离心式压缩机设计浅析

（中石化洛阳工程有限公司配管室，河南 洛阳 471003）

离心式压缩机设计浅析

蒋 波

（中石化洛阳工程有限公司配管室，河南 洛阳 471003）

转动机械是石油炼化装置中不可或缺的能量转化设备，在各种炼化装置中具有核心的、不可动摇的地位。但由于其设备的特殊性，在对其进行附属管道设计时，需要综合多方面的因素，保证设备、管道的安全、经济。

管道布置；离心式压缩机；蒸汽轮机；应力评定

压缩机是输送气体和提高气体压力的一种从动的流体机械；压缩机按照结构可分为速度式和容积式；速度式主要有离心式和轴流式两种基本型式；其中离心式压缩机在石油炼化行业中被广泛应用。离心式压缩机及其驱动用蒸汽轮机的设备及管道布置有以下几个要点：

一、离心式压缩机的设备布置及厂房（棚）布置

进出口都在压缩机下方的大型压缩机或压缩机组，宜采用双层布置，比较重要的设备设置在上层，附属设备及管工艺道设置在下层，层间距应满足制造厂的要求，一般情况下应大于或等于4m。

若压缩机的动力来源是凝汽式汽轮机，该离心式压缩机宜采用双层布置，在汽轮机排汽口的正下方布置凝汽器，并把凝结水泵靠近凝汽器布置，且其标高应能满足水泵安全运行所需的吸入高度的要求。若压缩机由背压式汽轮机驱动，蒸汽透平的汽封冷却器应尽可能的靠近机组本体。

若采用双层布置，压缩机检修将在二层平台上进行。检修区域应能满足检修空间及最大检修件的放置要求，以放置检修件后能进行检修作业为准。若有多台机组，其检修区域可互相共用。二层平台上应设置吊装孔，吊装孔宜布置在厂房一角或两机组间一侧，地面层应设置车行通道。吊装孔尺寸应以考虑吊车死点位置后，机组最大尺寸检修部件能顺利通过为准。

由于压缩机主轴就位、电机抽芯等操作的灵活、正确、不损坏机件等因素，吊车轨顶的位置要综合考虑。其标高由机组的运行、检修、安装所需的起吊高度决定，吊车主钩距操作层的最大高度应大于压缩机制造厂所规定的机组最小起吊高度。

压缩机基础应与厂房基础、结构相互脱开，也应与附属设备基础分开。应根据和压缩机相连的工艺管道直管段要求、润滑油站高度及厂房外管架的层高要求来确定，若压缩机带有中间（级间）冷却器或由凝汽式蒸汽轮机驱动，还应综合考虑各冷却器与冷凝器的安装高度。

润滑油站宜布置在一层回油总管侧，并靠近回油总管的低端。对于带有管壳式冷油器的润滑油站需考虑其管束的检修抽出空间。高位油箱应按机组特性要求的高差布置（一般为高出机组中心线6m），宜布置在厂房两端吊车死区。

二、离心式压缩机的工艺管道的设计

离心式压缩机分垂直剖分式与水平剖分式。垂直剖分式压缩机前端不宜布置管道或其它障碍物；水平剖分式压缩机上部不宜布置管道或其它障碍物，若因特殊情况，必须在相应位置布置管道时，应采用法兰连接，以便拆卸。如果附属管道需要支撑，支架生根的基础应

不妨碍吊装或可拆卸。

离心式压缩机入口管道上应设置临时过滤器，该过滤器应便于拆卸，一般安装在靠近压缩机管口的位置。在布置管线时，为防止进气流相不问引起机组或管线振动，不宜用弯头直接与入口配对法兰连接，一般要设置3～5倍DN的直管段，以达到整流的效果。

两台以上主风机出口管道并联或切换操作时，不可避免的会有气流顶撞的现象存在。为避免由此现象引起的压力损失，在两路管道连接时，应顺介质流向45°斜接。事故状况下，催化剂可能会倒流到主风机管线内，因此应在主风机出口管线上设置阻尼单向阀，该阀应尽量靠近辅助燃烧室，使催化剂倒流的危害减小到最小。

可燃气体压缩机反飞动泄放应采取密闭循环方式，并设置在合理的位置。主风机吸入口与反喘振放空口的间距应尽量远。为防止噪声污染及热风循环，放空口应设置放空消音器，并将管线引至主风机厂房顶部，且放空消音器应高于主风吸入口。

可燃气体压缩机应有供开停工使用的惰性气体置换设施，惰性气体入口接至压缩机入口管切断阀后，靠近阀门布置，以减小死区。

三、离心式压缩机的润滑油管道设计

1 所有润滑油管道、管件、阀门等的材质均应选用奥氏体不锈钢。

2 润滑油管道，管子及管道附件均应选用对焊型式。

3 润滑油管道不得与蒸汽管道或其它高温管道相邻布置，交叉布置时，净空不得小于200mm。

4 供、回油总管应分别布置在靠近在机组的两侧，供油主管布置在压缩机基础上，回油主管布置在二层楼板下的基础边缘上。

5 高位油箱与机组供油总管相接的管道应短而直。不宜出现“U”形配管。

6 回油管道的设计还满足下列要求：

6.1 回油总管应以≥4%的坡度坡向油箱，回油管道不得出现“U”形配管。

6.2 回油支管与回油总管应采用法兰联接，各回油支管应在易于观察的部位设置示境。

6.3 回油管道不得设置阀门。

7 润滑油管道应分段用法兰联接，应根据酸洗设施的大小确定每段管段的空间尺寸，管道预制完毕后进行现场试组装，确认无误后应进行酸洗、钝化处理，然后回装。

四、蒸汽轮机的配管要点

蒸汽轮机利用系统中多余的热能量进行驱动。将蒸汽的能量转换成为机械能，进而推动各种转动设备进行做工，能量转换的目的，又称蒸汽透平。凝气式蒸汽轮机由于其出口管线较大，制造厂一般设置分液罐及膨胀节。一般由机械专业选择汽轮机的类型，来调节全场的蒸汽平衡。

蒸汽轮机出入口管线应以可以自然补偿管道自身热膨胀及机体附加位移为原则，以吸收管系的热胀量和汽轮机入口管咀的附加位移量。由于温度较高且管嘴受力苛刻，需对其进行详细的管道柔性分析计算。而且由于其校核方式的特殊性，蒸汽轮机的出入口管线需要合并在一起计算。

蒸汽汽轮机出入口管道在靠近蒸汽轮机出入口处宜设限位支架，以阻止外部推力影响机械管嘴；且应在适当设置弹簧支吊架，避免使用刚性支吊架抑制管线的热膨胀，减小设备管嘴的热涨反力。为减小管嘴所受到的水平力，可采用低摩擦系数支架（聚四氟乙烯支架、滚动支架等）。

入口蒸汽管道上的切断阀前后应设预热和平衡压力的旁路线，旁路线的直径应根据入口线管径适当放大。入口管道主汽门前的放空管道应引至厂房外，并应选择安全的放空位置。由于该管线平时处于关闭状态，因此管道应力分析计算时，应考虑放空及不放空两种情况下对汽轮机管嘴受力的影响。必要时可优化该管线的走向，使其对压缩机管嘴的影响尽量小。

靠近汽轮机进口法兰的管道上应设置一段可拆卸的带法兰的短节，以便在试运前安装吹扫打靶用的临时管，为拆卸该短接方便，该拆卸法兰不宜与进口法兰在同一直线上。

五、应力分析与应力评定

转动机械如汽轮机、烟气轮机、离心泵等设备，由于其转速高、壳壁薄，因此其管嘴允许受力比较小。若管道施加在机械管口的受力过大，将会造成壳体变形、转动轴对中度产生偏差、定子转子之间的间隙改变，造成机械破坏与磨损、震动。因此离心式压缩机及汽轮机的管嘴受力在API617及NEMA SM-23中有明确的规定。NEMA SM-23规定如下：

1作用于任一管口上的合力及合力矩应满足以下要求：

0.9144 FR+MR≤26.689De

2进汽口、抽汽口和排汽口上的力和力矩合成到排汽口中心处的合力及合力矩应满足以下两个条件：

（1）合力和合力矩应满足以下条件：

0.6096 Fc+MC ≤13.345DC 式中：

（2） FC和MC在X、Y、Z三个方向的分力和分力矩应满足以下条件：

|Fcx| ≤8.756Dc

|Fcx| ≤13.345Dc

|Fcy| ≤21.891Dc

|Fcy| ≤6.672Dc

|Fcz| ≤17.513Dc

|Fcz| ≤6.672Dc

根据API617标准校核公式可以看出，管嘴受力F的系数小于1，在校核公式中占得比例较小。因此在管道设计中，应以尽量减少管嘴力矩为主要方向。当然，力与力矩存在转化关系，譬如在考虑综合受力时，出（入）口受力要往入（出）口合成，对于管口较大的的压缩机，进出口之间距离L往往在1m以上，由于力矩M=FxL，此时力F的比重又开始占据了主导因素。所以布置管线不但要考虑减收力矩对压缩机管口的影响，也要设置必要的限位支架控制各个方向的水平力。垂直方向的力可以通过调整弹簧荷载的方式予以解决。

另外，在对压缩机管线进行综合受力评定时，由于力与力矩的矢量性，可以适当调整管线的走向或限位位置及限位形式，使压缩机进出口管嘴受力（及折算力矩）的方向相反，这样在综合受力评定时，可以起到事半功倍的效果。

离心式压缩机的受力校核标准大致原则与计算方法跟蒸汽轮机基本相同，综合受力校核原则都是把其余管口的受力及力矩折合到最大管口，再进行数据校核，区别只在于API617的允许数据是NEMA SM-23的1.85倍。因此在用软件对压缩机进行校核时，若软件提供的进出口个数不足，可以用NEMA SM-23校核程序进行校核，把前面的比例因子改为1.85即可。

NEMA SM-23、API617等标准中的允许受力限制非常严格，在管道设计和应力分析中一般都很难满足这个要求，因此，在机组定货协议和前期审查阶段应要求制造厂适当放宽限制。

[1]张德姜．石油化工装置工艺管道安装设计手册[M]．北京：中国石化出版社,2009．

[2]唐永进．压力管道应力分析（第二版）[M]．北京：中国石化出版社，2009．

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