空分装置用离心式氧气压缩机组研究

栾硕，孙德超，赵小阳，张博强，董元亮

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869）

目前，世界上能够独立设计、制造离心式氧压机的公司有：瑞士苏尔寿公司、德国德马格公司、意大利新比隆公司、美国克拉克公司、日本日立公司、中国沈阳鼓风机厂杭州制氧机厂等。沈鼓从1976 年开始引进意大利新比隆公司离心压缩设计、制造技术，包括离心氧压机，但由于当时计划经济，受行业分工的限制，沈鼓未生产氧压机。20 世纪80 年代，沈鼓为山东齐鲁石化公司设计制造1 台6000Nm3/h，压力13kg/cm2的氧压机。90 年代以后，随着市场经济的发展，1992 年沈鼓厂为攀钢设计生产了第1 台10000Nm3/h,压力为31kg/cm2的氧压机。1993 年，又为天津乙烯工程项目设计生产了第1 台6000Nm3/h，压力31kg/cm2的氧压机，已安全运行两年了。后来又先后为通化钢厂，邯郸钢厂制造了两台10000Nm3/h，压力为31kg/cm2氧压机，北台钢厂1 台6000 Nm3/h，压力31kg/cm2的氧压机。进入21 世纪，我厂先后又设计制造了10 多台6000 ～20000NM3/h 的制氧机。

随着沈鼓厂设计制造氧压机数量逐渐增多，技术水平也逐渐提高。我们在这一方面也积累了一些经验，沈鼓厂针对小流量、高压比的氧压机主要如下技术方面处于领先地位。

1 离心压缩机运行的稳定性和安全可靠性分析

离心压缩机是装置中关键设备，其安全性、可靠性、运转平稳性是保证机组长周期、长寿命安全可靠、连续运行的最重要目标，为实现这一目的，我厂在消化、吸收，引进技术的基础上用了近八年的时间，投入了大量的人力、物力、财力，与西安交通大学等院（校）所共同开发了达到世界先进水平或领先水平的计算软件包，并已成功地应用在产品设计上。

新开发的联接管线优化设计计算程序，尚属国内空白。它可自动优化布置设计管线走向及支吊架的位置、支承刚度，还可计算出管线的应力、自振频率、管端力、力矩大小，管路气体流动损失大小、定位键的应力大小等，从而提高了装置设计水平和机器运行的平衡性。

2 离心压缩机结构

沈鼓厂生产的各种系列离心压缩机主要结构件：机壳、隔板、叶轮、密封等都是在完善结构尺寸，系列规划后，建立起积木组合设计的结构型谱。所有系列化的结构元件都经过试验并实际验证过的。每个标准系列化元件图都存档案图库中，或存于电脑图库中，任何新参数，特殊工艺流程要求的压缩机，均能应用规划好的系列结构件，并积木式设计出新机组，可大大缩短设计周期和生产周期。针对氧压机的特殊特点，在设计制造中我们有所改进。

低压缸和高压缸均为水平剖分型，由上下机壳组成，系列机壳全部为焊接机壳，不仅外观美，且流道光滑，易于镀铜，两端轴承壳体采用铸钢并与下机壳焊接在一起，与上机壳分开，避免轴承壳体内油进入机壳内。上机壳在必要时可以很容易地进行拆卸与组装，便于维护、检修和使用。两缸四个轴端部位均为低温端，温度在42℃以下，因此，特别安全可靠。

隔板采用焊接隔板，与氧气接触的表面均镀铜。扩压器采用无叶扩压器，可以获得良好的喘振特性，与有叶扩压器相比，工作范围宽，安全可靠。级间及轴端密封全部采用拉别令密封。密封体用铜或铝合金材料，其中缸内密封为镶银片结构。这些特殊材料的应用，可使密封间隙小，内泄漏少，减少耗功。低压缸转子为四级两段，叶轮背靠背布置：高压转子为六级三段，叶轮可根据需要配置于末端或中间位置；这样，既可平衡轴向推力，又可降低轴端压差，减少外泄漏量。

径向轴承采用可倾瓦轴承，设在机壳的进口与出口侧，大轴承体上内衬有白合金。推力轴承采用金斯伯雷式，有主推力轴承和副推力轴承，既可承受气动平衡后的残余轴向推力，又可承受任何结构形式的联轴器在允许偏差内所引起的轴向推力。全部采用膜片联轴器，不用润滑，寿命长，为了防止感应电流，我们在变速要与低压缸间采用电气绝缘。压缩机各段气体管路都有接地要求。低压缸、高压缸、变速机采用整体底座。通过地脚螺栓固定在水泥基础上，底座下有高速垫铁，因此，安装方便。压缩机本体与底座之间设有横向导向键和纵向导向键，每个猫爪下面都设有高速螺钉和高速垫片，以便安装找正。

3 氧气透平压缩机辅机系统

氧气透平压缩机辅机系统有气体冷却器、润滑油装置、先进的自控系统等几大方面。氧压机的气体冷却器，采用填料函浮头式冷却器，管束为直管，氧气在管内流动，因为氧气的流动速度本身不能太高，氧气走管内可增大通流面积，降低流速，避免流动死区，也降低了气体的流动阻力，提高效率。此种结构、管整可以自由伸缩，避免了温差大引起的热胀应力。润滑油装置中油站为压缩机、电机轴承及齿轮供油。由油箱、油泵、油冷却器、油过滤器及排烟机等组成，按API614 标准设计、制造，两套油泵、油冷却器、油过滤器等互为备用，因此，润滑油装置可以在不停机的情况下进行检修和清洗，并保证供油系统安全可靠。在停电等情况下，油泵停止时，为保证压缩机停车前必需的供油，因此，设有高位油箱。自控系统能在事故状态下对氧压机实施保护，任何原因引起的事故停机，都需急速排出氧气，并立刻充氮，因此，停机联锁与排出氧气的阀门与充入氮气联锁。还能严防喘振，一是避免机件碰撞损坏，二是避免氧气湿度高，碰憧中引起机壳内部件发热和着火。每段出口处设置氧气温度检测，如果高于所规定温度以上便报警及联锁停机。轴振动及轴位移设置压缩机轴振动和轴位移监视还有轴承温度，以便在正常工作时检查和出现故障时报警及停车。

4 氧压机安全防火措施

氧压机与其他气体压缩机相比，核心问题就是防火问题。因此，怎样保证正常运转而不起火，是氧压机设计中的关键问题。

（1）机组入口设置了1 台独立的氧气过滤器，它对进入机组的氧气进行过滤，以免气体中灰尘、砂粒等杂物进入缸内，在高、低压缸之间也设置有过滤器，它一般装在气体管道中，以缩小装置的占地面积并使气管路大大简化。

（2）氧压机分若干段，在相邻两段间均设置气体冷却器1 台，它使上段出口的高温氧气冷却到规定的温度而进入下一段进口，在机组的出口也设置有1 台气体冷却器，它使机组出口的高温氧气冷却到规定的温度，然后输送到规定的流程中去。中间环节一旦有温度超高现象出现，我们还设置了相应的报警停机措施。

（3）在变速机与低压缸之间以及高低压缸间均采用膜片联轴器联接，它具有不需润滑，减振和寿命长等优点，其中，低压缸与变速机间的联轴器具有绝缘作用，防止主电机的静电流入氧压机缸办引起火花而燃烧。

（4）为减少缸内氧气外漏，使防火墙内的氧气万分不致过高，高、低压缸均采用了充气密封，把惰性气体（N2）引人端密封外侧的氮气腔室，汽缸内的氧气只能漏到轴端密封内侧的氧气腔室，处于中间的氮和氧的混合腔内的混合气体被引到室外放空，从而保证了防火墙内的氧气浓度始终在允许的范围内。

（5）压缩机的低压缸两轴端密封均有3 个腔，高压缸两轴端密封均有四个腔，其中最内侧的腔为高压缸高压氧气自动平衡腔，其他与低压缸同位。从内向外依次是氧气平衡腔、氮氧混合腔、氮气腔，其功能是靠一定压差封住压缩机内氧气，使氧气、混合气、氮气按设计规律进行流动。

（6）轴承箱的内侧油封也设有充氮气腔以阻止油气外漏。

（7）为了具有良好的密封性，机壳法兰中分面需要精加工，下机壳向外倾斜，其斜度一般为0.2%，再涂上水玻璃，具有良好的密封性。

（8）压缩机机壳隔板内表面，（配合面除外）均镀铜，防止机壳生锈产生的粉未与高温高压的纯氧接触而引起打火燃烧。

（9）转子、气管路及气体冷却器等与氧气直接接触的零部件全部采用不锈钢。

鉴于以上种种设计上的考虑，我厂设计生产的空分装置中的氧气压缩机已日渐成熟，我们将不断总结经验，特别是用户现场运行经验，借鉴国外的先进技术，继续完善氧压机的设计，使我厂的氧压机技术水平达到了国际先进水平。