工艺压缩机的选型

工艺压缩机的选型

中国电子系统工程第四建设有限公司上海200000Summary工艺压缩机广泛应用于生产中，其可靠性、寿命及能耗直接影响生产运营的正常性、安全性及经济性。选取合适的压缩机具有至关重要的意义。首先介绍了常见工艺压缩机的分类及适用范围，然后详细对比了不同类型压缩机的特点，并以工程设计中遇到的选型工况作为案例为工艺压缩机的合理选型提供了原则和方法。Keys工艺压缩机分类特点选型0引言压缩机是一种用来增加可压缩流体压力的设备，广泛用于工农业、交通运输、国防、日常生活等领域。可被压缩的流体种类很多，可以是气体或蒸汽，流体分子量范围也很广，有记载的可压缩气体分子量可从2（氢气）到352（六氟化铀）[1]。工艺压缩机是将给定的工艺气体从初始条件压缩到要求的排气条件，以满足工艺生产的需要。环境保护和节能是日益关心的问题，压缩机的可靠性、寿命及能耗直接影响生产运营的正常性、安全性和经济性。除超出易损件寿命可能发生中断运行是可接受的外，压缩机（包括辅助设备）的设计和制造应有最少20年寿命和3年无障碍运行，这是一项公认的设计准则。因而合理的选择压缩机，保证压缩机的可靠、寿命及效率，并把对环境的影响减小到最低具有至关重要的意义。1压缩机分类及适用范围1.1压缩机分类根据“GB/T4976-2017压缩机分类”，压缩机分类如图1所示。常见的工艺压缩机包括往复压缩机、螺杆压缩机、离心压缩机。图1.压缩机分类1.2压缩机适用范围图2显示了不同类型压缩机大致的应用范围，横坐标表示流量，纵坐标表示压缩比。对于不同的供应商，该范围会有所不同。选型时，应参考供应商的产品样本，并与供应商沟通以了解每个供应商的确切可用范围。另外，从图上可看出，各类型压缩机的应用范围存在重叠区域，选用压缩机时，应根据气量、温度、压力、功率、效率、气体性质、装置特性、使用经验等因素综合考虑，保证压缩机的可靠性和经济性。图2.不同类型压缩机典型的应用范围[1]2不同类型压缩机的特点及比较不同类型压缩机的特点简要介绍如下。往复压缩机为正位移式压缩机，适用标准为《API618石油化工和天然气工业用往复式压缩机》，其中隔膜式往复压缩机采用制造商标准。可实现小气量，高压力；价格较低，可多台并机运行，对变工况适应能力较强；尤其适用于低分子量气体，如氢气和富氢气体。但单机能处理的气量小；体积大，重量大，噪音大；结构复杂，易损件多，维修工作量大，常设备机。螺杆压缩机为正位移式压缩机，适用标准为《API619石油、化工和气体工业用螺杆压缩机》。零部件少，可靠性高，操作维护方便，通常不设备机。没有不平衡惯性力，可平稳地高速工作，体积小，重量轻，适合做移动式压缩机；强制输气，排气量几乎不受排气压力影响，在宽广的范围内能保持较高效率；转子齿面间留有间隙，因而能耐液体冲击，可输送含液气体，含粉尘气体，易聚合气体等。但是转子齿面是空间齿面，需特制的刀具在专用设备上进行加工，且加工精度要求高，造价高；受转子刚度和轴承寿命的影响，不能用于高压场合；因依靠间隙密封气体，容积流量不能太小。离心压缩机为动力式压缩机，适用标准为《API617石油、化工和气体工业用轴流、离心压缩机及膨胀机》。单机处理量大，结构紧凑，尺寸小，机组重量轻，噪音小；无气阀、填料、活塞环等易损件，运行可靠性高，维修工作量小，通常不设备机；工艺气体不与润滑油接触；供气连续，稳定，无循环脉动。但排气压力随流量改变而改变，稳定工作范围较窄，低流量易喘振，需防喘振控制系统；多台机并联操作困难，对变工况适应能力较差；高速、高温下旋转的叶轮和轴用高级合金制造，制造工艺要求高。表1对这三种压缩机的参数进行细化对比，可作为工程设计中压缩机选型的指导原则。表1不同类型压缩机的参数对比[1,2,3]压缩机参数往复压缩机螺杆压缩机离心压缩机喷油螺杆压缩机无油螺杆压缩机最大排气量(m3/h)30000(隔膜压缩机小于1000)2500070000400,000+最大入口压力(MpaG)范围广（与活塞杆负载有关）51.5接近出口压力入口压力可变性有限的可以可以不可以最大排气压力(MpaG)3504.52.520最大排气温度(℃)分子量不超过12的介质，排气温度小于135°C，其他介质排气温度小于150°C120(通常由高温对油的影响决定)200~260246单级最大压缩比5：1~20:1(取决于排气温度及活塞杆负载)10:1~20:1(喷油近似等温压缩，单级压比高)4:1~7:11.5:1~3:1流量控制方式进气阀卸荷器调节余隙容积调节变频调节旁路调节滑阀调节(15~100%无级调节)变频调节旁路调节进气节流调节变频调节旁路调节进气节流调节进气节流调节出气节流调节进口导叶调节变频调节旁路调节速度范围(rpm)一般不超过500rpm。大、中型易燃工艺气往复压缩机活塞平均速度上限为3.6m/s，转速不大于333r/min。1500或2900（由四极或两极电机直接驱动阳转子。阴转子由阳转子通过油膜驱动)3000to8000(泄露大,不能低转速，要内置/外置的增速齿轮)8000to15,000工作转速与临界转速的关系工作转速低于一阶临界转速工作转速低于一阶临界转速工作转速低于一阶临界转速工作转速高于一阶临界转速，低于二阶临界转速轴封类型填料密封带气体吹扫机械密封，迷宫密封机械密封，迷宫密封机械密封，干气密封，迷宫密封，浮环密封循环脉动大无无无喘振无无无有额定工作点效率75-92%70-85%70-85%70-88%非额定工作点效率中优中差振动水平高低低低，中气体组分的影响小，中小小大（对含氢气体应降低压力使用）易聚合气体应用(固体处理能力)不可以(会损坏气缸壁、活塞环、阀门)不可以(影响喷入的油的品质)可以(聚合物气体的最佳类型，固体的堆积减少了转子之间的间隙，提高了效率)很难(叶轮不平衡，引起过度磨损和振动)液体处理能力不可以(液滴粘附在气缸壁上，影响润滑，易引起磨损和腐蚀)不可以(会引起油的稀释)可以(压缩机内部的高温，液体很容易闪蒸)不可以(冲刷流道，引起腐蚀)启动转矩高低低高安装费用高低中中备件费用高低中高维修中，高低低低压缩机的附属设备进出口缓冲罐，级间/后冷却器，安全阀，买方管道系统的声学和脉动分析，考虑脉动和不平衡力的特殊基础设计，减速传动装置安全阀，油分离装置同步齿轮引起的额外轴封（4套）,安全阀，进出口消音器防喘振控制系统，级间/后冷却器3选型案例3.1循环气压缩机某高性能聚烯烃项目有一台循环气压缩机，工艺参数及选型基本要求如表2。表2循环气压缩机工艺参数及选型基本要求工艺参数压缩机选型基本要求安装区域室外，2区防爆压缩机类型根据安装区域，本压缩机组需要考虑防爆设计。压缩机流量只有130~300Nm3/h,根据图2不同类型压缩机典型的应用范围，离心式压缩机肯定选不到。经咨询供应商螺杆式压缩机也无法选到，只能选择往复活塞/隔膜式压缩机。入口压力3~4barg，对隔膜压缩机很友好，可以选到很合适的型号，相比于活塞压缩机的笨重及考虑到工艺介质的易燃易爆的特性，该循环气压缩机初步选择隔膜压缩机。压缩机数量2台，一用一备。流量控制方式变频+旁路回流驱动方式电机驱动处理气体烃类处理气体组分(质量%)氮气:12.63乙烯:26.131-丁烯:61.24流量(Nm3/hr)130~300吸入条件：压力(barg)3.0~4.0温度（°C）15~40相对湿度干Cp/Cv比热容比1.2066压缩常数0.943排出条件：压力(barg)22温度（°C）<130Cp/Cv比热容比1.223压缩常数0.8934基于表2，与供应商及用户详细沟通后，最终采购的两台隔膜压缩机为变频(30~50Hz)、D型（对称平衡）、水冷、双缸、单作用、单级压缩机。机组润滑方式为压力润滑，密封方式为金属隔膜密封（含隔膜破裂报警功能），控制方式为DCS过程控制，SIS联锁(润滑油压力低、隔膜破裂、排气压力高均采用三取二联锁停机)。工艺气体经压缩机出口换热器排至出口缓冲罐，多余的工艺气体经出口缓冲罐上的压力调节回到压缩机入口。本机组选型需要注意入口压力3~4barg波动，即容积流量为300Nm3/h(3barg进气时)~375Nm3/h(4barg进气时)。选型时容积流量应按苛刻工况，即按3barg,300Nm3/h选择的机型在4barg下，进气流量可达375Nm3/h。同时据此流量进行旁路回流的设计。3.2脱气增压机某高性能聚烯烃项目有一台脱气增压机，工艺参数如表3。需要将废气增压到4.5barg排到下游塔中。表3脱气增压机工艺参数安装区域室外，2区防爆压缩机选型基本要求处理气体烃类压缩机类型根据安装区域，本压缩机组需要考虑防爆设计。根据图2不同类型压缩机典型的应用范围，只能选择往复式压缩机。吸入压力0barg,意味着隔膜压缩机不再适用。因为隔膜压缩机进出气口的尺寸很小，吸入压力低意味着隔膜压缩机的尺寸很大很大，没有适用的型号。因而该脱气增压机选择往复活塞压缩机。压缩机数量2台，一用一备。流量控制方式变频+气量卸荷系统+旁路回流驱动方式电机驱动特殊要求压缩机需要将废气全部排到下游塔中，若采用两级压缩，两级压缩之间冷凝下来的液体还需要另外处理，所以希望供应商选择不需要中间冷凝的方案。处理气体组分(质量%)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吸入条件：压力(barg)0温度（°C）50相对湿度干Cp/Cv比热容比1.11压缩常数0.977排出条件：压力(barg)4.5温度（°C）<130Cp/Cv比热容比1.108压缩常数0.9452基于表3的特殊要求，经与供应商沟通，有两种方案可满足要求：方案一：压缩机经一级压缩完全可以满足排气压力温度的要求。方案二：压缩机经一级压缩后不经换热器冷凝，直接进入二级压缩，然后排出，也能满足排气压力温度的要求。且此方案所选压缩机的型号会比方案一的压缩机在价格上更有优势。最终选择方案二。最终采购的两台活塞压缩机为变频(30~50Hz)、卧式对置式、水冷、两列两缸、双作用、两级无油往复压缩机。机组润滑方式为压力润滑，密封方式为填料密封+充氮密封保护及漏气回收，控制方式为DCS过程控制，SIS联锁(润滑油压力低，采用三取二联锁停机；机身振动联锁停机)。气量卸荷系统可实现0%-50%-100%三档调节。工艺气体经压缩机出口换热器排至出口缓冲罐，多余的工艺气体经出口缓冲罐上的压力调节回到压缩机入口缓冲罐。4总结工艺气体压缩机的选型主要考虑如下几个因素：(1)压缩机安装位置的要求。如：安装在有腐蚀性气体存在场合的压缩机，要有防大气腐蚀的措施；安装在室外环境温度低于-20°C以下的压缩机，应采用耐低温的材质；安装在爆炸性危险环境内的压缩机，应满足防爆要求。(2)工艺气体进出压缩机的温度、压力、流量的要求。如：中小气量，高压力时可选用往复式压缩机；中小气量，压力不高，或含尘、湿、脏的气体时，可选用螺杆式压缩机；大中气量，低、中、高压力时可选用离心式压缩机。(3)工艺气体流量控制拟采取的方式。见表1。(4)工艺气体的组成。如：各组份的分子量及百分比、比热容比、绝热指数、压缩比、相对湿度等。(5)介质特性的要求。如：介质为腐蚀性气体时，接触介质的部件要采用耐腐蚀材料；易燃、易爆、有毒或贵重的气体，轴封要可靠。且往复活塞式压缩机在气缸与机体十字头部位之间应设计中体（接筒），以使气缸和活塞杆的密封环泄露的气体渗漏到中体中，由中体顶部排气接头通过连接管道引致外部，避免气体泄露到机体内部污染和损坏机内润滑油。(6)驱动方式的要求。如：变频/工频电机驱动、燃气汽轮机/蒸汽轮机驱动。(7)压缩机所遵循的规范要求。如：供应商的标准、API标准、用户的规范要求等。(8)排气口油含量的要求（针对喷油压缩机）。(9)用户的使用经验。选型时基于这些因素，结合第2节中描述的各类压缩机的参数特性，综合考虑工艺需求、介质、环境与投资等因素，抓住主