離心式空壓機國內外發展趨勢簡述

于洋 葛婧 陳云偉 張帝 蔣傳杰

摘要：離心式空壓機在化工行業的發展中占有極其重要的作用，本文將簡述離心式空壓機的發展起源，并介紹國內主流的離心式空壓機的機型特點，分析未來空分行業用離心式空壓機的發展趨勢。

關鍵詞：離心式空壓機;發展趨勢;單缸;多缸

0 ?引言

離心式空壓機是將氣態介質的壓力等級提高或者將氣態介質從一個設備輸送至另一個設備，離心式空壓機的驅動機一般為汽輪機或電機，將蒸汽能量或電能轉化為氣態介質的壓力勢能[1]，在這樣的過程中氣態介質的體積會減小或發生狀態改變，壓力通常會升高。離心空壓機工作時，葉片的吸力面會吸收氣態介質，通過葉片的壓力面做功并在由隔板組成的闊壓器中擴大氣態介質的壓力，使氣態介質的壓力得到提高[2]。

起初離心式空壓機并不被行業內的人士看好，因其只適合用于低壓力、小流量的工作狀態，但由于離心空壓機的化工行業的重要作用，同時由于化工行業在近年來的飛速發展，其在化工領域占有的重要地位逐漸顯現，在化工行業中，離心空壓機是化工流程的心臟設備[3]。

伴隨著離心壓縮設計能力的提高，使得其工作效率不斷提高，又由于各種先進的密封及離心空壓機隔板擴壓器結構的應用，促使離心空壓機向著工作壓比寬泛、工作流量寬泛的方向發展，因此逐步的打開了離心式空壓機的適用范圍[4]。

1 ?離心式空壓機的起源

在離心式空壓機出現前，往復式空壓機占據著化工行業的主導地位。往復式空壓機存在諸多缺點，譬如其單缸體容量小、體積巨大、工作噪音大、容易損壞和工作效率低等[5]，很難在化工行業大范圍推廣應用。直至1900年，法國一家名為“拉托“的工廠，首先設計并制造出世界上第一臺離心式空壓機，該離心式空壓機用于高爐鼓風用，因此現在行業內也管離心式空壓機稱作離心式鼓風機[6]。至1906 年，由瑞士人設計并制造的Latto型空壓機，從此在世界范圍內引發了廣泛使用離心式空壓機的熱潮。

從上個世紀40年代起，隨著軍用航空飛行器的發展需要，出現了軸流式空壓機。軸流式空壓機具有高達84～92%的熱效率[7]，廣泛的用于航空燃氣輪機的制造中，于此同時，能源行業也看到軸流式空壓機的優勢，在煤制油、能源及制藥等領域也得到了充分的發展。由于軸流式空壓機的飛速發展制約了離心式空壓機的發展，直到1965年，航空航天領域對超小型燃氣輪機的需求以及離心式空壓機制造工藝水平的提高及氣動力學設計能力的提高，促使其獲得長足的發展。離心式空壓機具有轉速高、連續性強、使用年限長、可不間斷連續工作等優點，隨著其設計、制造關鍵單元技術的革新，促進了離心式空壓機的大面積應用。

上世紀石油化工行業得到飛速發展，1950年代后期，成立于德國的得馬格公司設計并制造了著名的齒輪組裝式空壓機，組裝式空壓機為齒輪傳動多級離心式空壓機，其多級的氣動設計，大大的提高了空壓機的排氣壓力及質量流量，使其的化工行業特別是化肥行業得到大范圍應用，直至上世紀70年代末期，各離心式空壓機生產廠商都推出了各自的VK系列空壓機以適用廣泛的市場需求。者其中不乏一些著名型號的離心空壓機：例如1960年美國的哎里奧特設計制造出PAP系列離心空壓機，該離心空壓機為三段壓縮，排氣流量的下限為為27.88m3/min。15年后，該生產廠家設計并制造出PAP+系列離心空壓機，其進一步提高了排氣壓力及流量;1963年美國一家名為蘭德的公司研制出申泰克系列離心式空氣空壓機，該系列離心空壓機工作狀態穩定，工作效率較哎里奧特生產的離心式空壓機有所提高，在化工行業得到一致的好評，直到1977年該廠家生產了申泰克二代系列離心空壓機，該代產品較初代產品提高轉速約12%，大大地提高排氣壓力及流量。

2 ?離心式空壓機在我國的發展歷程

我國受限于早期技術積累比較薄弱，在1950年以前，離心空壓機在國內鮮有發展，只有極少數廠家可以制造離心鼓風機，但不具備設計能力。上世紀50年代后，離心空壓機經歷了從無到有的過程，并在60年代后經歷了飛速發展。例如陜鼓廠、上鼓廠及著名的沈鼓廠等均能夠自主設計、制造生產離心空壓機，但離心空壓機的設計依然依賴于技術引進，直到上世紀70年代后期，國內離心空壓機的理論計算水平及研究水平才得到長足的發展，離心空壓機的研發、加工及制造水平有了較大的飛躍。

國內離心空壓機行業的發展依賴于技術引進，早期，陜西鼓風機廠從瑞士速爾綬公司引進軸流式離心空壓機的整套設計、生產技術，生產靜葉不可調及靜葉可調兩種系列、不同規格的軸流風機。沈鼓廠從新比隆公司引進了MCL型及BCL型離心空壓機的生產制造技術，隨后又開發出管線型離心空壓機，這三種離心空壓機技術奠定了國內離心空壓機行業的基礎。為了開拓高壓力離心空壓機市場，沈陽鼓風機廠又從日本引進了DH型離心空壓機的整套技術。在70年代后期，為了提高我國的離心空壓機水平，由先后引進了多種國際上先進的離心空壓機設計制造技術，由此縮短了與國外同行業的差距。目前我國可生產各類型的離心空壓機，特別是沈陽鼓風機廠以能夠生產各類型離心空壓機而著稱，其能夠生產MCL、BCL、PCL、DMCL、MCO、ZMCL、DH、SVK、PTA等各類型離心空壓機，覆蓋了民用、軍用、石油化工等各行各業，可謂多點開花。

沈陽鼓風機廠為我國離心空壓機行業的排頭兵，具備全國領先的技術水平，為能源、化工、天然氣輸送等行業提供了先進的離心空壓機設備，為我國各項重大裝備的國產化做出了杰出貢獻。上世紀70年代，依賴于國家對空壓機行業的大力投入，沈陽鼓風機廠對其加工制造及裝配能力進行技術改造，引進一大批精良的設備，建立了齒輪箱生產車間，能夠自行設計制造匹配的齒輪箱，大大降低了生產成本。此外還建設了高信息化的試車臺，具備了國內同行業領先的試驗水平，能夠完成離心空壓機的機械運轉及性能試驗，完整的模擬用戶的使用工況，符合美國石油化工行業標準的要求。

我國離心空壓機行業的發展得益于許多單元技術的科技進步，隨著單元技術的突飛猛進以及技術整合能力的不斷提升，離心式空壓機從使用性能及可靠性上均得到較大提升。隨著三元葉輪模型機的開發，離心式空壓機的模型機性能、計算分析方法均得到長足的發展，近年來，隨著離心空壓機的設計制造技術發展，在石化行業得到了廣泛應用。

早期的離心空壓機將驅動機布置在低壓缸機組的排氣側，因為早期的無雙軸申的汽輪機和電機。如一臺離心空壓機裝置由多缸組成，與驅動機連接的第一個缸的軸系就要承受多缸的軸功率，造成第一個缸的轉子、軸承等尺寸較大。由于與驅動機相連的第一個機組的轉子主軸及軸承尺寸過大，限制了隔板流到的布置，導致其無法設計流量和壓比較大的單級葉輪。

伴隨著離心空壓機的發展，單軸的離心空壓機逐漸暴露出缺點，例如單一流道導致進氣效率低，均勻性差，調速困難，離心空壓機的檢修困難，提高性能僅能通過轉速的提高實現，給齒輪箱的制作帶來困難。對于多級空壓機，由于其轉子振動情況難以得到有效的控制，制約了其發展。

在這樣的背景，沈陽鼓風廠開發出單缸懸臂離心空分空壓機——即MCO型離心空壓機，其是對傳統的水平剖分離心空壓機的改進。MCO型離心空壓機通過將首級由缸體內移至缸體外的蝸殼內，葉輪由閉式葉輪改為半開式葉輪，首級葉輪可增加至直徑1.6m，后幾級葉輪的可以減小外徑，增加出口截面積，提高整體效率。其次，首級葉輪懸掛在缸體外部，由此可以將軸承座也安裝在外部，提高檢修軸承的便利程度。最后，4個葉輪并采用兩端低壓，中間高壓的布置方式，利于減小軸向推力，減小推力盤的負荷。MCO型離心空壓機打破了國際先進離心空壓機公司對大國內大型空分裝置壟斷的局面，目前該機型已得到推廣應用，在國內取得良好的口碑，也為后續相關機型的改進提供了廣泛的借鑒意義。

3 ?離心式空壓機的未來發展趨勢

MCO型離心空壓機從上世紀90年代研制成功后，在國內空分市場有著制造成本低、耗能低、運行平穩等優勢，由于其首級葉輪帶進口導葉，因此實現了比較簡易的流量調節，在空分用戶中逐漸取代了DMCL+2MCL型空壓機組，MCO機型還大大降低了生產成本和用戶的使用成本，成為目前國內空分市場的頂級產品，今年來由于國家政策導向，空分試車逐漸增大，對MCO機型的需求也越來越高。舉例說明：目前41000m3/h及以上的空分空壓機，入口流量為210000m3/h的裝置，一般采用DMCL1204+2MCL1203兩缸結構，由于缸體數量多，總重量約為200T，轉子總重約為13t，需要兩個驅動機，費用高，占用廠房面積大，由于參與工作的零件較多、較大，容易發生振動故障，增加使用成本。與之相對的是，我們可以使用MCO1404機型代替雙缸結構，單獨MCO1404機組重僅為110t，轉子的重量為7t，單缸結構降低使用成本、維修費用等成本50%以上，同時單缸結構可以減小占地面積，使用一臺機組所產生的機械損失更小，不宜發生故障，可以連續長時間運轉。MCO型離心空壓機的出現以及技術的成熟，為離心空壓機市場帶來了新的選擇，具有成本低、能耗低、運行平穩的特點，目前已成為空壓機市場的主流機型。

參考文獻：

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[2]Ozgokmen T M， Johns W E， Peters H， et al. Turbulent mixing in the red sea outflow plume from a high-resolutingnonhydrostaticmodel[J]. Jounal of Physical Oceanography， 2003， 33（8）：1846-1869.

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[4]西安交通大學透平壓縮機教研室.離心式壓縮機原理[M].北京：機械工業出版社，1990.

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