機(jī)械蒸汽再壓縮原理

機(jī)械蒸汽再壓縮原理

1、原理

利用高能效蒸汽壓縮機(jī)壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的二次蒸汽，提高二次蒸汽的焓，提高熱焓的二次蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)作為熱源循環(huán)使用，替代絕大部分生蒸汽，生蒸汽僅用于系統(tǒng)初啟動用、補(bǔ)充熱損失和補(bǔ)充進(jìn)出料溫差所需熱焓，從而大幅度降低蒸發(fā)器的生蒸汽消耗，達(dá)到節(jié)能目的。

根據(jù)波義耳定律原理，當(dāng)稀薄的二次蒸汽在經(jīng)體積壓縮后其溫度會隨之升高，從而實現(xiàn)將低溫、低壓的蒸汽變成高溫高壓的蒸汽，進(jìn)而可以作為熱源再次加熱需要被蒸發(fā)的原液，從而達(dá)到可以循環(huán)回收利用蒸汽的目的。

2、工藝流程

壓縮機(jī)詳解

1.壓縮機(jī)

用來壓縮氣體借以提高氣體壓力或輸送氣體的機(jī)械稱為壓縮機(jī)。也有把壓縮機(jī)稱為“壓氣機(jī)”和“氣泵”的。提升的壓力小于0.2MPa時，稱為鼓風(fēng)機(jī)。提升壓力小于0.02MPa時稱為通風(fēng)機(jī)。

（1）壓縮機(jī)分類

• 按工作原理分類

  容積式壓縮機(jī)：直接對一可變?nèi)莘e中的氣體進(jìn)行壓縮，使該部分氣體容積縮小、壓力提高。其特點是壓縮機(jī)具有容積可周期變化的工作腔。

  
  

  動力式壓縮機(jī)：它首先使氣體流動速度提高，即增加氣體分子的動能；然后使氣流速度有序降低，使動能轉(zhuǎn)化為壓力能，與此同時氣體容積也相應(yīng)減小。其特點是壓縮機(jī)具有驅(qū)使氣體獲得流動速度的葉輪。動力式壓縮機(jī)也稱為速度式壓縮機(jī)。

• 按排氣壓力分類

• 按壓縮級數(shù)分類

• 按容積流量分類

• 幾種特殊的壓縮機(jī)

離心壓縮機(jī)

離心壓縮機(jī)是產(chǎn)生壓力的機(jī)械，是透平壓縮機(jī)的一種。透平是英譯音“TURBINE”，即旋轉(zhuǎn)的葉輪。

離心壓縮機(jī)：指氣體在壓縮機(jī)中的運(yùn)動是沿垂直于壓縮機(jī)軸的徑向進(jìn)行的。所以也稱徑流壓縮機(jī)。

1.離心式壓縮機(jī)工作原理

具有葉片的工作輪在壓縮機(jī)的軸上旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入工作輪的氣體被帶著旋轉(zhuǎn)，增加了動能（速度）和靜壓頭（壓力），然后出工作輪進(jìn)入擴(kuò)壓器內(nèi)，在擴(kuò)壓器內(nèi)氣體的速度轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫ΓM(jìn)一步提高壓力，經(jīng)過壓縮的氣體再經(jīng)彎道和回流器進(jìn)入下一級葉輪進(jìn)一步壓縮至所需的壓力。

氣體在葉輪中提高壓力的原因有兩個：一是氣體在葉輪葉片作用下，跟著葉輪做高速的旋轉(zhuǎn)，而氣體由于受旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力的作用使氣體的壓力升高；二是葉輪是從里到外逐漸擴(kuò)大的，氣體在葉輪里擴(kuò)壓流動，使氣體通過葉輪后壓力提高。

2.離心式壓縮機(jī)分類

（1）按軸的型式分：

單軸多級式，一根軸上串聯(lián)幾個葉輪；雙軸四級式，四個葉輪分別懸臂地裝在兩個小齒輪的兩端，旋轉(zhuǎn)靠電機(jī)通過大齒輪驅(qū)動小齒輪。

（2）按氣缸的型式分：水平剖分式和垂直剖分式。

（3）按級間冷卻形式分類：

級外冷卻，每段壓縮后氣體輸出機(jī)外進(jìn)入冷卻器；機(jī)內(nèi)冷卻，冷卻器和機(jī)殼鑄為一體。

（4）按壓縮介質(zhì)分類：

空氣壓縮機(jī)、氮氣壓縮機(jī)、氧氣壓縮機(jī)等。

3.離心式壓縮機(jī)的特點

（1）優(yōu)點：

• 由于是連續(xù)旋轉(zhuǎn)式機(jī)械，可以大大地提高進(jìn)入其中的工質(zhì)量，提高功率。所以，離心式壓縮機(jī)的第一個特點是：功率大。

• 由于工質(zhì)量可以提高，必然導(dǎo)致葉片轉(zhuǎn)速的提高，所以第二個特點是高速性。

• 無往復(fù)運(yùn)動部件，動平衡特性好，振動小，基礎(chǔ)要求簡單；

• 易損部件少，故障少、工作可靠、壽命長；

（2）缺點：

• 單機(jī)容量不能太小，否則會使氣流流道太窄，影響流動效率；

• 因依靠速度能轉(zhuǎn)化成壓力能，速度又受到材料強(qiáng)度等因素的限制，故壓縮機(jī)每級的壓力比不大，在壓力比較高時，需采用多級壓縮；

• 特別情況下，機(jī)器會發(fā)生喘振而不能正常工作；

4.離心機(jī)壓縮機(jī)的工作原理分析

（1）常用名詞解釋：

• 級：每一級葉輪和與之相應(yīng)配合的固定元件（如擴(kuò)壓器等）構(gòu)成一個基本的單元，叫一個級。

• 段：以中間冷卻器隔開級的單元，叫段。這樣以冷卻器的多少可以將壓縮機(jī)分成很多段。一段可以包括很多級。也可僅有一個級。

• 標(biāo)態(tài)：0℃，1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

• 進(jìn)氣狀態(tài)：一般指進(jìn)口處氣體當(dāng)時的溫度、壓力。

• 重量流量：一秒時間內(nèi)流過氣體的重量。
  容積流量：一秒時間內(nèi)流過氣體的體積。
  表壓（G）：以當(dāng)?shù)卮髿鉃榛鶞?zhǔn)所計量的壓強(qiáng)。
  絕壓（A）：以完全真空為基準(zhǔn)所計量的壓強(qiáng)。

• 真空度：與當(dāng)?shù)卮髿庳?fù)差值。

• 壓比：出口壓力與進(jìn)口壓力的比值。

• 比容：單位質(zhì)量的物質(zhì)所占有的容積，符號V表示，數(shù)值為密度的倒數(shù)。

（2）離心式壓縮機(jī)性能參數(shù)：

• 離心壓縮機(jī)的主要性能參數(shù)是流量、排氣壓力、有效功率、效率、軸功率、轉(zhuǎn)速、壓縮比和溫度。

  
  

• 流量：單位時間內(nèi)流經(jīng)壓縮機(jī)流道任一截面的氣體量，通常以體積流量和質(zhì)量流量兩種方法來表示。

  
  

• 體積流量——是指單位時間內(nèi)流經(jīng)壓縮機(jī)流道任一截面的氣體體積，其單位為m3/s。因氣體的體積隨溫度和壓力的變化而變化，當(dāng)流量以體積流量表示時，須注明溫度和壓力。

  
  

• 質(zhì)量流量——是指單位時間內(nèi)流經(jīng)壓縮機(jī)流道任一截面的氣體質(zhì)量，其單位為kg/s。

  
  

• 排氣壓力:即指壓縮機(jī)出口壓力。

  
  

• 有效功率：有效功率是指在氣體的壓縮過程中，葉輪對氣體所作的功，絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的能量，另有一部分能量損失，該損失基本上包括流動損失、輪阻損失和漏氣損失三部分，我們將被壓縮氣體的能量與葉輪對氣體所作功的比值稱為有效功率。

• 軸功率：離心式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子在為氣體升壓提供有用功率，以及在氣體升壓過程中產(chǎn)生的流動損失功率、輪阻損失功率和漏氣損失功率外，其本身也產(chǎn)生機(jī)械損失，即軸承的摩擦損失，這部分功率消耗約占總功率的2%~3%。

  
  

  如果有齒輪傳動，則傳動功率消耗同樣存在，約占總功率的2%~3%。以上六個方面的功率消耗，都是在轉(zhuǎn)子對氣體作功的過程中產(chǎn)生的，它們的總和即為離心式壓縮機(jī)的軸功率。軸功率是選擇驅(qū)動機(jī)功率的依據(jù)

  
  

• 效率：效率主要用來說明傳遞給氣體的機(jī)械能的利用程度。由于氣體的壓縮有等溫壓縮、絕熱壓縮和多變壓縮等三種過程，所以，壓縮機(jī)的效率也有等溫效率、絕熱效率和多變效率之分。

  
  

• 轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速是指壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度。其單位是r/min。

• 壓縮比：出口壓力與進(jìn)口壓力的比值。

  
  

• 溫度：一般用t℃表示，工程上也用絕對溫度TK來表示，兩者換算關(guān)系為TK=t+273。

5.離心壓縮機(jī)的構(gòu)造

（1）吸入室：

作用是將介質(zhì)均勻地引導(dǎo)至葉輪的進(jìn)口，以減少氣流的擾動和分離損失。它的結(jié)構(gòu)比較簡單，有軸向進(jìn)氣和徑向進(jìn)氣兩種。徑向進(jìn)氣結(jié)構(gòu)多采用于多級雙支承壓縮機(jī)中。

（2）離心壓縮機(jī)基本結(jié)構(gòu)

整套離心壓縮機(jī)組是由電氣、機(jī)械、潤滑、冷卻、控制等部分組成的一個系統(tǒng)。雖然由于輸送的介質(zhì)、壓力和輸氣量的不同，而有許多種規(guī)格、型式和結(jié)構(gòu)，但組成的基本元件大致是相同的，主要由轉(zhuǎn)子、定子、輔助設(shè)備等部件組成。

（3）離心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子是離心壓縮機(jī)的關(guān)鍵部件，它高速旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子是由葉輪、主軸、平衡盤、推力盤等部件組成。

（4）葉輪：

葉輪也叫工作輪，是離心式壓縮機(jī)的一個重要部件，氣體在工作輪中流動，其壓力、流速都增加，同時氣體的溫度也升高。葉輪是離心式壓縮機(jī)對氣體作功的唯一元件。通過葉輪將能量傳遞給氣體，使氣體的速度及壓力都得到提高。 

在結(jié)構(gòu)上葉輪有三種型式：

• 閉式葉輪：由輪盤、輪蓋、葉片三部分組成。

• 半開式式葉輪：無輪蓋、只有輪盤、葉片。

• 雙面進(jìn)氣式葉輪：兩套輪蓋、兩套葉片，共用一個輪盤。

影響葉輪性能的主要因素是葉片的彎曲形狀。按葉片出口端彎曲方向的不同，可分為后彎、前彎及徑向葉輪三種類型。由于后彎式葉片的級效率較高，因此被廣泛采用。葉輪是高速旋轉(zhuǎn)的部件，要求材料具有足夠的強(qiáng)度。為了減少振動，葉輪和軸必須經(jīng)過動平衡試驗，以達(dá)到規(guī)定的動平衡要求。

（5）主軸

主軸的作用就是支撐安裝其上的旋轉(zhuǎn)零部件（葉輪、平衡盤等）及傳遞扭矩。設(shè)計軸確定尺寸時，不僅考慮軸的強(qiáng)度問題，而且要仔細(xì)計算軸的臨界轉(zhuǎn)速。所謂臨界轉(zhuǎn)速就是軸的轉(zhuǎn)速等于軸的固有頻率時的轉(zhuǎn)速。

（6）平衡盤，推力盤

在多級離心壓縮機(jī)中，由于每級葉輪兩側(cè)的氣體作用力不一致，就會使轉(zhuǎn)子受到一個指向低壓端的合力，這個合力，我們稱為軸向力。軸向力對于壓縮機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)是不利的，它使轉(zhuǎn)子向一端竄動，甚至使轉(zhuǎn)子與機(jī)殼相碰，發(fā)生事故。

因此應(yīng)設(shè)法平衡它，平衡盤就是利用它的兩側(cè)氣體的壓力差來平衡軸向力的零件。熱套在主軸上，通常平衡盤只平衡一部分軸向力，剩余的軸向力由止推軸承來承受。

推力盤是固定在主軸上的止推軸承中的一部分，它的作用就是將轉(zhuǎn)子剩余的軸向力通過油膜作用在止推軸承上，同時還確定了轉(zhuǎn)子與固定元件的位置。

（7）平衡盤

由于葉輪兩側(cè)的壓力不相等，在轉(zhuǎn)子上受到一個指向葉輪進(jìn)口方向的軸向椎力。

為了減少止推軸承的載荷，往往在末級之后設(shè)置一個平衡盤。因平衡盤左側(cè)為

高壓，右側(cè)與進(jìn)氣壓力相通，因而形成一個相反的軸向推力，承擔(dān)了大部分的

軸向推力，減輕了止推軸承的負(fù)荷。 

（8）平衡鼓

大型離心式壓縮機(jī)和離心泵的軸向力是相當(dāng)大的，相應(yīng)需要的平衡力也很大。在這種情況下，平衡盤自身的強(qiáng)度以及它跟軸的結(jié)合難以滿足要求，因此在大型離心式壓縮機(jī)和離心泵上通常使用有足夠軸向厚度的平衡鼓結(jié)構(gòu)。

平衡鼓和平衡盤平衡原理一致，結(jié)構(gòu)相似，只是由于結(jié)構(gòu)的原因，平衡鼓不能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上自動調(diào)節(jié)。

在實際設(shè)計中也有采用“鼓+盤”的方式將兩者的優(yōu)勢結(jié)合起來。      

（9）離心壓縮機(jī)的定子

定子是壓縮機(jī)的固定元件，由擴(kuò)壓器、彎道、回流器、蝸殼及機(jī)殼組成。

• 擴(kuò)壓器：擴(kuò)壓器的功能主要是使從葉輪出來的具有較大動能的氣流減速，把氣體動能有效地轉(zhuǎn)化為壓力能。擴(kuò)壓器一般分為：無葉擴(kuò)壓器 、葉片擴(kuò)壓器、 直壁式擴(kuò)壓器。

  
  

• 彎道：其作用使氣流轉(zhuǎn)彎進(jìn)入回流器，氣流在轉(zhuǎn)彎時略有加速。

  
  

• 回流器：其作用使氣流按所須方向均勻的進(jìn)入下一級。

• 蝸殼：其主要作用是把擴(kuò)壓器后面或葉輪后面的氣體匯集起來，并把他們引出壓縮機(jī)，流向輸送管道或氣體冷卻器，此外，在會聚氣體過程中，大多數(shù)情況下，由于蝸殼外徑逐漸增大和流通面積的逐漸增大，也起到了一定的降速擴(kuò)壓作

  用。

（10）蝸殼：

（11）機(jī)殼：

壓縮機(jī)機(jī)殼是將介質(zhì)與大氣隔絕，使介質(zhì)在其間完成能量轉(zhuǎn)換的重要部件。它還具有支承其他靜止部件，如隔板、密封等的功能。

機(jī)殼重量大，形狀復(fù)雜，在其外部連接有進(jìn)氣、排氣、潤滑油、密封介質(zhì)等管道，兩側(cè)的端蓋上帶有軸承箱和軸向密封室。對于高壓壓縮機(jī)，機(jī)殼一般采用筒型結(jié)構(gòu)；低壓壓縮機(jī)則采取水平剖分結(jié)構(gòu)，烯烴工廠的機(jī)組均采用水平剖分。

（12）軸承：

支撐軸承：用于支撐轉(zhuǎn)子使其高速旋轉(zhuǎn)。

止推軸承：作用是承受剩余的軸向力

（13）支撐軸承（又稱徑向軸承）

徑向軸承為多油楔、壓力潤滑的可傾瓦塊式軸承。壓力油徑向進(jìn)入，通過小孔潤滑瓦塊和支撐塊，然后向側(cè)向排出。軸承由等距離分布在軸徑圓周上的幾個瓦塊組成。

瓦塊是鋼制的，內(nèi)表面襯有巴氏合金，背面有凹進(jìn)去的支撐座，相應(yīng)地在瓦座上有支撐塊。瓦面與軸徑及瓦座均為同心圓，而瓦塊支撐座的圓弧曲率大于瓦座支撐塊的圓弧曲率這樣瓦背與瓦座在軸向上為線接觸，以利于瓦塊搖擺靈活更好地與轉(zhuǎn)軸間形成油楔，但瓦塊在軸向上并不能擺動。

徑向軸承有如下優(yōu)點：

• 進(jìn)一步改善軸瓦中流體的動力學(xué)性能。

• 軸徑圓周上受力均勻，因而運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以最大限度的吸收轉(zhuǎn)子的徑向振動。

• 軸承抗油膜振蕩性能好。

（14）止推軸承

離心壓縮機(jī)在正常工作時，由于出入口存在的壓差形成一指向低壓側(cè)（入口側(cè)）的軸向推力。壓縮機(jī)的平衡裝置能平衡大部分的軸向力，殘余軸向力則由止推軸承承擔(dān)，其止推塊稱為主止推塊。

另外在啟動時由于氣流的沖擊作用，往往產(chǎn)生一個反方向的軸向推力，使轉(zhuǎn)子向高壓側(cè)竄動；為此在主推塊的對面增設(shè)副止推塊。這種型式的止推承稱作雙端面止推軸承。止推軸承一般安裝壓縮機(jī)吸入側(cè)。

（15）隔板與級間密封

隔板將壓縮機(jī)的各級分隔開，并由相鄰的面構(gòu)成葉輪出口的擴(kuò)壓器、彎道和回流室。來自葉輪的氣體在擴(kuò)壓器通道內(nèi)將一部分動能轉(zhuǎn)化為壓力能并通過彎道和回流室到達(dá)下一級葉輪入口，氣體在彎道和回流器的流動，可以認(rèn)為壓力和速度不變，僅改變氣體的流動方向。

隔板分為上、下兩半，沿水平中心面分開。在隔板外圓圓周方向裝有齒形密封圈，與安裝在葉輪輪頸上的耐磨環(huán)構(gòu)成梳齒密封，從而防止氣體在級間串通。