CN102979751A - 一种单轴式加多轴式二氧化碳离心压缩机组 - Google Patents

Abstract

一种单轴式+多轴式二氧化碳离心压缩机组，包括双出轴型驱动装置，双出轴型驱动装置的左出轴用膜片联轴器与单轴式低压缸直联，双出轴型驱动装置的右出轴用膜片联轴器与多轴式高压缸相连；CO₂气体由单轴式低压缸首级叶轮进入，经过四级压缩，由低压缸第四级后出口管道流出进入多轴式高压缸首级叶轮，再经过四级压缩由多轴式高压缸3第4级叶轮出口排出进入后续的工艺系统；本发明比传统单轴+单轴机型节能10％以上，并且比国外的多轴式二氧化碳压缩机具有更高的安全稳定性。

Description

一种单轴式加多轴式二氧化碳离心压缩机组

技术领域

本发明涉及一种用于尿素装置二氧化碳加压的离心式压缩机组，也涉及当今国际上兴起的EOR技术（油田注CO₂提高原油采收率）、CCS技术（碳捕捉及封存）、煤化工中煤气化炉喷粉煤等领域需要的一种单轴式+多轴式二氧化碳离心压缩机组。 

背景技术

1.目前国内外尿素装置的离心式二氧化碳压缩机组，绝大部分采用“汽轮机+单轴式低压缸+齿轮箱+单轴式高压缸”机型。这种机型存在以下技术缺陷： 

缺陷一，小流量、高压比的高压缸采用单轴式，效率很低。 

实例：美国一家知名透平机械制造公司，2012年8月为孟加拉1760MTPD尿素装置CO₂压缩机的报价即能说明此缺陷。该压缩机额定工况条件：54,908kg/h湿基、进气1.442bar.A、排气143.1bar.A。低压缸采用单轴式合理,第1、2段的多变效率高，为83.58％、78.82％；但是对于高压缸，随着压力升高，体积流量大幅度减小，仍采用单轴式机型，叶轮的最小出口宽度仅3.65mm,相对宽度仅3.65/280.54=0.013，远低于0.03～0.085的高效范围，效率必然很低,第4段的多变效率仅为50.1％。因为两缸的级数都是7级，轴承间距大，使提升高压缸的转速来增大高压缸效率的手段受到限制。 

缺陷二，低压缸和高压缸都是径向进气。 

轴的干扰使叶轮进气室内部流场不均匀度很大，将降低级效率和单级压比。 

缺陷三，汽轮机在端部,低压缸轴需传递机组的总功率。 

造成低压缸的轴、轴承、轴封的直径都要加大。由于低压缸的轴粗，又是径向进气，轴的干扰使叶轮进气不均，进一步降低级效率和单级压比。这就是现有技术的单轴式CO₂压缩机效率低，叶轮级数多的原因之一。 

缺陷四，不适应两缸中多种压力等级的抽气以及各抽气量分别调节的工艺优化要求。 

单轴式高压缸为筒袋式，在机壳上增加抽气接管要修改设计，两缸又均无进口导叶，因此，各抽气量的调节只能用调转速一种方式等比例调节，再用阀门分别节流，不经济。 

缺陷五，高压段喘振流量距正常工况流量较近，当尿素装置减负荷运行时，四回三防喘振阀长期开启,浪费能源。 

2.国外现有技术的纯多轴式二氧化碳压缩机组 

随着多轴式压缩机技术的不断进步，通过近三、四十年的发展，现已普遍应用在空分、化工等各个领域。多轴式压缩机由于能改变转速，各级叶轮直径和转速易实现最佳匹配，并且每级叶轮均为轴向进气，流动状态比径向进气的单轴式压缩机均匀，所以效率高，可大幅地降低能耗；再加上结构紧凑等优点，全球离心压缩机制造厂和使用者都看好这种节能又节资的机型。 

为了提高效率和单级压比，GHH-BOSIC公司在1995年就生产出了世界首台五根高速小齿轮轴的10级多轴式CO₂压缩机，进口压力1.04bar.A，出口压力200bar.A，此台压缩机用于俄罗斯的一家尿素装置。但其结构相当复杂，由两个大齿轮、五根高速小齿轮轴、10级叶轮等构成，运行时故障率高，其根源是第7～10级叶轮所在的第4、第5小齿轮轴在第三阶临界转速附近运转。 

2001年GHH-BORSI公司被曼透平公司收购后，曼透平公司转为开发一个大齿轮的八级多轴式CO₂压缩机，进口压力常压或低正压，出口压力160bar.A。设计者忽略了多轴式压缩机只有在小流量范围内优势才突出的特点，将多轴式机型扩大到总压比很大的整个压缩机上，由于低压段气体的体积流量大，蜗壳尺寸特别庞大，为在大齿轮的四外围布置八个蜗壳，大齿轮的外径必需加大，这样使齿轮的节园速度很高。 

受高精密磨齿机的规格和齿轮表面渗氮热处理炉腔尺寸的限制，目前世界顶级高速齿轮的制造技术是，大齿轮的最大直径为3.3m，齿轮的最高节园速度为201m/s。如超过上述值，振动和噪声将大幅度超标，齿轮的寿命也较短。 

10级或8级多轴式CO₂压缩机把多轴式机型用到总压比很大的整个压缩过程上，将对转子动力学提出很高的要求，七轴或六轴耦合带来的转子动力学的复杂性使得压缩机运行风险增大。 

由此可见，纯多轴式CO₂压缩机存在以下缺陷： 

缺陷一，齿轮的节园速度很高，影响高速重载的小齿轮和大齿轮的使用寿命。 

缺陷二，七轴或六轴耦合带来的转子动力学的复杂性使得压缩机运行风险增大。 

缺陷三，汽轮机经高速小齿轮轴传输的功率是机组的总功率，此高速重载小齿轮的寿命更短。 

为何10级或8级多轴式CO₂压缩机面世十几年来，全球只有十几台业绩（10级仅一台），就是因为制造厂盲目将多轴式机型扩大到总压比很大的整个压缩机上，使其运行可靠性降低，而不为使用者接受。 

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供一种单轴+多轴型二氧化碳离心式压缩机，比传统单轴+单轴机型节能10％以上，并且比国外的多轴式二氧化碳压缩机具有更高的安全稳定性。 

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的： 

一种单轴式+多轴式二氧化碳离心压缩机组，包括双出轴型驱动装置1，双出轴型驱动装置1的左出轴用膜片联轴器4与单轴式低压缸2直联，双出轴型驱动装置1的右出轴用膜片联轴器4与多轴式高压缸3相连； 

所述的双出轴型驱动装置1通过联轴器4与多轴式高压缸3正下方的第一小齿轮轴5直联，第一小齿轮轴5与大齿轮6啮合，大齿轮6与齿轮箱体9水平两侧的第二小齿轮轴7和第三小齿轮轴8啮合，第二小齿轮轴7的两端悬臂安装第五级叶轮14和第六级叶轮15，第三小齿轮轴8的两端悬臂安装第七级叶轮16和第八级叶轮17。 

所述的单轴式低压缸2为单轴四级。 

所述的单轴式低压缸2和多轴式高压缸3全部叶轮均采用“全可控涡”自由曲面三元叶轮。 

所述的单轴式低压缸2和多轴式高压缸3首级叶轮进口前设置有进口导叶调节机10. 

所述的多轴式高压缸3的非首级叶轮进口前设置有进口导叶调节机构10。 

所述的第二小齿轮轴7和第三小齿轮轴8上均设置有推力环11。 

所述的双出轴型驱动装置1为双出轴型电动机时，双出轴型电动机与单轴式低压缸2之间配置一台增速箱12和膜片联轴器4。 

本发明的优点为: 

1.二氧化碳压缩机组采用“单轴式低压缸+驱动机+多轴式高压缸”的新模式。 

大流量低压力的低压缸采用单轴式，用4级叶轮；而小流量、高压力的高压缸采用多轴式3～6级叶轮，共7～10级叶轮，根据不同的工艺要求与设计参数来“量体裁衣”，确定高压缸多轴压缩机叶轮的个数。 

发挥多轴式压缩机单级压比高，效率高的突出优势，使得整个机组的叶轮级数较传统机型减少4～5个叶轮，且机组的效率大幅度提升10％以上。由于多轴式高压缸只承担压整个机组的部分负荷，高速轴根数比纯多轴式机型少一半以上，机组的可靠性提高。 

2.将驱动装置布罝在低压缸和高压缸中间，克服了现有技术的将驱动机布罝在端部的缺陷，其优点是： 

1)低压缸的轴只需传递自身的轴功率，低压缸的轴径减小，减少轴占据叶轮的进口面积，有利于提高单级压比。 

2)低压缸首级进气可改成轴向进气，进气均匀，提高级效率。 

3)便于首级叶轮前用IGV调节气量。当采用电机驱动时就不必用液力耦合器调速。 

3.压缩机全部叶轮采用发明人的“全可控涡”自由曲面三元叶轮设计与制造技术。叶轮为两体焊整体铣制结构，窄流道采用真空钎接热处理技术，确保高压小流量叶轮的性能可靠。 

4.低压缸首级进口前配置进口导叶调节机构，多轴式高压缸各级叶轮前也可配置进口导叶（结合系统工艺要求配置），适应多种压力等级的抽气以及补气的分别调节，满足工艺优化的要求。 

5.采用推力环技术，取消各根高速小齿轮轴上的推力轴承。 

高压缸小齿轮轴两端叶轮未平衡的轴向力与单斜齿园柱齿轮轴向力之差(或和)通过小齿轮轴上的推力环传到大齿轮的侧面，再传到低速大齿轮轴的推力轴承上，因此可取消所有小齿轮轴的高速推力轴承，减小高速轴承的功耗，小齿轮支承轴承采用径向可倾瓦轴承。高压缸低速大齿轮支承轴承采用错位瓦轴承。 

6、低压缸（2）的轴只需传递自身的轴功率，较传统的单轴+单轴的机型，低压缸的轴径减小，减少轴占据叶轮的进口面积，有利于提高单级压比。多轴式高压缸只有四级叶轮，并因高压段气体的体积流量已缩小，四个蜗壳尺寸较小，布置四个较小蜗壳所需的大齿轮外径必然比再增加四个较大蜗壳所需的大齿轮外径小得多，这样就降低了齿轮的圆周速度。另外，驱动高压缸的第一小齿轮轴（5）传输的功率仅仅是机组总功率的一半左右。因此，与八级纯多轴式CO₂压缩机相比，振动和噪声可减小，齿轮的寿命明显延长。 

本发明的特点：二氧化碳压缩机在大流量低压力区域时，采用单轴结构即保证机组的稳定性又能使压缩机设计点多变效率保持在80％以上，而在小流量高压力区域时，则采用多轴齿式压缩机结构，通过提高转速的方法，使得叶轮出口相对宽度b₂/D₂在0.03～0.085之间的高效范围内，保证压缩机设计点效率仍在80％以上。采用单轴4级（低压缸）+多轴3～6级（高压缸）这种新机型比传统机型不仅减少4～5个叶轮，而且机组紧凑、占地面积小，整个机组效率高，与现有技术的“单轴式+单轴式”相比，能耗降低10~20％左右。与现有技术的纯多轴式机型相比，效率相当，但机组的可靠性提高。 

本发明的二氧化碳压缩机低压缸采用单轴，高压缸采用2～3根高速轴（3～6个叶轮），比国外的4～5根高速轴（8～10个叶轮）减少了2～3根高速轴；这样的设计无论从结构上还是转子动力学上均具有更高的安全可靠性。 

本发明的二氧化碳压缩机组将驱动机布罝在低压缸和高压缸中间，克服了目前国内外绝大部分离心式二氧化碳压缩机组将驱动机布罝在端部的缺陷。 

附图说明

图1为本发明的汽轮机拖动CO₂压缩机组布置示意图。 

图2为本发明的汽轮机拖动CO₂压缩机组布置剖面图。 

图3为本发明的电动机拖动CO₂压缩机组布置示意图。 

图4为本发明的单轴式低压缸剖面图。 

图5为本发明的单轴式高压缸剖面图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。 

参照图1，一种单轴式+多轴式二氧化碳离心压缩机组，包括双出轴型驱动装置1，双出轴型驱动装置1为汽轮机，双出轴型驱动装置1的左出轴用膜片联轴器4与单轴式低压缸2直联，双出轴型驱动装置1的右出轴用膜片联轴器4与多轴式高压缸3相连； 

参照图2，汽轮机1通过联轴器4与多轴式高压缸3正下方的第一小齿轮轴5直联，第一小齿轮轴5与大齿轮6啮合，驱动大齿轮6，大齿轮6与齿轮箱9水平两侧的第二小齿轮轴7和第三小齿轮轴8啮合，大齿轮6驱动齿轮箱9水平两侧的第二小齿轮轴7和第三小齿轮轴8，第二小齿轮轴7的两端悬臂安装第五级叶轮14和第六级叶轮15，第三小齿轮轴8的两端悬臂安装第七级叶轮16和第八级叶轮17。 

图2中叶轮为8个，比现有技术的“单轴式+单轴式”CO₂压缩机通常13个减少了5个，虽然与现有技术的八级纯多轴式CO₂压缩机同，但高速小齿轮轴的根数从5根减为3根，机组的可靠性提高。 

所述的单轴式低压缸2为单轴四级。 

所述的单轴式低压缸2和多轴式高压缸3全部叶轮均采用“全可控涡”自由曲面三元叶轮。 

如图4所示，所述的单轴式低压缸2首级叶轮进口前设置进口导叶调节机构10，满足变工况调节的需要。 

如图5所示，多轴式高压缸3首级叶轮进口前也设置进口导叶调节机构10，满足变工况调节的需要，第二小齿轮轴7和第三小齿轮轴8上配置推力环11，两端叶轮未平衡的轴向力与单斜齿园柱齿轮轴向力之差(或和)通过小齿轮轴上的推力环11传到大齿轮6的侧面，再传到低速大齿轮轴的推力轴承13上，因此可取消所有小齿轮轴的高速推力轴承，减小高速轴承的功耗。 

如图3所示：与汽动型机组的差异仅仅是双出轴型驱动装置1为双出轴型电动机，双出轴型电动机与单轴式低压缸2之间要增加一台增速箱12和膜片联轴器4。 

本发明的工作原理为： 

CO₂气体由单轴式低压缸1首级叶轮进入，经过四级压缩，由低压缸第四级后出口管道流出进入多轴式高压缸3首级叶轮（即压缩机第5级叶轮），再经过四级压缩由多轴式高压缸3第4级叶轮出口排出进入后续的工艺系统。 

Claims (8)

1.一种单轴式+多轴式二氧化碳离心压缩机组，其特征在于，包括双出轴型驱动装置（1），双出轴型驱动装置（1）的左出轴用膜片联轴器（4）与单轴式低压缸（2）直联，双出轴型驱动装置（1）的右出轴用膜片联轴器（4）与多轴式高压缸（3）相连。

2.根据权利要求1所述的一种单轴式+多轴式二氧化碳离心压缩机组，其特征在于，所述的双出轴型驱动装置（1）通过联轴器（4）与多轴式高压缸（3）正下方的第一小齿轮轴（5）直联，第一小齿轮轴（5）与大齿轮（6）啮合，大齿轮6与齿轮箱体（9）水平两侧的第二小齿轮轴（7）和第三小齿轮轴（8）啮合，第二小齿轮轴（7）的两端悬臂安装第五级叶轮（14）和第六级叶轮（15），三小齿轮轴（8）的两端悬臂安装第七级叶轮（16）和第八级叶轮（17）。

3.根据权利要求1所述的一种单轴式+多轴式二氧化碳离心压缩机组，其特征在于，所述的单轴式低压缸（2）为单轴四级。

4.根据权利要求1所述的一种单轴式+多轴式二氧化碳离心压缩机组，其特征在于，所述的单轴式低压缸（2）和多轴式高压缸（3）全部叶轮均采用“全可控涡”自由曲面三元叶轮。

5.根据权利要求1所述的一种单轴式+多轴式二氧化碳离心压缩机组，其特征在于，所述的单轴式低压缸（2）和多轴式高压缸（3）首级叶轮进口前设置有进口导叶调节机（10）。

6.根据权利要求1所述的一种单轴式+多轴式二氧化碳离心压缩机组，其特征在于，所述的多轴式高压缸（3）的非首级叶轮进口前设置有进口导叶调节机构（10）。

7.根据权利要求1所述的一种单轴式+多轴式二氧化碳离心压缩机组，其特征在于，所述的双出轴型驱动装置1为双出轴型电动机时，双出轴型电动机与单轴式低压缸（2）之间要增加一台增速箱（12）和膜片联轴器（4）。

8.根据权利要求2所述的一种单轴式+多轴式二氧化碳离心压缩机组，其特征在于，所述的第二小齿轮轴（7）和第三小齿轮轴（8）上均设置有推力环（11）。

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