發表時間： 2025-07-17 09:11:36
作者： 石油化工設備維護與檢修網
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本講義介紹透平壓縮機基本結構、性能及工作原理。不套用公式和圖例，亦不作過深的復述，目的是想幫助宜興廠同志盡快了解、掌握透平壓縮機的技能。
講義準備分四個系列：
一．透平壓縮機的結構、性能及工作原理
二．透平壓縮機振動類型案例
三．透平壓縮機的開停車步驟
四．透平壓縮機的運行注意事項
透平壓縮機結構、性能及工作原理
離心壓縮機
一．離心式壓縮是如何提高壓力的？
離心式壓縮機氣體的提高，是靠葉輪帶動氣體旋轉，使氣體受到離心力的作用產生動力獲得動能，然后進入擴壓器中，氣體流速逐漸減慢，將動能轉變成壓力能，而使氣體壓力得到提高，它與活塞式或回轉式壓縮機靠改變氣體的容積來提高壓力是不同的。
二．離心式壓縮機主要優缺點
離心式壓縮機主要優缺點是：單機輸出量大而連續，無脈沖，運轉平穩，機組外型尺寸小，重量輕，占地面積少，投資省，設備結構簡單，易損件少，運轉周期長，維修工作量小，調節性能好，實現自動控制比較容易，運轉可靠，單系列運行，不需要備用機組，介質不與潤滑油接觸，有利于化學反映，可用氣輪機直接拖動，能充分利用化肥廠工藝熱能，經濟效益好。
缺點是：由于氣體的流動損失，漏氣損失和輪阻損失比較大，因而效率較低，一般比往復式壓縮機低5~10%，容易“喘振”。
三．離心式壓縮機的基本結構
離心式壓縮機的每一段，是由幾個壓縮級組成，每一級是由一個葉輪以及與其配合的固定元件所構成。其基本結構可分為中間級和末級兩種。中間級是由葉輪、擴壓器、彎道和回流器等組成。
氣體通過彎道和回流器后即到下一級繼續壓縮。在離心式壓縮機里，除每一段的一級外，都屬于這種中間級。末級是由葉輪、擴壓器、蝸輪等組成。氣體經過壓縮后排出，到冷卻器進行冷卻并分離后送用戶。
四．離心式壓縮機的主要零部件及作用
1．吸氣室：吸氣室是把所需壓縮的氣體均勻地引入葉輪去壓縮。因此，壓縮機每一段第一級進口都設置了吸氣室。
2．葉輪：葉輪安裝在轉軸上，由輪盤、輪蓋和葉片組成，是壓縮機中最重要的部件。氣體由于受旋轉離心力的作用，以及在葉輪里的擴壓流動，使氣體通過葉輪后的壓力得到了提高，氣體的功能也同樣在葉輪里得到了提高。因此，葉輪是將機械能傳給氣體，以提高氣體的壓力和速度的作功部件。
3．擴壓器：氣體從葉輪流出時，除壓力升高外，還具有較高的流動速度。為了充分利用這部分動能，在葉輪的后面設置了流通面積逐漸擴大的擴壓器，用以把速度能轉化為壓力能，以進一步提高氣體的壓力。
4．彎道與回流器：為了把擴壓器后的氣體引導到下一級葉輪去繼續壓縮，在擴壓器后面設有引導氣體的彎道，把氣體均勻地引入下一級葉輪進口的回流器。
5．蝸殼：蝸殼的主要作用是把擴壓器后面的氣體匯集起來并引出壓縮機。此外，在蝸殼出口處，氣流速度還有一定數值，故設置一個錐行排氣管，也象擴壓器一樣，是氣流起到一定的降速擴壓作用。
6．密封裝置：為了阻止壓縮機由軸端向外漏氣，在壓縮機的機殼兩端設置了密封，密封類型主要有，梳齒密封、機械密封、浮環密封、干氣密封等。宜興廠的兩臺冰機、合成氣壓縮機均采用干氣密封。干氣密封較其它類型密封相比具有經濟、干凈、容易操作、安全和檢修量少等特點。
7．徑向軸承、止推軸承及平衡盤為了承受轉子的重量和葉輪的徑向力設置了徑向軸承，另外，由于運行時葉輪出口的壓力高于進口，在安裝葉輪時，可用反方向安裝的方法來平衡掉大部分的軸向推力，剩余的推力由止推軸承承受。但是絕大部分的壓縮機，特別壓縮比大的壓縮機，其殘余的軸向推力仍然非常大，為了減少作用在止推軸承上的軸向推力，常在轉子上還設置了平衡盤。
8．梳齒密封：當氣流通過梳齒形密封片間隙時，氣體近似經歷絕熱膨脹過程，氣流的壓力和溫度都下降，而速度增加，當氣流從間隙進入密封片之間的空腔時，由于截面積突然擴大，氣流形成很強的旋渦，從而使速度幾乎完全消失，壓力即等于間隙中的壓力，溫度恢復到密封片前的數值，而比容增加了，氣流經過后面的每一密封片間隙和空腔，重復上述的變化過程，由于氣體壓力的不斷降低，氣流體積不斷增加，通過最后一個密封片時的速度為最大，壓降比也最大。
通過密封間隙的漏氣量，是與間隙的截面積和間隙前后的壓力差成正比例的，對于使用中的密封裝置，為了得到良好的密封效果，一方面盡量保證最小的間隙截面積，另一方面要保持梳齒的光角和空腔的潔凈。使氣體能產生強烈的旋渦，而壓力不再回升。
五．離心式壓縮機的能量損失
原動機通過葉輪將機械能傳給氣體時，存在著各種損失，這些損失使離心式壓縮機無用功的增加和效率的下降，主要存在下列損失：
①流道損失，該損失為氣體在吸氣室、葉輪、擴壓器、彎道、回流器、蝸殼等元件中流動時產生的損失。它包括流動摩擦損失、邊界層分離損失、沖擊損失、波阻損失等。
②輪阻損失：葉輪在高速旋轉時，輪盤、輪蓋的外側及輪緣與氣體發生摩擦而造成的損失叫輪阻損失。
③漏氣損失：由于葉輪出口的氣體壓力比進口壓力高，所以葉輪出口的氣體有一部分要從密封間隙流回葉輪的進口。另外，氣體還會通過級間密封從高壓級流向低壓級，還有一部分氣體會經過軸端密封流出機外，這種由于內部或外部漏氣而造成的損失叫漏氣損失。
④機械損失：離心壓縮機在軸承、聯軸節及增速箱等傳動結構中所造成的算是叫機械損失。
六．喘振工況和滯止工況
從壓縮機性能曲線可以看出，當流量減少時，由于氣流沖擊葉片嚴重，在葉道中引起氣流邊界層的分離，并產生旋轉脫離現象。此時葉輪前后的壓力就產生強烈的脈動，并引起周期性的力作用在葉輪上，使葉輪產生振動。
當流量進一步下降，氣流分離層擴及整個通道，以致使葉道中氣流通不過去，這時，級的壓力突然下降，然后流道中較高壓力的氣體就倒流到級里來，瞬間，倒流的氣體充滿了葉道，彌補了氣體流量的不足，從而使葉輪工作恢復正常，又把倒流的氣體壓回去，這樣使級中流量又減少，于是壓力又突然下降，級后的壓力氣體又倒回級中，重復出現上述現象。
在這過程中，壓縮機級和其后管道、系統之間產生了一種低頻高振幅的壓力脈動，以致引起葉輪應力增加，整個機組發生強振動，發生嚴重的噪音，調節系統也大幅度波動，從而無法繼續運行，嚴重的甚至會損壞機器，這種現象就是喘振。在壓縮比大，出口流量大，壓力高，氣體比重大的情況下，如發生喘振，則其后果更加嚴重。
七．喘振曲線和防喘振曲線
由于離心壓縮機在每一個轉速下的特性曲線均有一峰值，而這一點即為喘振點。將喘振曲線上所有喘振點連接起來，即可得一曲線，可叫離心壓縮機的喘振曲線。
當壓縮機在某一給定速度曲線最高值的左邊運轉時，將發生喘振。因此，千萬要防止壓縮機在圖示的喘振區域內運行，為了實現這一目的我們設置了防喘振系統。
在某一轉速下，壓縮機的實際流量與該轉速的喘振流量之比叫做防喘振裕度，裕度太大，則功率消耗增加，經濟性差，而太小則離喘振點太近，安全性差。根據經驗，一般防喘振裕度控制在110~125%左右。在決定裕度大小時，還應把調節儀表的誤差和滯后等因素考慮進去。例棲霞山化肥廠一臺空氣壓縮機的喘振曲線是28.8%，而我們設置的保護曲線是35%，在此曲線內，機器從未發生過喘振。
喘振曲線通常呈拋物線，而考慮了防喘振裕度后，就可以在其右邊畫出一條與喘振曲線相似的一條拋物線，這就是保護曲線，或叫防喘振曲線。保護曲線沒有必要與喘振曲線完全相似，或由喘振曲線平移來獲得。這要保證壓縮機在正常運轉范圍內有合適的裕度即可。這樣就使防喘振控制系統儀表的配置和選用變得極為簡單，并且更有靈活性。
八．防喘振系統的工作方法
從離心壓縮機的特性可以知道，提升轉速或加大缸體流量可以避免喘振。一般采取放空或打回流的方法來增加缸體流量，以保證壓縮機的運行點不致落入喘振區。簡圖即四回一防喘振控制系統。
壓縮機的出口壓力調節器PRC和流量調節器FRC，將各自測得的壓力與流量值與事先給定的允許值作比較，如果流量低于給定或壓力高于給定，兩個調節器將分別發出控制信號，經選擇調節器選擇后，將產生動作使防喘振閥門自動打開，從而達到了增加流量，防止喘振的目的。在低壓缸出口設有一放空閥，低壓缸出口壓力若異常升高，可通過此閥將壓力卸去。
九．防喘振操作應注意事項
開車時，必須根據壓縮機的性能曲線，并按照先升速，后升壓的原則。在防喘閥全開的情況下啟動汽輪機，并升速到某一轉速（一般是機組的下限轉速）再關小一點防喘閥或放空閥，使壓力升高到比在該轉速下壓縮機特性允許的壓力低一些的數值。
然后，再按照上述方法，升一點轉速，關一點防喘振閥，提高壓力，升速、升速交替進行。直至壓縮機達到正常工作點為止。停車則相反，應先降壓，后降速。降壓、降速交替進行，直至停機。
具有分缸防喘振系統的機組，在操作防喘振閥時，必須交替進行，例如，開啟高壓缸防喘振閥，必須要等到低壓缸出口壓力上升，而流量下降。這時就必須將低壓缸防喘振閥也開啟一點，防止低壓缸也產生喘振。同樣，開大低壓缸出口防喘振閥也會引起高壓缸入口流量下降。因此，低高壓缸應互相照應，不可顧此失彼。
十．汽輪機本體
1．靜止部分：由汽缸、隔板、噴嘴、汽封和軸承等組成。
2．轉動部分：由主軸、葉片、葉輪以及聯軸節、盤車等裝置組成。
3．控制部分：包括調節裝置、保護裝置及油系統等。其工作過程大致如下：進入汽輪機的具有一定壓力和溫度的蒸汽，流過噴嘴時發生膨脹，熱能轉變成動能，使蒸汽獲得很高的速度，從而沖動轉子上的葉片使得轉子轉動。這樣蒸汽的熱能轉變為機械能，并由聯軸節輸出，帶動壓縮作功。
十一．汽輪機各部件的作用
1．汽缸：汽缸是汽輪機的外殼，它的作用是把蒸汽的流通部分與外界隔開。在下汽缸設有抽汽口、排汽口、汽缸內部裝有各級隔板。
2．隔板：隔板的作用是使汽缸內的蒸汽不致沿軸漏出，或使外界的空氣不致大量沿軸漏入汽缸內部。另外，為了減少級與級之間的漏汽，在隔板上也裝有汽封。
3．軸承：汽輪的軸承分徑向支持軸承和軸向推力軸承。支持軸承是支持汽輪機轉子的重量，承受部分進汽時引起的作用力，并固定轉子的徑向位置，保證汽輪機動、靜部分同心。止推軸承的作用是承受轉子的剩余軸向推力。轉子在汽缸的軸向位置也靠它來固定，以保證動、靜部分不置碰撞。
4．葉片：葉片裝在葉輪上，而葉輪及聯軸節裝在主軸上。其作用是把蒸汽的動能轉變成為旋轉的機械能，以輸出給壓縮機，相鄰兩葉片的工作部分組成了轉子上的蒸汽通道。
5．盤車機：盤車機不僅可以減少沖轉時的起動力矩，更主要的是為了在汽輪機在停車后和啟動前盤動轉子，使轉子得以均勻冷卻或升溫，否則轉子因上下冷卻不勻或者局部受熱會產生彎曲。
十二．汽輪的保護裝置
1．危急保安器：其作用是當汽輪機轉速超過極限時泄去安全油，使機組脫扣停車，防止發生超速飛車事故。
2．低油壓保護裝置：其作用是在動力油或潤滑油壓力降到一定值時，自啟動備用油泵。油壓低至危險值時，使汽輪機脫扣停車，油壓極低時使盤車機跳閘。
3．抽汽止回閥聯動裝置：當汽輪機脫扣時，迅速切斷抽汽以防止蒸汽倒入汽輪機造成事故。
4．停車電磁閥：其動作因素很多。如軸向位移過高，振動過高，潤滑油壓低，油穩過低，排汽溫度過高，以及工藝聯鎖等任一項指標超過規定值，電磁閥即動作，引起安全油失壓，使汽輪機脫扣。
5．手檔停車裝置：其作用是當確認汽輪機應停車時，可手動使其脫扣停車。
6．大氣釋放裝置：當排汽壓力急劇上升時，為保持汽輪機的低壓部分，該裝置及時動作，將蒸汽排入大氣。
7．調節閥聯動裝置：汽輪機停車時能迅速關閉，并要保證必須在把調節閥手輪退回起點后才能重新起動。以防止因突然復位致使大量蒸汽突然涌入汽輪機而引起事故。
8．自動主汽閥，必須停車時能迅速關閉該閥，以及時切斷主汽。
十三．汽輪機調節系統
其作用是：1．在穩定工況下，保證汽輪機的轉速不變，以穩定負荷。
2．當工藝系統負荷變化時，要能及時準確地調節轉速，以滿足工藝系統負荷變化的要求。調節系統主要由感應機構，傳動放大機構，執行機構組成。
十四．汽輪機滑銷系統及作用
汽輪機從冷態啟動到運行正常，是一個加熱過程，而停車又是一個冷卻過程。在次過程中，有的零部件的溫度變化極大。
為了確保汽輪機在整個啟停過程中，既能自由地膨脹和收縮，以避免產生過高的熱應力，又必須保證汽缸的中心線不移動。因而設置了滑銷系統。滑銷主要有縱銷、橫銷和立銷。
在汽缸的高壓端與排汽端各設置一立銷。以保證在垂直方向上缸體熱膨脹能處在正確位置上，并確保不致發生扭轉變形。在低壓缸有兩個橫銷，缸體可沿這兩個圓柱型銷子作橫向滑動，同時他們與縱銷的交叉點就是整個缸體的膨脹死點。
獨立座落在底座上的前軸承箱，支承著缸體兩只外伸的貓爪，貓爪通過橫銷與前軸承箱連接受熱膨脹時，貓爪可沿著滑銷作橫向滑動。前軸承箱與底座之間設有縱銷，當缸體軸向膨脹時，通過貓爪下的橫銷，推動前軸承箱向前滑動。
十五．汽輪機的輔助設備及作用
1．凝汽器：利用循環水冷卻，使汽輪機的乏汽冷凝成水，以形成真空。
2．凝泵：一般有兩臺互為備用，用以從凝汽器的熱片中抽出冷凝液送鍋爐系統。
3．主抽汽器：共設兩臺互為備用。在運行時抽出從蒸汽中帶入或通過汽輪機真空系統漏入并聚集在凝汽器里的不凝結氣體，以維持凝汽器里的真空。
4．輔助抽汽器：在汽輪機開車前，用以較快地抽出空氣，產生必要的真空，以縮短啟動時間，一般功率較大。
十六．臨界轉速
盡管汽輪機轉子上的各個部件都制造得很精密，在裝配時也做了平衡。但是轉子的重心還是不可能完全和軸的中心相重合，存在著偏差，因此在軸旋轉時就產生了離心力，這就是造成汽輪機振動的主要原因。轉子旋轉時，重心隨著軸中心線而轉動，因此離心的方向也隨著轉動。
當軸轉動一周就產生一次振動，這是離心力引起的強迫振動。每秒鐘產生的振動次數叫做強迫振動頻率。任何彈性體，包括汽輪機轉子，都有一定的自由振動頻率，當轉子的強迫振動頻率與轉子的自由振動頻率相同時，就產生共振，這就是轉子的臨界轉速。
在臨界轉速下，汽輪機的振動特別大（在理論上將達到無窮大）如果汽輪需在臨界轉速以上運行的話，則必須快速而平穩地通過臨界轉速，不得停留。汽輪機轉子工作轉速在一階臨界轉速和二階臨界轉速之間的稱為軟軸。而工作轉速在臨界轉速之下的稱為硬軸，又叫剛性軸。
信息來源：石化儀控軍士公開信息
