離心式壓縮機的應用現狀

張東峰，劉行宇，李宏燕

（寧夏大學 機械工程學院，寧夏 銀川 750021）

0 引 言

離心式壓縮機是一種實現連續運輸和高轉速的節能設備，依靠高速旋轉的葉片帶動氣體產生離心力并完成做功。

離心式壓縮機的發展歷程已有百年歷史。離心式壓縮機的出現和發展晚于往復式壓縮機，但目前在許多領域，已逐漸代替往復式壓縮機而成為了主要的動力機械，特別是在重大化工生產、氣體傳輸和液化等領域得到了廣泛的應用。

傳統的容積式壓縮機是依靠壓縮腔內縮小容積來提高氣體壓力，因其氣體脈動大、易引起管道振動、內部零件易損壞、氣體運輸不連續等特點逐漸退出重大工業生產領域。

離心式壓縮機因其結構緊湊、占用空間小、易操作、運行平穩、可大流量傳輸等特點，從結構和性能上，都得到了一定程度的提升，適合當代工業發展的需求。

離心式壓縮機按結構分為單軸離心式壓縮機、齒輪式離心壓縮機和原動機與離心壓縮機組合式壓縮機。這3 類壓縮機在性能上各有特色，側重點不同，以滿足不同工業生產的需求。

隨著科學技術不斷的進步，離心式壓縮機也逐漸向集成化、智能化和復雜化方向靠攏。相比較國外的先進技術水平，國內的離心式壓縮機在整體設計水平上還有很大差距，出現了振動明顯、噪音大、能耗高，轉速較低等現象，且國內的大型企業離心式壓縮機大多依賴于國外進口。

1 離心式壓縮機在發電領域內的應用現狀

布雷頓循環是以喬治·布雷頓的名字命名的熱力循環系統，包括絕熱壓縮、等壓加熱、絕熱膨脹和等壓冷卻4 個部分。

超臨界二氧化碳（S-CO2） 布雷頓動力循環是指以二氧化碳為工質的傳熱體系，其結構緊湊，效率高，安全穩定，在化石能源、核能、太陽能等發電領域得到了廣泛的應用。以超臨界（S-CO2） 為工質的離心式壓縮機大大提高了布雷頓循環熱效率以及各種熱源形式的利用。

美國Sandia 國家實驗室和能源部對以S-CO2為工質的發電技術進行了大量的實驗，并建造S-CO2壓縮機實驗臺用于研究壓縮機的性能。2018年，在德州開建了一個S-CO2光熱發電示范項目“Supercritical Transformational Electric Power”（“STEP”，超臨界轉換發電裝置），成功推進S-CO2發電技術的大型化。

相比較于傳統的離心式壓縮機，S-CO2壓縮機具有能耗少、結構緊湊、內部機理復雜等特點。但由于工質的高密度性，S-CO2離心式壓縮機表現出的盤腔內泄漏損失和鼓風損失的現象較為嚴重。

曹潤、李志剛等人考慮盤腔泄漏對壓縮機性能造成的影響，得出盤腔泄漏會導致壓縮機啟動性能的下降。此外，其氣動性能、軸向推力和葉輪的強度也是S-CO2壓縮機在設計階段考慮的關鍵因素。

由于S-CO2工質壓力高、密度大、壓縮機的進口狀態參數較難控制，技術上還存在高效密封和間隙泄漏等難題。

2 離心式壓縮機在天然氣運輸方面的應用現狀

天然氣主要存在于煤田、油田、氣田中，在低碳環境的要求下，天然氣作為一種優質的清潔能源，符合我國可持續發展的戰略目標，也受到了世界各國的青睞，其用量也在逐年上升。

由于在天然氣的運輸和開采過程中，天然氣的壓力會出現波動，造成傳動系統的不穩定，且傳輸過程中有能耗的損失，因此，需要借助壓縮機來實現對天然氣的增壓和穩定性的控制，以安全運輸到各個用戶。

對于大氣量天然氣的傳輸，采用離心式壓縮機可以達到較好的運輸效果，離心式壓縮機特點是結構緊湊，運行穩定，可實現大氣量和長距離傳輸。

華北管網首站的中石化某管道壓氣站采用了4臺GE 新比隆公司BCL355 型離心式壓縮機，其壓縮機的重要技術參數見表1。

表1 場站壓縮機組重要技術參數Table 1 Important technical parameters of compressor unit of field station

BCL355 型離心式壓縮機為電驅式壓縮機。壓縮機實際進氣口壓力約為3.8~4.2 MPa，出口壓力約為7.5 ~ 9.5 MPa，每日運輸氣量約為700 ~ 900萬m3。

為提高壓氣站的運行可靠性，現共有4 臺離心式壓縮機，處于2 用2 備的狀態。此類壓縮機處于長期運行的狀態，受外力因素和內部氣流不穩定的影響，易出現故障問題。

其中，熱力故障是此類壓縮機普遍存在的問題，會導致排氣不足、排氣不穩定和排氣壓力上升等現象。此類現象嚴重影響壓縮機的日常運行，如果不及時處理，會迫使壓縮機停機。

引起熱力故障有多方面的因素，其中包括過濾器堵塞、電壓不穩定、管道設置和布局不合理等。

由于天然氣中濕氣含液多和雜質多，易導致壓縮機密封氣系統失效。另外，天然氣中金屬離子含量較高，易在壓縮機機腔內部積垢，引起壓縮機的異常振動。

液化天然氣（Liquefied Natural Gas,簡稱LNG）具有便于儲存和長途運輸的特點。由于LNG 溫度較低，大約為-162 ℃，而LNG 離心式壓縮機的作用是將儲罐中不斷吸收外界熱量而蒸發的氣體通過再次冷凝成低溫液體，能有效控制儲罐中的壓力和溫度，以確保LNG 的流失和系統的正常安全運行。

位于中東卡塔爾最大的天然氣液化裝置的離心式壓縮機的供應商是美國GE 公司。于淼對LNG液化工廠離心式壓縮機做了概述，分析了冷劑壓縮機的常見故障并列舉了解決措施。

3 離心式壓縮機在化工領域內的應用現狀

隨著化工行業的快速發展，對壓縮機的要求也越來越高，不僅要求壓縮機高效、穩定、大流量，還在材料、密封程度、安全系數等方面提出了更高的要求。

3.1 合成氨工業中離心式壓縮機的應用

安徽六國化股份有限公司1 000 t/d 的合成氨項目，采用節能離心式壓縮機為生產磷酸二銨提供氣氨。

壓縮機的一段壓縮進口壓力為0.07 MPa，溫度為-38.2 ℃，流量為10.7 t/h。氨合成工段的氣氨經氣液分離后，會在氨壓縮機低壓缸內與一段氣氨混合后進入二段壓縮。二段壓縮進口壓力為0.26 MPa，溫度為24.5 ℃，流量為27.4 t/h。

經過段間冷卻器的冷卻，和與來自經過氣液分離的合成氣氨混合后，一部分送往六國化本部，另一部分進入三段壓縮，此時，壓縮機進口壓力為1.70 MPa，溫度為145 ℃。

考慮到防喘振的安全余量，此類壓縮機在設計階段應考慮擴大運行工況范圍。

3.2 尿素生產工段離心式壓縮機的應用

工業生產尿素的方法是以液氨和二氧化碳為原料，CO2經過離心式壓縮機加壓后，與來自氨泵的高壓液氨在尿素合成塔中進行反應，生成低濃度的尿液；在經過分解、蒸發、造粒等多種工藝加工處理后，即得到尿素。

尿素生產中的原料CO2主要來源于水煤氣。壓縮機的入口溫度約為30 ℃，壓力約為0.13 MPa。經過加壓后，出口壓力約為15.5 MPa，溫度約為120 ℃。

尿素生產中的二氧化碳離心式壓縮機具有高壓比、高壓差、高功率、高轉速、高溫度、高壓力等特點。

另外，在尿素生產中，CO2壓縮機工段設置的脫硫裝置是為了脫離掉CO2原料中的H2S。一般尿素生產裝置的壓縮機一段進口會加入0.4%~0.7%的防腐空氣，以減輕H2S 對不銹鋼的腐蝕。

3.3 氯堿行業離心式壓縮機的應用

在氯堿工業中，氫氣壓縮機主要用于對來自電解工序的高溫濕H2進行冷卻、凈化，并加壓運輸。此類壓縮機多因控制回路出現故障造成停車。

氯氣壓縮機的作用是將Cl2進行壓縮并輸送給用戶，要求進機的氯氣干燥，并凈化處理達標，且含水量低于一定值，不含酸霧。此外，氯氣壓縮機初開車時易引起壓力波動。

中鹽吉蘭泰鹽業集團有限公司袁飛對離心式氯氣壓縮機的工作原理和整個氯堿壓縮機運行的工藝流程做了詳細敘述，同時給出了氯氣壓縮機的工藝控制指標及操作注意事項。

3.4 煤制甲醇生產中壓縮機的應用

在甲醇生產過程中，離心式壓縮機按照運輸介質的不同分為空分壓縮機、氧氣壓縮機、氮氣壓縮機和合成氣壓縮機。

3.4.1 空分壓縮機

空分壓縮機是給空氣增壓的裝置，空分裝置的工作原理是根據空氣中氣體各組分沸點的不同，經過加壓、冷卻、純化，再經過冷卻使之液化、精餾，從而獲得所需要的氮氣、氧氣、氬氣等產品。

離心式壓縮機為精餾塔提供原料空氣，使空氣組分能成功分離。

空分裝置的能耗和效率一直是企業和客戶關注的重點問題，因此，對壓縮機性能上的要求是其對能耗有很好的控制。此外，空氣增壓機由于整體的壓力較高，應考慮殼體的密封性能和整體強度。

3.4.2 氧氣壓縮機

氧氣壓縮機的作用是將從分餾塔出來的氧氣進行壓縮處理后送至后工序用于生產，以保證甲醇生產工序的正常進行。

山西焦化有限責任公司甲醇廠空分車間配套了3 臺55/30 型氧氣壓縮機，空分產氧量為7 138 m3/h，2 臺氧氣機的實際打氣量為6 000 m3/h。該壓縮機基本達到了滿負荷狀態運行。

氧氣本身具有強氧化性，在高純度環境下容易發生氧化作用，因此，應做好防銹處理，確保機殼和內部零件的防護。由于純氧環境易發生燃燒，應特別注意周圍環境的安全。

3.4.3 氮氣壓縮機

氮氣壓縮機和氧氣壓縮機的功能和作用相同，是將從分餾塔分離出來的氮氣通過氮氣壓縮機加壓后運送到后序工段。氮氣壓縮機長期處于高壓狀態容易引發泄漏事故。

3.4.4 甲醇合成氣離心式壓縮機

②發電調試：山前水庫輸水涵洞附近沒有可供機器人使用的電源,采用汽油發電機進行發電，待其運行平穩后打開開關向主控制器送電。在地面通過主控制器對機器人發送指令，檢查爬行器的抬升架起落情況，檢查爬行器前進后退、燈光、鏡頭的水平左右旋轉、調焦控制等動作，以檢查設備是否處于良好狀態。同時將所要檢測的涵洞的基本信息輸入主控制器保存。

甲醇合成氣離心式壓縮機的作用是將來自甲醇洗凈后的新鮮氣和甲醇合成來的循環氣進行壓縮。

河南龍宇煤化工有限公司一套生產50 t/a 甲醇的裝置，其合成氣壓縮機的新鮮氣壓力為3.15 MPa，溫度為30 ℃，進入壓縮機內六級壓縮后壓力變為7.54 MPa，溫度為163 ℃，與來自酯化壓縮機分離段的甲醇混合后，壓力變為8.2 MPa，溫度為71 ℃。

國家能源集團寧夏煤業有限責任公司的合成氣壓縮機進口壓力為2.8 MPa，溫度為30 ℃，與來自合成系統的循環氣（7.4 MPa，40 ℃） 混合后，經循環氣壓縮機壓縮至8.4 MPa 后進入合成裝置。

合成氣壓縮機的流量比和壓力比對壓縮機的整體運行狀態會產生相應的影響。同時，應注意密封結構方面的問題。

綜上所述，離心式壓縮機在化工領域中，由于工作氣體性質會對壓縮機的零件和密封產生較大的影響，所以，在長時間的高速運轉下容易出現零件的失效情況。

離心式壓縮機運轉時的入口壓力、入口溫度、出口溫度、出口壓力、工作流量等均為離心式壓縮機工作的重要參數。

由于化工領域循環氣成分的原因，對壓縮機的材料、技術和密封都有很高的要求，尤其對氣體的適應性、壓縮介質的改變均會直接影響壓縮過程和膨脹過程指數，從而影響排氣量和排氣溫度。

在長時間的運行下，壓縮機葉片易發生積垢，破壞了轉子的動平衡，從而造成機組振動。

4 離心式壓縮機在冶金行業的應用現狀

4.1 離心式壓縮機的作用

在電冶行業，離心式壓縮機主要是用來壓縮空氣。高壓空氣被用作能源介質，主要用于控制儀表及自動化裝置。

壓縮空氣常用作對儀表的吹掃，因周圍環境差，空氣中常伴有灰塵，會使儀表內部和表面堆積大量的贓物，高壓空氣可以起到清潔作用。

在石化領域，高壓空氣也常用作儀表的氣動控制和吹掃。對用于儀表氣系統和儀表吹掃系統壓縮機空氣的要求較高，應通過后期處理后才能使用。

壓縮空氣中若含油，會影響設備的使用壽命，也會增加故障率和維護成本。

在冶金工業中，高壓空氣另一個作用是給動力執行結構提供穩定的動力源。

鋼鐵公司在生產過程中的燒結車間、煉鐵高爐、氣壓缸、高爐的爐門開啟和等待關閉等一系列操作都需高壓空氣來完成動力執行環節。高爐鼓吹、蒸汽噴霧冷卻、鋼帶表面、爐底用風等多個環節也會用到高壓空氣。

高爐的鼓風設備用氣量很大，通常壓力為0.2 MPa，可用電作執行機構的動力源，但電作為動力源危險系數很高。

因此，壓縮機可完成多項功能和任務，大大節約了成本。

4.2 離心式壓縮機的優勢

（1） 由于壓縮機的轉速高，因此，可實現大流量和高效率的輸出。

（2） 壓縮機的整體結構緊湊，占地面積小，易于安置。

（3） 運轉平穩，工作可靠，調節方便。

4.3 離心式壓縮機的劣勢

（1） 轉速高，易產生振動。

（2） 結構復雜，緊密性高，對設備的運轉條件要求高。

（3） 穩定工況區較窄，經濟性較差。

該類離心式壓縮機主要功能是完成對空氣的壓縮，要求壓縮機的運行工況點基本維持在高效區運行，具有良好的抗喘振性能。

5 離心式壓縮機在采礦行業的應用現狀

5.1 離心式壓縮機的作用

礦山所用離心式壓縮機大體功能與冶金行業相同，高壓空氣也常用作礦山機械的動力源之一，包括鑿巖機、風鎬和其他的風動機械，壓縮空氣可以為旋轉鉆頭提供旋轉動力。

由于礦山機械的操作環境一般是在有瓦斯或易爆炸的煤層，且沖擊力較強，使用電作為動力源極易引發大的安全事故。因此，高壓空氣作為動力源，其安全性能就比較高。

盡管這種動力機械的效率很低，但考慮其安全性能，目前，礦業的采掘工作多使用風動機械來進行煤礦的開采。

在礦山開采中，空壓機被稱為煤礦的“4 大件” （主要通風機、主提升機、主排水泵、空氣壓縮機） 之一，可見其在礦山開采中的重要性。

壓縮空氣可通過高速氣流來引爆爆炸物，也可為深部采礦環境提供通風系統。

5.2 離心式壓縮機的優勢

（1） 結構緊湊。

（2） 排氣量大。

（3） 運行穩定。

（4） 使用壽命長。

（5） 容易操作。

（6） 安全性高。

（7） 所運輸的氣體質量較高。

5.3 離心式壓縮機的劣勢

（1） 操作相對復雜。

（2） 設備技術含量高。

（3） 運行維護費用較高。

（4） 當排氣量變化時易發生振動，齒輪箱噪聲大。

6 離心式壓縮機在制藥行業的應用現狀

在制藥領域中，離心式壓縮機的作用是壓縮空氣。灌裝機、制粒機、加漿機、填充機、包裝機、印字機和工藝提取提灌機，都要用到壓縮空氣。

此外，在化驗中試用氣、物料輸送、干燥、吹掃、氣動儀表、自動控制用氣等，也都要用到壓縮空氣。

在藥物生產過程中，很多情況下壓縮空氣與藥品直接接觸，為了防止藥物發生污染進而危及人們的生命安全，應對壓縮空氣進行處理以達到一定的要求。特別要控制壓縮空氣中的含油量、含水量、固體顆粒、微生物粒子等，還要求壓縮空氣無味，必須通過GMP 的認證查驗。

對醫藥工業來說，微粒特別是塵粒會直接影響藥品質量。2010 空氣質量等級標準文件規定了生產行業所使用的空氣質量的標準。

所以，制藥工廠對所用壓縮空氣必須以微粒和微生物為主要控制對象，是與制藥工廠只控制微粒的其他工廠（如電子、機械工廠等） 的主要區別之一。

7 結 語

本文論述了離心式壓縮機在不同行業的作用和表現，探討了其運行條件、特點、優缺點以及常見的失效種類和方式，可為離心式壓縮機平穩操作和日常維護提供有效的指導意見。

離心式壓縮機經過多年的研究和不斷發展，不僅能滿足大流量的輸出和高效率運行，在安全保障方面，離心式壓縮機簡單易操作，安全系數較高，結構緊湊，運行平穩。

在現代大型工業制造領域，離心式壓縮機逐漸取代往復式壓縮機成為主要的動力機械。但受限于國內離心式壓縮機的發展技術，大部分的離心式壓縮機依賴于國外進口，在未來十年中，中國由制造大國向制造強國轉變，離心式壓縮機的制造也會得到飛速的發展。