不过我们认为从末级出口返回 1 级入口的方法操作更简单， 压力更稳定。2） 润滑油系统见图 3412。主油泵启动时应确保不要抽空，设置灌泵线或其他措施。另外油冷器中润滑油压应大于冷却水水压。3） 气缸、填料冷却水系统（软化水系统）见图 3413。应设置温控阀保证合适的水温。水箱（或补偿器）应放置在二层平台。3.4.5 驱动机1） 用途发出足够的功，启动压缩机至额定转速，维持压缩机正常运行。2） 要求a) 启动转矩合适；b) 加
22、速满足要求；c) 避免过大的电流脉动；d) 避免轴系扭转横向响应及过大的转速波动；e) 足够的功率满足所有的工况。3） 选型驱动机的选择要综合考虑能量的来源，全厂的热平衡，余热回收等因素。目前，几乎所有国内炼厂的往复式压缩机均由电机驱动。4） 电机简介目前驱动往复式氢压机的电机有鼠笼异步电动机和无刷励磁同步电动机两种。异步电机简单，坚固可靠，可以用来驱动各种型式的压缩机。连接方式灵活可变，主要有皮带轮、齿式、直联和法兰式几种，但是异步机的缺点主要是滞后功率因数和较高的电流起动冲量。而同步机较复杂，曾被认为不太可靠，但是无刷励磁系统的出现改变了这一看法。它的连接方式有法兰式、齿式、直联等，同步机
23、功率因数或超前电流冲量相对较低。选择原则，参见图 3414。图中只是表达了一般优先原则，并未充分考虑到压缩机型式以及连接方式等。图 3414 异步电机和同步电机典型的使用范围5） 电机转矩不仅要考虑 100或满负荷下的转矩特性，还要考虑起动情况下的转矩要求。这主要取决于压缩机型式，卸载方式以及 WK2 的大小等，另外还有电机制造商对起动时间的限制。以下介绍几个关键的转矩：对异步机有起动转矩（或称堵转转矩），是正常电压频率下转速为零时的转矩；制动转矩，是异步电机转速急剧下降时的转矩。而对于同步电机来说，则有起动转矩，是正常电压频率下转速为零时的转矩；牵入转矩，是克服阻力矩，加速到接近同步转速时的
24、转矩；还有失步转矩,则同步电机转速急剧下降时的转矩。3.4.6 往复式压缩机的工艺配管要求往复压缩机的工艺配管也是必须予以高度重视的一个问题。众所周知，由于往复式压缩机的特性决定气体在管路中的流动是脉动的。如果管路设计不当或者压缩机进出口缓冲罐过小都会造成管路振动和增加噪音。在API618 中，对进出口缓冲罐的大小和管路中气体压力的脉动不均匀度都作出了明确的规定，而且按照规定，工艺管线必须经过声学模拟分析和机械应力分析。确保管路中气体压力的脉动不均匀度低于标准的规定（必要时可在管路中设置孔板）。作为氢压机，我们建议压力脉动的不均匀度在 24以下为好。气体的脉动频率、管路的自振频率和压缩机的激振频率必须相互错开。机器管道许用双振幅应控制在 180m 以下，国外各压缩机制造厂都有计算机程序对压缩机管路进行上述分析。国内也已开展了这方面的研究，但尚有差距。
