适用于小型液化天然气装置的螺杆压缩机

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：特别是对于5×104m3(标)/天以下的撬装型天然气液化装置,由于空间小,采用螺杆压缩机尤为合适。双螺杆压缩机的主要运动部件为两个相互啮合在一起螺杆转子,称为阳转子和阴转子,以及调节气体流量的能量调节装置。根据有无润滑,螺杆压缩机也分喷油和无油螺杆,分别应用于不同的场合。如根据美国石油学会API-619标准,压缩易燃易爆的危险气体时,螺杆压缩机的壳体需要采用铸钢材料。同时,螺杆压缩机因运转部件较少,运行安全可靠。

螺杆压缩机具有体积小、效率高的特点,且流量范围宽,可以连续运行。螺杆压缩机的容量范围特别适合于小型的天然气液化装置和天然气液化装置中的BOG压缩机,如图5-5所示。特别是对于5×10⁴m³(标)/天以下的撬装型天然气液化装置,由于空间小,采用螺杆压缩机尤为合适。

螺杆压缩机也属于容积式压缩机,有单螺杆和双螺杆之分,如图5-6所示。由于单螺杆压缩机的装配精度要求比较高,而双螺杆则装配方便,因此得到更广泛的应用。单螺杆压缩机由一个圆柱螺杆和两个对称布置的平面星轮组成啮合副,其运动部件是一个螺杆转子和两个星轮。双螺杆压缩机的主要运动部件为两个相互啮合在一起螺杆转子,称为阳转子和阴转子,以及调节气体流量的能量调节装置。阳转子和阴转子以一定的齿数比相互啮合,并在啮合的过程中形成封闭的腔体,在压缩的过程中不断减小腔体的内容积,从而完成工质增压的过程。双螺杆压缩机通常是由阳转子驱动,但也有采用阴转子进行驱动的。根据有无润滑,螺杆压缩机也分喷油和无油螺杆,分别应用于不同的场合。由于润滑油不仅起润滑的作用,而且还在啮合面起密封的作用,因此,喷油螺杆应用更为广泛。

图5-5 螺杆压缩机用于天然气液化装置的BOG压缩机

图5-6 螺杆压缩机结构示意

a)单螺杆 b)双螺杆

由于螺杆压缩机的运动部件相对较少,同时其部件设计通常考虑到长周期运行的需要,所以螺杆压缩机运行平稳、故障率也低,对于一些经过实践验证具有良好可靠性的螺杆压缩机,可以按照无备用机组的情况进行配置。制造精良、操作得当的螺杆压缩机通常可以使用20年以上。

螺杆压缩机的壳体可以根据应用工艺要求,采用灰铸铁、球墨铸铁或铸钢等材料。铸钢和球墨铸铁的壳体可承受的压力等级较高。对于压缩易燃易爆介质时,通常应选择铸钢或球墨铸铁的外壳。如根据美国石油学会API-619标准,压缩易燃易爆的危险气体时,螺杆压缩机的壳体需要采用铸钢材料。压缩机转子的材料通常有球墨铸铁和锻钢等,压缩机转子的齿形和齿数比根据不同厂家的产品也有所不同。

(1)螺杆压缩机的工作过程螺杆压缩机的工作原理是利用一个阳转子、一个阴转子在与之紧密相邻的压缩机机壳内的旋转运动完成吸气、压缩和排气的过程,这是一个连续的挤压和排出的过程,没有余隙容积的影响。

1)压缩机吸入过程:当压缩机转子转动时,相邻的阳转子和阴转子两齿之间的齿槽容积随着旋转而逐渐扩大并在此过程中保持和压缩机吸入口的连通,这样压缩机上游的低压气体通过压缩机进气通道进入齿槽容积并进行气体的吸入过程。当转子继续旋转到一定角度之后,齿间容积沿轴向越过吸入孔口位置与吸入孔口断开,此时这一对齿槽间的气体吸入过程结束,如图5-7所示。

2)压缩机增压过程:在转子继续转动的过程中,被压缩机转子、机壳、吸、排气端座所封闭的齿槽间的气体,由于压缩机阳、阴转子的相互啮合而被压向排气口,同时气体压力也逐步升高,进行气体的压缩过程,如图5-8所示。

3)压缩机排气过程:当压缩机转子转到使齿槽间与压缩机排气口相连通时,被压缩后的气体就通过压缩机排气口排出,实现排气过程,如图5-9所示。

图5-7 螺杆压缩机气体吸入过程

图5-8 螺杆压缩机气体增压过程

图5-9 螺杆压缩机气体排出过程

在上述压缩机的吸气、压缩、排气过程中,每一对相互啮合的阳、阴转子之间,不断地进行同样的过程,从而形成被压缩气体的连续增压和输送。

(2)螺杆压缩机的分类螺杆压缩机最早出现于20世纪30年代,经过约80年的不断应用和发展,目前已经比较完善。螺杆压缩机有许多的分类方法,如按照双螺杆和单螺杆进行压缩机的分类,而单螺杆压缩机是只有一个转子,依靠转子在转动时带动在转子轴相垂直布置的两个行星齿轮从而实现对气体的压缩过程。

在气体压缩行业内螺杆压缩机的应用而言,最为常见的分类方法是按照压缩机转子腔内是否喷入润滑油将螺杆压缩机分为无油螺杆压缩机和喷油螺杆压缩机。

无油螺杆压缩机的阳、阴转子之间保持一个非常小的间隙并依靠同步齿轮进行驱动,而同步齿轮本身和轴承是处于润滑油的环境当中,在转子腔和润滑油环境之间,安装有密封装置进行隔离,如图5-10所示。由于阳、阴转子和被压缩气体在压缩过程中和润滑油没有接触,因而可以实现工艺气体的无油压缩过程,在一些特定的应用中,无油压缩机可以应用于含有粉尘和聚合物气体的压缩。

由于气体在压缩过程中压缩热的产生,无油螺杆压缩机的排气温度较高,为了避免过度的热变形,在一些应用中,直接把与压缩介质相溶的液体(如润滑油)注入转子腔,以对被压缩气体进行冷却。

图5-10 无油螺杆压缩机内部结构

1—压缩机机壳 2—转子 3—同步齿轮 4—轴承 5—密封

由于润滑油密封区域的存在、阴阳转子间隙的始终存在、压缩机转子跨度较大及压缩机排气温度的限制,因此无油螺杆压缩机的压缩比通常都被限制在7∶1以内。

对于喷油螺杆压缩机而言,润滑油在压缩机转子腔体内存在的作用在于润滑、密封和冷却,如图5-11所示。润滑油的作用之一在于向压缩机的转子轴承提供可靠的润滑,同时润滑油具有有效降低被压缩气体温度的冷却作用,从而降低压缩机的排气温度,而这一部分的热量被润滑油从压缩机壳体内带出到油冷却器中向外部排出,更为重要的是润滑油向压缩机的阳、阴转子之间的间隙提供了一层油膜,既大大减少了被压缩气体的回流和泄漏,同时也通过油膜实现主动转子对被动转子的驱动过程而无须使用同步齿轮,当然,此时螺杆压缩机的噪声水平也得到了有效的控制。

图5-11 喷油螺杆压缩机内部结构

喷油螺杆压缩机的显著优点在于可以提供较高的压缩比,对于通常的应用而言,喷油螺杆压缩机的单级压缩比可以达到10～20并实现经济性的运行,这一特点对于某些工艺应用是非常重要的,因为采用单级压缩可以实现较少占地面积及设备投资和运行费用降低的目的。同时,螺杆压缩机因运转部件较少,运行安全可靠。

尽管喷油螺杆压缩机的压缩比理论上可以达到20以上,但就长期运行的经济性考虑而言,同样可以采用双级压缩的形式以实现高于20的压缩比。由于喷油螺杆压缩机可以通过调节喷油量实现对于被压缩气体排出温度的控制,因此在双级喷油螺杆的低压级排气和高压级吸气之间,可以不采用通常会使用的级间气体冷却器。

(3)螺杆压缩机的容量调节方式螺杆压缩机的容量调节方式通常有速度调节方式和滑阀控制方式,对于无油螺杆压缩机,由于压缩机转子腔体内不存在润滑油,所以通过转动速度调节方式比较合理。而对于喷油螺杆压缩机,也可以采用速度调节方式,但更为普遍的是采用由润滑油系统控制的滑阀控制方式实现对于容量的控制,滑阀的位置可以通过电动或液压控制,一般根据压力或温度信号的变化由压缩机的控制中心实现压缩机容量的自动调节,如图5-12所示。

图5-12 喷油螺杆压缩机的容量控制(箭头所指为压缩过程中间气体回流通道)

螺杆压缩机容量的滑阀调节方式的实质是通过控制滑阀的移动打开或关闭被压缩气体在压缩过程中通过中间回流通道的回流到压缩机吸入口的气体流量从而实现对最终压缩机实际排出气体的流量的控制,当回流通道完全关闭时,压缩机的容量为100%,而当回流通道逐步打开时,压缩机的实际排气量则不断减小,通常对于喷油螺杆压缩机而言,这一容量的调节范围为15%～100%无级调节。

在一些应用场合中,出于工艺的需要,要求螺杆压缩机在负荷低于15%,甚至接近于0%的情况下,压缩机保持运转状态,在这种情况下,可以采取排气口部分热气旁通至压缩机吸入口的配管方式,保持压缩机有一个“虚拟”的负荷,以维持压缩机的运转状态。

一些设计更为先进的喷油螺杆压缩机,采用滑阀和滑块组合的方式,可以实现对于压缩机容积比(压缩比的另一种表述方式)的控制,从而避免了螺杆压缩机的欠压缩和过压缩,实现节能运行,这一调节方式通常是自动的。图5-13所示为调节压缩机容量的滑阀、调节压缩机容积比的滑块均为液压控制方式。某系列螺杆压缩机(TDSH系列)主要技术参数见表5-2。

图5-13 压缩机的容量控制和容积比控制示意图

表5-2 某系列螺杆压缩机(TDSH系列)主要技术参数

(4)喷油螺杆压缩机床除油技术对于无油螺杆压缩机而言,由于在其压缩过程中被压缩气体和润滑油不接触,因此不存在除油的问题。

而对于喷油螺杆压缩机而言,通常会在压缩机的排气口安装一个油分离器以达到去除压缩机排气中的大部分润滑油滴和润滑油雾的作用(图5-14),通常喷油螺杆压缩机的油分离器在采用了高效的积聚式滤芯(图5-15)之后的油分离效果可以达到10×10^-6左右。油分离器可以为卧式或立式,其工作原理相同,即通常采用离心分离、重力分离和积聚分离相组合的方式实现油分离目的。

对于喷油螺杆压缩机而言,通常还需要配置油冷却器和油温恒定调节装置,以确保润滑油系统工作的稳定和可靠。

图5-14 喷油螺杆压缩机的油分离器典型结构示意

图5-15 积聚油分离器滤芯

对于一些要求排出气体中含油量进一步降低的压缩机而言,可以采用外置的积聚式滤芯,或组合活性炭吸附式除油器的方式达到降低排出气体中含油量的目的,通常在采用了这样的组合除油方式之后,压缩机排气中的含油量可以降低到<×10^-6的程度。

综上所述,无油螺杆压缩机的优点是使被压缩的介质中不会有油,但由于没有油膜的密封作用,可获得的压缩比较喷油润滑的要低。喷油螺杆压缩机具有可靠性高、单级压缩比高、高效节能、容量自动调节、无须备机、投资节省、维护费用低、变工况适应性强等很多优点。用户可以根据工艺流程需要和压缩机特点进行选择和应用。

适用于小型液化天然气装置的螺杆压缩机

相关推荐