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压缩机基础理论及应用压缩机基础理论及应用 2 压缩空气作为动力 使气体液化（LPG、LNG） 压缩气体利于合成 （石油化工） 输送气体（CNG） 吹瓶 （PET） 压缩机的用途压缩机的用途 3 压缩机分类压缩机分类 往复活塞式压缩机的主要零部件及压缩机组往复活塞式压缩机的主要零部件及压缩机组 往复活塞式压缩机的基本工作原理及主要参数往复活塞式压缩机的基本工作原理及主要参数 常见故障的判断和分析常见故障的判断和分析 压缩机故障的数据采集压缩机故障的数据采集 内容提要内容提要 4 容积式压缩机容积式压缩机往复活塞式压缩机、膜式压缩机 回转式压缩机(转子式、滑片式、液 环式、罗茨鼓风机、螺杆式) 速度式压缩机速度式压缩机离心式压缩机 轴流式压缩机 喷射泵 压缩机分类压缩机分类 5 活塞式压缩机活塞式压缩机膜式压缩机膜式压缩机 6 2.5.3 罗茨鼓风机罗茨鼓风机 y 滑片式压缩机滑片式压缩机 转子式压缩机转子式压缩机 螺杆式压缩机螺杆式压缩机 7 离心式压缩机轴流式压缩机离心式压缩机轴流式压缩机 2.5.5 8 1. 按排气压力分：按排气压力分： 1000bar超高压压缩机 2. 按排气量分：按排气量分： 60 Nm3/min大型压缩机 活塞式压缩机的分类活塞式压缩机的分类 9 3. 按气缸中心线与地平面的相对位置分：按气缸中心线与地平面的相对位置分： W型 V型 立式 卧式 10 4. 按压缩级数分：按压缩级数分： 单级压缩机 两级压缩机 多级压缩机 5. 按活塞在气缸内实现的气体压缩循环分：按活塞在气缸内实现的气体压缩循环分： 单作用式压缩机 双作用式压缩机 级差式压缩机 11 单作用式往复机单作用式往复机 驱动装置气缸 双作用式往复机双作用式往复机 盖侧 轴侧 “曲拐”“十字头” 驱动装置气缸 12 级差式压缩机级差式压缩机级差式压缩机级差式压缩机 1级2级 3.3.3 13 6. 按列数分：按列数分： 单列压缩机 两列压缩机 多列压缩机 14 有油润滑压缩机和无油润滑压缩机 有十字头和无十字头压缩机 空冷压缩机和水冷压缩机 固定式压缩机和移动式压缩机 活塞式压缩机的其它分类方法活塞式压缩机的其它分类方法 15 ?机 身、中体、气缸、缸套 ?曲 轴、连杆、十字头 ?活塞、活塞杆 ?气阀 ?活塞环、支承环 ?填料、刮油环、挡油环 压缩机的主要零部件及易损件压缩机的主要零部件及易损件 16 2.4.2 曲轴 十字头滑道 活塞 连杆大头瓦 活塞杆 连杆 连杆小头瓦 主轴承十字头 十字头销 往复活塞式压缩机往复活塞式压缩机 17 曲轴 十字头滑履 连杆大头瓦 连杆 曲轴箱 十字头销 十字头 连杆小头瓦 连杆螺栓 十字头滑道 主轴承 18 曲轴 机身材料: 一般为铸铁 也有焊接式 曲轴材料: 45#, 42CrMo 锻件; 球铁 主轴承: 滚动轴承 滑动轴承 主轴承 机 身 机身、曲轴机身、曲轴 19 刮油填料盒 1212 主填料盒 活塞杆活塞杆 挡油圈中间填料盒 中体中体 20 3.3.1 冷却水管 气缸直径 吸气管道 排气管 排气阀阀窝 排气阀 压阀罩 阀压盖 阀压盖 压阀罩 吸气阀 吸气阀阀窝 活塞 活塞环 气缸盖 缸套 卸荷器执行机构 卸荷器 活塞杆 中体 填料 气缸气缸 21 易于气阀拆装 减小气流在气阀和阀窝中的损失 余隙容积小 气缸设计要求气缸设计要求: 3.3.4 气缸中的阀窝和压阀罩气缸中的阀窝和压阀罩 22 盖侧 轴侧 盖侧 轴侧 3.3.2 API: 70 bar : 铸钢 180 bar: 锻钢 国内: 50 bar : 铸钢 100 bar : 锻钢 气缸材质气缸材质 23 缸套缸套 缸套材质通常为铸铁，也有铸钢的。 为保证常用的非金属活塞环的长周期运行，通常希望表面不镀铬。 3.3.11 缸套缸套 24 连杆体材料:45#锻件; 合金钢锻件; 球铁;锻铝 连杆螺栓材料: 优质合金钢40Cr, 35CrMoA 小头瓦材料:铜合金;钢浇巴氏合金 大头瓦:一般与主轴承相同 3.2.5 连杆连杆 25 十字头材料:铸钢,铸铁; 十字头销材料:45#或合金钢表面淬火 十字头销 3.2.6 十字头的作用: 气缸利用率高 气体泄漏少 润滑油可控制 导向作用使气缸与活塞磨损小 一般用于工艺压缩机、中型空压机. 十字头十字头 26 活塞型式： 筒形活塞 盘形及鼓形活塞 级差式活塞 柱塞 活塞材质： 铸铝 ; 灰铸铁 ;20#16Mn焊接 ; 锻钢 ; 35(38)CrMoAIA 3.3.12 活塞活塞 27 第四级 第三级 平衡腔 级差式活塞级差式活塞 28 第二级 第一级 倒级差式活塞倒级差式活塞 29 活塞杆材料一般为35，45钢，填料配合处表面淬火 高压和腐蚀气体时，用38CrMoAlA，表面氮化处理;国外 多用合金钢锻件，如42CrMo调质后表面淬火或TC3处理。 3.3.16 活塞杆 活塞杆活塞杆 30 漏气回收 冷却水 越程问题 余隙改变问题 活塞环支承环和填料活塞环支承环和填料 31 驱动机 压缩机主机 气路系统 润滑系统-气缸填料 (注油器)；运动件 (主/辅泵) 冷却系统-气缸填料 (软化水)；冷却器等（循环水） 仪控系统 压缩机组的构成压缩机组的构成 32 电动机0.57000kW 80%的压缩机采用电机驱动 内燃机500kW 多用于小型压缩机装置 汽轮机4002500kW 采用汽轮机驱 动的压缩机 采用汽轮机驱 动的压缩机 压缩机的驱动方式压缩机的驱动方式 33 ? 主工艺气管线： 进气过滤器、缓冲器、冷却器、分离器等 气量调节系统 ? 充氮管线 ? 卸荷风管线 ? 放空和排污管线、集油器 ? 阀件 气路系统组成气路系统组成 34 进气缓冲罐 排气缓冲罐 缓冲罐缓冲罐 35 3.5.2 级间冷却的目的： 减少能耗 增加压缩机各级的质量流量 控制排气温度 冷却方式：冷却方式： 水冷，空冷，油冷水冷，空冷，油冷 热量分布: 80% 由冷却系统带走 6% 被气缸、气缸盖吸收 10% 被润滑油或通过散热传递给外界 4% 留在气体内 冷却的作用冷却的作用 36 QQ 1st stage2ndstage3rdstage 3 bar8 bar22 bar 1 bar3 bar8 bar 2.3.1 多级压缩多级压缩 37 p 1级压缩曲线 1级 volume pressure V 2ndstage 2级压缩曲线 单级压缩压比很大 通过中间冷却节省的压缩功 减去 级间冷却器产生的损耗 2级 1、2级级间冷却 多级压缩多级压缩 38 分离器 从介质中去除冷凝物,通过: 过滤方式 离心力 如果分离不足 冷凝物会通过气体带入气缸 结果 产生液击现象! 气体中的液体会损坏活塞,气缸和气阀 由于液击损坏进气阀: 引起导向臂,阀座的损坏 空冷式气液分离器，冷凝水放空阀 建议:压缩机用户定期检查冷却分 离系统!3.5.3 分离器的作用分离器的作用 39 过滤式离心式过滤式离心式 通过过滤元件将液滴留在滤芯上, 然后流到筒的下部。 通过过滤元件将液滴留在滤芯上, 然后流到筒的下部。 通过离心力将重的液滴流到筒的下部通过离心力将重的液滴流到筒的下部 气液分离器气液分离器 40 3.6.4 卸荷器调节 旁通调节 变转速调节 M Quantity Compressor delivery pressure 余隙腔调节 气量调节系统气量调节系统 41 HydroCOM 无级气量调节HydroCOM 无级气量调节 3.6.6 42 3.6.7 膜式气缸 卸荷器 进气阀 开关式卸荷器气量调节开关式卸荷器气量调节 43 M Receiver Controller p2 Capacity Control Types Regulation Components on the Compressor Capacity Control Types Regulation Components on the Compressor 卸荷风管线 3.6.1 卸荷风管线卸荷风管线 44 充氮管线 排污管线 放空管线 放空、充氮和排污管线放空、充氮和排污管线 45 油过滤器 用于气缸润滑的注油器， 气缸润滑用高压柱塞泵。 用于气缸润滑的注油器， 气缸润滑用高压柱塞泵。 油冷却器 曲柄润滑系统， 由油站系统完成 气缸润滑系统 曲轴箱润滑系统的主油泵 及辅助油泵 3.4.1 润滑系统润滑系统 46 提供提供 曲轴轴承 连杆大头、小头轴承 十字头导向 其他辅助设备等部件的润滑 润滑油由润滑油由 齿轮泵提供, 齿轮泵由曲轴驱动 油压: 2 - 6 bar 曲轴箱润滑油曲轴箱润滑油: DIN 51501 也常用SAE标明粘度等级 3.4.2 曲柄机构润滑系统曲柄机构润滑系统 47 提供活塞和填料的润滑。 通常采用曲轴箱及气缸都能用的润滑油， 通常国内用L-DAB150 。 润滑油的选择依赖于: 气体介质，它的溶解润滑剂的能力 最大工作压力及温度 压缩机的设计 润滑油由润滑油由 高压活塞式注油泵提供。 3.4.3 气缸过量润滑应避免。（气阀延迟关闭、积碳、液击、阻塞冷却器管道等）气缸过量润滑应避免。（气阀延迟关闭、积碳、液击、阻塞冷却器管道等） 氧压机气缸必须全无油，气阀等配件应作严格除油脱脂氧压机气缸必须全无油，气阀等配件应作严格除油脱脂 气缸润滑系统气缸润滑系统 48 泵到点式润滑方式 递进式润滑方式 摩托压缩机组 Manzel兄弟公司建于1898年，该公司产品主要是蒸汽机的自动润滑设备， 此后该公司发展为内燃机和压缩机自动润滑系统设备的主要供货商。 Trabon机械制造公司建于1927年，该公司主要为汽车工业生产单向逆止式润 滑机械。 1971年，两家公司被整合, 成立LUBRIQUIP公司 。IDEX公司于1988年收 购LUBRIQUIP公司，IDEX公司是纽约股票交易所的上市公司，其股票代号为 “IEX ” 。 1989年8月，LUBRIQUIP公司收购了位于威斯康星州Madison 市的KLS润 滑系统制造公司， 该公司为世界知名的电控润滑系统制造商。 目前，LUBRIQUIP公司整合了Manzel兄弟公司、Trabon机械制造公司、 Madison-Kipp集团三家单位的润滑产品设备与人力资源，使得LUBRIQUIP公 司发展成为全球知名的自动集中润滑系统设备供应商。 Lubriquip的历史的历史 49 泵到点润滑方式 递进式润滑方式 摩托压缩机组 泵到点润滑方式 递进式润滑方式 摩托压缩机组MBL系列注油器 最高压力：520bar 注 油 量： 1-27滴/转可调 输入转速：3-15转可选 泵到点式润滑系统泵到点式润滑系统 50 泵到点润滑方式 递进式润滑方式 摩托压缩机组 泵到点润滑方式 递进式润滑方式 摩托压缩机组 MH系列分配阀 最高压力：520bar 常在进口机中使用，结构紧 凑，自动化程度高 递进式润滑系统递进式润滑系统 51 泵到点润滑方式 摩托压缩机组 泵到点润滑方式 摩托压缩机组 递进式润滑方式递进式润滑方式 沈气4M80/4M40压缩机用。锦西石化2003年6月安装使用，2004年月又购6 台套用于剩余机组。锦州石化新上项目采购使用7台套，共15台套。 最高应用压力：420bar 注油量：14-84滴/分钟可调 部分业绩部分业绩1-锦西石化锦西石化/锦州石化锦州石化 52 泵到点润滑方式 摩托压缩机组 泵到点润滑方式 摩托压缩机组 递进式润滑方式递进式润滑方式 齿轮减速机、底板和联轴器为国内采购件，公司内部进行组装 和测试。如不安装电加热器等附件。 部分业绩部分业绩1-锦西石化锦西石化/锦州石化锦州石化 53 泵到点润滑方式 摩托压缩机组 泵到点润滑方式 摩托压缩机组 递进式润滑方式递进式润滑方式沈气4M50压缩机用。天津石化2004年4月安装使用，2004年4-12月又购6台 套用于剩余机组，抚油三厂8月订购1台套。 最高应用压力：520bar 注油量：5-30滴/分钟可调 部分业绩部分业绩2-天津石化天津石化/抚油三厂抚油三厂 54 泵到点润滑方式 递进式润滑方式 摩托压缩机组 泵到点润滑方式 递进式润滑方式 摩托压缩机组 立式结构，使用蜗杆减速机 部分业绩部分业绩2-天津石化炼油厂天津石化炼油厂 55 冷却系统分为:冷却系统分为: 软化水系统： 冷却气缸，缸头，填料，一般为闭式循环，由水站系统完成。 软化水系统： 冷却气缸，缸头，填料，一般为闭式循环，由水站系统完成。 循环水系统： 冷却压缩机级间冷却器，水站冷却器，油站冷却器， 电机冷却器等，一般为开式循环。 循环水系统： 冷却压缩机级间冷却器，水站冷却器，油站冷却器， 电机冷却器等，一般为开式循环。 冷却系统冷却系统 56 为保证压缩机安全运行,通常需监测项目: 1)各主轴承处温度 2)各级进、排气温度及压力 3)冷却、润滑系统在各进出口部位的温度及压力 4)各过滤器压差 5)气缸填料温度 6)活塞杆下沉量 7)机身振动 为使压缩机正常运行,通常需控制: 1)气动卸荷器 2)调速电机 3)报警和连锁停机 仪控系统仪控系统 57 通过曲轴连杆机构将旋转运动转化为往复运动 2.1.1 活塞式压缩机的工作原理活塞式压缩机的工作原理 58 膨胀过程膨胀过程 吸气过程吸气过程 压缩过程压缩过程 排气过程排气过程2.1.4 59 排气压力 排气温度 排气量 功率和效率 压缩机的主要技术参数压缩机的主要技术参数 60 压缩机的排气压力由压缩机排气系统内的气体压力决定，即由“背压”决定。 排气温度可以计算校核，T2T1(P2/P1)k-1/k 排气温度应进行监控： 排气温度过高会造成润滑油润滑性能下降，润滑油积碳堵塞阀槽，活塞环软 化或加速磨损，非金属阀片融化等。 排气压力排气压力/温度温度 61 排气量通常指标准吸气状态下(1大气压，0 oC, 0%)的气量, Nm3/min 热力计算时是要把它转换到入口状态下的气量( Vm )。 m s si s si si s i oidi ti V T T P P V = 11 1 Vt -气缸的行程容积气缸的行程容积 di -i级干气系数 级干气系数 o i -i级抽气系数 级抽气系数 Ps1 Psi -I级和级和i级公称吸气压力级公称吸气压力 Ts1Tsi -I级和级和i级公称吸气温度级公称吸气温度 K s1 si-I级和 级和i级在吸气状态下 的压缩性系数 级在吸气状态下 的压缩性系数 Vt -气缸的行程容积气缸的行程容积 di -i级干气系数 级干气系数 o i -i级抽气系数 级抽气系数 Ps1 Psi -I级和级和i级公称吸气压力级公称吸气压力 Ts1Tsi -I级和级和i级公称吸气温度级公称吸气温度 K s1 si-I级和 级和i级在吸气状态下 的压缩性系数 级在吸气状态下 的压缩性系数 i -i级的排气系数级的排气系数, i= v p T g v-i级的容积系数级的容积系数 p-i级的压力系数 级的压力系数 T-i级的温度系数 级的温度系数 g -i级的泄漏系数级的泄漏系数 在其它设计参数不变的情况下在其它设计参数不变的情况下,容积系数对气量 影响最大 容积系数对气量 影响最大,其次是泄漏系数其次是泄漏系数 排气量排气量 62 v=1- x (1/m-1) -相对余隙容积 - 名义压力比 m-膨胀指数 ; ;越大,容积系数越小; m 越大,容积系数越大 p-V 图图 行程容积 Vswept 吸气容积 Vsuction Pressure p Shown in ideal form 0Crank angle 180 360 余隙容积Vc TDC BDC v = Vsuction Vswept = Vc Vswept 容积系数容积系数 63 压缩机泄漏分为两种: ?外泄漏-直接漏入大气或一级进气管线 一级进,排气阀 一级活塞环 各级填料 ?内泄漏 其余级的进排气阀 其余级的活塞环 ?外泄漏越大,泄漏系数越小,排气量越小; ?内泄漏不直接影响排气量,但影响级间压比,排气温度和功率 泄漏系数泄漏系数 64 指示功率Ni-实际循环消耗的功率(包括气阀的功率损耗)指示功率Ni-实际循环消耗的功率(包括气阀的功率损耗) si din n pvtsi n n VPN = 1 1 100 1 KwKw 摩擦功率 -克服机械摩擦消耗的功率 轴功率指示功率+摩擦功率+轴驱动设备耗功 = 指示功率/机械效率 原动机功率=(1.051.2)倍(轴功率/传动效率) 一般估算：机械效率 -大型压缩机:0.90.95; 小型:0.850.9; 微型:0.80.87 传动效率-0.960.99 原动机功率=(1.051.2)倍(轴功率/传动效率) 一般估算：机械效率 -大型压缩机:0.90.95; 小型:0.850.9; 微型:0.80.87 传动效率-0.960.99 功率和效率功率和效率 65 1.2.5 整个进排气功效损失发生在.气阀功效损失发生在气阀内整个进排气功效损失发生在.气阀功效损失发生在气阀内 排气腔内 管线 缓冲罐内 进气腔内 阀窝内 排气阀内 进气阀内 阀窝内 进气阀:进气阀: 吸气过程 排气阀排气阀: 排气过程 进排气功效损失的组成进排气功效损失的组成 66 当氢气阀用于氮气试车工况时，往往会出现阀损急剧加大，导致: 1.进气阀最小卸荷力加大, 出现无法用卸荷器卸荷的现象 ; 2.排气温度急剧上升； 3.轴功率急剧上升; 4.气阀弹簧不匹配。 解决方案: 1. 降低进气压力，同时降低排气压力; 2. 压缩机起动时，不采用卸荷器卸荷，而采用旁路卸荷等。 当氢气阀用于氮气试车工况时当氢气阀用于氮气试车工况时 67 惯性力：由往复和不平衡旋转质量造成的 气体力：由气体压力所造成的作用力 摩擦力：由接触表面相对运动时产生的 压缩机中的作用力压缩机中的作用力 68 活塞杆受力= 活塞杆受力= 气体力气体力 + + 惯性力惯性力 活塞杆受力活塞杆受力 69 设计压缩机时必须保证活塞杆足够的变向负荷作用时间。 活塞杆的负荷变向保证了十字头销上的润滑油膜的维持。 否则会造成连杆轴承咬死损坏，以及其它一系列故障。 2.4.6 -200 -100 0 100 200 TDC BDC TDC Load- reversal 受压受压 受拉受拉 改变压缩机的工况参数 改变压缩机的负荷调节方式 改变压缩机的余隙容积 均有可能会改变活塞杆的变向负荷作用时间. 因此需要经过主机厂的复算因此需要经过主机厂的复算。 活塞杆的负荷变向活塞杆的负荷变向 70 图中轴侧气缸卸载时图中轴侧气缸卸载时, 反向负荷作用时间为零反向负荷作用时间为零,会造成十字头销润滑不良会造成十字头销润滑不良. 2.4.7 某一气缸卸载时的活塞杆受力某一气缸卸载时的活塞杆受力某一气缸卸载时的活塞杆受力某一气缸卸载时的活塞杆受力 71 气缸直径 D 活塞行程 s 转速 n 活塞平均速度 vm=s n/30 气体组份. 当实际工况发生重大改变时,如:各段气体成分改变;中间抽气量改变; 排气压力改变或气量调节引起压力比重新分配等, 压缩机的各项性能 参数都会发生变化，气阀也需要重新校核。 当实际工况发生重大改变时,如:各段气体成分改变;中间抽气量改变; 排气压力改变或气量调节引起压力比重新分配等, 压缩机的各项性能 参数都会发生变化，气阀也需要重新校核。 压缩机的其它参数压缩机的其它参数 72 现象: 1. 排气温度升高 2. 级间排气压力升高 3. 排气量不够 4. 轴功率超标 5. 填料温度高或磨损严重 压缩机常见故障的判断和分析压缩机常见故障的判断和分析 73 气阀、环与填料是活塞式压缩机三大主要易损件，它们的性能直接 影响到压缩机的： 可靠性，寿命 性能-排气温度、功率、排气量 反过来，压缩机工作状态是否正常或设计是否合理也会 直接影响到气阀、环与填料的性能、可靠性和寿命。 反过来，压缩机工作状态是否正常或设计是否合理也会 直接影响到气阀、环与填料的性能、可靠性和寿命。 74 分析步骤: 1) 从整体看-介质;工况参数;气,水,油三大流程; 2) 从局部看-气阀,活塞环,填料是否有泄漏 安装问题,材料变性 75 一、排气温度高T2T1(P2/P1)( k-1)/k 1) 介质 2) 进气温度高 系统进气温度升高 前级冷却器或气缸冷却得不好 平衡腔的影响 进气阀泄漏 排气阀泄漏-会使排气温度急剧升高 活塞环泄漏 余隙容积过大 76 3) 压力比升高 系统进气压力降低 系统排气压力升高 本级排气管线阻力大 本级进排气阀阀损大 后一级进气阀泄漏 4) 润滑失效 气缸内断油 润滑油乳化 77 二、级间排气压力升高 1) 系统排气压力升高越靠近末级压力升高越多 2) 一级吸气压力过高 3) 前一级冷却不足 4) 本级排气管线阻力大 5) 后一级进气阀泄漏 6) 本级活塞环或排气阀的内泄漏 78 三、排气量不够 1) 介质,工况参数改变 2) 旁路阀有无泄漏 3) 进气压力降低 系统进气压力降低 进气阀阀损过大 m s si s si si s i oidi ti V T T P P V = 11 1 79 4) 排气压力升高 5) 压缩机的外泄漏 一级进排气阀泄漏 一级活塞环泄漏 填料,管线外泄漏 6) 一级余隙容积加大 7) 中间抽气量加大 8) 转速降低 80 四、轴功率超标 1) 进气压力过低(对循环机) 系统进气压力降低 进气阀阀损过大 2) 系统排气压力升高 3) 除一级外的活塞环或气阀的内泄漏 4)