加氢循环氢压缩机

加氢循环氢压缩机前言1、前言在加氢装置中循环氢的作用是保持反应系统氢分压、带走反应热以及控制反应床层温度，从而保证加氢反应的顺利进行。加氢装置的循环氢是靠压缩机来保证在系统中的循环的。因此加氢循环氢压缩机是加氢装置中最关键的动力设备，循环氢压缩机的运行可靠与否关系到加氢装置的正常运行。目前，随着加氢装置规模的不断大型化,循环氢需求也在不断增多，循环氢压缩机大多选择离心式压缩机。离心式压缩机的特点2、离心式压缩机特点如果将往复式压缩机与离心式压缩机相比较，则显示出离心式压缩机有以下特点。2.1离心压缩机的优点（1）流量大——离心式压缩机是连续运转的，汽缸流通截面的面积较大，叶轮转速很高，故气体流量很大。（2）转速高——由于离心式压缩机转子只做旋转运动，转动惯量较小，运动件与静止件保持一定的间隙，因而转速较高。一般离心式压缩机的转速为5000-20000r/min。离心式压缩机的特点（3）结构紧凑——机组重量和占地面积比同一流量的往复式压缩机小得多。（4）运行可靠——离心式压缩机运转平稳一般可连续一至三年不需停机检修，亦可不用备机。排气均匀稳定，故运转可靠，维修简单，操作费用低。2.2离心式压缩机的缺点（1）单级压力比不高。（2）由于转速高和要求一定的通道截面，故不能适应太小的流量(主要是避免压缩机发生喘振,如图2-1压缩机特性曲线所示)。离心式压缩机的特点图2-1压缩机特性曲线离心式压缩机的特点（3）效率较低，由于离心式压缩机中的气流速度较大等原因，造成能量损失较大，故效率比往复式压缩机稍低一些。（4）由于转速高、功率大，一旦发生故障其破坏性较大。离心式循环氢压缩机工作原理及结构类型3、离心式循环氢压缩机工作原理及结构类型3.1离心式循环氢压缩机的工作原理离心式压缩机是一种叶片旋转式压缩机（即透平式压缩机）。循环氢压缩机的工作原理与离心泵的工作原理基本相同，不同之处是离心泵的工作介质是液体，而循环氢压缩机的工作介质为加氢反应所需的氢气。工作时启动原动机使叶轮旋转，叶轮的叶片驱使气体一起旋转从而产生离心力，在此离心力的作用下，气体沿叶片流道被甩向叶轮出口，经蜗壳送入排出管。气体从叶轮处获得能量使压力能和动能增加，并依靠此能量到达工作地点。在气体不断地被甩向叶轮出口的同时，叶轮入口处就形成了低压区。离心式循环氢压缩机工作原理及结构类型输送气体在吸入管和叶轮之间就产生了压差，吸入管中的气体在这个压差的作用下不断地被吸入吸入室并进入叶轮中，致使循环氢压缩机能够连续工作。3.2氢气在离心式压缩机内的压缩在离心式循环氢压缩机中，高速旋转的叶轮向氢气所提供的能量主要取决于叶轮的圆周速度，受材料强度的限制，在循环氢压缩机中叶轮圆周速度一般按小于250~270m/s进行设计计算,每级叶轮所能提供的能量头约为3000Kg﹒m/Kg。在循环氢压缩机中通常用下式进行估算叶轮数量：离心式循环氢压缩机工作原理及结构类型Hpol=RT1·[kηpol/(k-1)][(P2/P1)(k-1)/(k·ηpol)-1]Kg·m/Kg式中Hpol——压缩机需要提供的能量头，Kg·m/Kg；R——气体常数，R=848/MWMW为气体分子量，对于循环氢来讲一般为2.015；P2——出口压力，MPa；P1——入口压力，MPa；T1——入口温度，K；K——绝热指数，循环氢一般取K=1.4；ηpol——多变效率；离心式循环氢压缩机工作原理及结构类型由上式可知，当气体分子量越小时，压缩气体所需的能量头越大、气体越难于压缩。对于离心式压缩机来讲每一壳体最大安装的叶轮数为10（对于循环氢压缩机最大叶轮数为6-8），所以循环氢压缩机压缩比一般不超过1.3；另外，加氢循环氢压缩机从开工初期的反应系统气密（介质为氮气N2），反应系统干燥，催化剂的预硫化（采用以循环氢为载硫介质的气相干法硫化方法）离心式循环氢压缩机工作原理及结构类型正常操作中的不同阶段（指因催化剂积炭活性降低引起循环氢流量改变，以及反应器床层积垢造成压力降加大）直到停工后在需要时催化剂采用氮气为热载体的器内再生阶段，循环氢压缩机所压缩气体分子量变化极大，循环氢压缩机是通过改变转数来适应各类不同工况要求（压缩机叶轮提供给介质的能量头理论计算为H=ψ2U22/g,其中ψ2称为能量头系数对于同一压缩机来讲是一常数；U2为叶轮出口圆周速度,m/s;g为重力加速度，9.8m/s2）。离心式循环氢压缩机工作原理及结构类型3.3离心式压缩机的类型离心式压缩机可分为水平剖分型离心压缩机（如MCL型）、垂直剖分型离心压缩机（如BCL型）及多轴型离心压缩机等。水平剖分型离心压缩机是指汽缸被剖分为上下两部分，通常被称为上下机壳，上下机壳用螺栓连接，便于检修（如图3-1所示为水平剖分的压缩机简图）。该结构的压缩机一般适用于中低压（低于5.0MPa）环境下。离心式循环氢压缩机工作原理及结构类型图3-1水平剖分离心式压缩机示意图离心式循环氢压缩机工作原理及结构类型垂直剖分型离心压缩机也就是筒形压缩机，上下剖分的隔板（用螺栓连成一个整体）和转子装在筒形汽缸内（如图3-2所示为筒形压缩机简图），汽缸两侧端盖用螺栓紧固。隔板与转子组装后，用专用工具送入筒形缸体内。检修时需要打开端盖，抽出转子与隔板，以便进一步分解检修。由于筒形汽缸的内压能力好、密封性及刚性好，对温度和压力所引起的变形比较均匀，因此适用于压力较高或易泄漏的循环氢压缩机。离心式循环氢压缩机工作原理及结构类型图3-2筒形压缩机结构简图图3-2筒形压缩机及其外壳示意图离心式循环氢压缩机工作原理及结构类型多轴式离心压缩机是指一个齿轮箱中由一个大齿轮驱动几个小齿轮轴，每个轴的一端或两端安装一级叶轮。这种压缩机轴向进气、径向排气，通过管道将各级叶轮连接在一起。通过不同齿数的齿轮，使从动轴获得不同的转速，从而使不同级的叶轮均能在最佳状态下运行，中间冷却器设在机体下面，每级压缩后的气体经过一次冷却经过一次冷却后进入下一级，机组效率较高。这种结构的压缩机结构简单、体积小，仅适用与中低压的空气、蒸汽或者惰性气体的介质。循环氢压缩机的主要部件及作用循环氢压缩机的结构应按照API617的规定条款进行设计、制造。循环氢压缩机主要部件有壳体和转子。3.3.1循环氢压缩机壳体按照API617的规定，当压缩介质中氢分压大于1.38MPa时，其壳体应采用垂直剖分结构，即筒形设计。对于加氢循环氢压缩机设计规定要采用双壳体筒形结构。循环氢压缩机的壳体是由外壳、内壳及头盖组成。壳体具有承受介质压力，保证密封性能，对轴承、轴封及转子等支撑和定位，提供平滑的气体通道等作用。循环氢压缩机的主要部件及作用1、外壳循环氢压缩机的外壳通常为整体锻件或者钢板卷焊件，或者部分锻件和卷焊件结合使用。而对于加氢裂化循环氢压缩机的设计压力都在10MPa以上，其外壳一般都是使用锻钢。根据工艺的要求外壳上上除进出口外还可以加上抽出口或补入口，所有开口必须焊接在外壳上。目前大多数制造企业按照叶轮标准化的结构尺寸，确定外壳的尺寸，并相应标准化、形成系列。循环氢压缩机的主要部件及作用2、内壳循环氢压缩机内壳一般为轴向剖分，转子在内壳抽出后可以整体吊装，内壳仅承受内外壳体的压差。内壳和转子也可以完全在外部整体装配、调整。内壳的两部分通常整体锻造也可以分段锻造，各段间的垂直剖分面上用螺栓进行紧固。所有静止原件（如回流器、弯道及扩压器等）全部安装在内壳上。内壳与外壳内表面间采用O形密封，也有采用类似活塞环的金属密封圈。循环氢压缩机的主要部件及作用3、头盖外壳两端应与头盖连接，连接要考虑操作压力下的气密性、装入和抽出转子的方便性以及在抽出内壳时尽可能减少拆卸辅助管线等因素。如图3-1所示为目前循环氢压缩机头盖的3种主要形式，即两端头盖式，一端头盖式及一端大盖、一端小盖的结构，最广泛的使用是两端头盖式。循环氢压缩机的主要部件及作用两端头盖式一端头盖式一端大头盖、一端小头盖图3-1循环氢压缩机外壳3种头盖形式循环氢压缩机的主要部件及作用头盖与壳体的密封结构主要是传统的螺栓加O型圈的连接方式（如图3-2所示）和剪切环结构（如图3-3所示）。采用螺栓加O型圈连接的头盖而不使用金属垫片密封主要因为金属垫片的密封预紧力较难控制。剪切环结构是美国D-R公司专利。剪切环通常由4段组成，装入壳体上的槽内，压力侧通过头盖的作用力和保持环的反作用力组成的力矩被反力矩平衡，两者互相垂直，分段的剪切环均匀受力不会弯曲，同时剪切环不会因弹性变形而使头盖沿轴向运动。剪切环还具有拆装方便、减少螺栓连接中对紧固扭矩的控制要求。循环氢压缩机的主要部件及作用图3-2O型圈密封图3-3剪切环结构循环氢压缩机的主要部件及作用3.3.2循环氢压缩机转子循环氢压缩机转子包括叶轮、轴、推力盘、轴套平衡活塞及半连轴节等。转子是压缩机的核心部件，压缩机的性能主要取决于转子上叶轮的形式、数量和转速，压缩机操作的平稳和可靠则取决于转子动力学的计算及参数的合理选择。循环氢压缩机的主要部件及作用（1）叶轮叶轮是离心式压缩机中唯一的作功部件。气体进入叶轮后，在叶片的推动下跟着叶轮旋转，由于叶轮对气流作功，增加了气流的能量，因此气体流出叶轮时的压力和速度均有所增加。循环氢压缩机采用的是闭式叶轮，流量系数一般在0.01~0.05左右，属于低比转速叶轮。对于大型循环氢压缩机叶轮通常采用焊接或铸造方式，目前国内（沈鼓）一般采用焊接方式。叶轮的直径、流量系数、叶片形状三者的组合可以达到理想的性能和效率。循环氢压缩机的主要部件及作用叶轮还应进行三维的有限元应力和应变分析，并计算和分析在最大圆周速度下叶轮应力和变形。为保证叶轮的气动通道及详细尺寸和性能，所有叶轮均在数控机床上进行加工，叶轮形状均按计算机优化设计的结果精密制造成型，制造过程中对叶轮材料进行严格的检查，每次焊接后要进行磁粉探伤检查，每次热处理后也要进行磁粉探伤，在最终安装在转子上以前、经过动平衡及超速试验后还要进行磁粉探伤。循环氢压缩机的主要部件及作用叶轮在轴上的安装，通常为热压配合和键或径向销的组合。为保证叶轮在任何速度下不至于松动，通常在叶轮背部的过赢量为0.0025D、入口处为0.002D（安装处直径），这是考虑到叶轮孔的冷却速度不同以及和轴肩处固紧不产生间隙，如图3-4所示。循环氢压缩机的主要部件及作用图3-4叶轮在轴上的安装循环氢压缩机的主要部件及作用（2）主轴主轴是压缩机主要传动部件。主轴应为整体锻件，经严格的热处理及精密加工，达到要求的尺寸精度和表面光洁度，在安装轴振动及轴位移探头处应按照要求进行去磁处理，以限制该处的磁跳动。由于循环氢压缩机介质的分子量较小，要求的压缩比一般不大于1.3，因而正常不采用背靠背的叶轮布置来平衡轴向力，而是用平衡盘或平衡活塞。如果平衡盘或平衡活塞与轴不做成整体，应对其固定方式认真复核。循环氢压缩机的主要部件及作用（3）半连轴节和轴套半连轴节的形式通常为挠性齿式或无润滑膜片连轴节。轴套是为保护轴不受磨损和腐蚀，在中间级密封处、轴端密封处应装设可拆换的轴套，轴套和轴组装时不应使转子发生暂时和永久变形。循环氢压缩机的主要部件及作用（4）推力盘和轴承推力盘叶轮一开始旋转，就受到指向吸入侧的力，这主要是因为轮盖和轮盘上作用的压力不同造成推力不等的原因。作用在叶轮上的轴向推力，将轴和叶轮沿轴向推移。一般压缩机的总推力指向压缩机进口，为了平衡这一推力，安装了平衡盘和推力轴承，平衡盘平衡后的残余推力，通过推力盘作用在推力轴承上。推力盘采用锻钢制造而成。推力盘的作用是将平衡盘剩余的轴向力传递给止推轴承。通常推力盘与轴采用过盈配合并用键固定（如图3-5所示）。图3-5推力盘简图循环氢压缩机的主要部件及作用轴承轴承是压缩机机一个重要的部件，分为径向支持轴承和推力轴承两种类型，它们用来承受转子的全部重力并且确定转子在汽缸中的正确位置。支撑轴承也叫径向轴承，径向轴承承受压缩机转子的重力及其它径向力，为了保证其在轴承中能形