[发明专利]一种单轴式加多轴式二氧化碳离心压缩机组

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于尿素装置二氧化碳加压的离心式压缩机组，也涉及当今国际上兴起的EOR技术（油田注CO₂提高原油采收率）、CCS技术（碳捕捉及封存）、煤化工中煤气化炉喷粉煤等领域需要的一种单轴式+多轴式二氧化碳离心压缩机组。 

背景技术

1.目前国内外尿素装置的离心式二氧化碳压缩机组，绝大部分采用“汽轮机+单轴式低压缸+齿轮箱+单轴式高压缸”机型。这种机型存在以下技术缺陷： 

缺陷一，小流量、高压比的高压缸采用单轴式，效率很低。 

实例：美国一家知名透平机械制造公司，2012年8月为孟加拉1760MTPD尿素装置CO₂压缩机的报价即能说明此缺陷。该压缩机额定工况条件：54,908kg/h湿基、进气1.442bar.A、排气143.1bar.A。低压缸采用单轴式合理,第1、2段的多变效率高，为83.58％、78.82％；但是对于高压缸，随着压力升高，体积流量大幅度减小，仍采用单轴式机型，叶轮的最小出口宽度仅3.65mm,相对宽度仅3.65/280.54=0.013，远低于0.03～0.085的高效范围，效率必然很低,第4段的多变效率仅为50.1％。因为两缸的级数都是7级，轴承间距大，使提升高压缸的转速来增大高压缸效率的手段受到限制。 

缺陷二，低压缸和高压缸都是径向进气。 

轴的干扰使叶轮进气室内部流场不均匀度很大，将降低级效率和单级压比。 

缺陷三，汽轮机在端部,低压缸轴需传递机组的总功率。 

造成低压缸的轴、轴承、轴封的直径都要加大。由于低压缸的轴粗，又是径向进气，轴的干扰使叶轮进气不均，进一步降低级效率和单级压比。这就是现有技术的单轴式CO₂压缩机效率低，叶轮级数多的原因之一。 

缺陷四，不适应两缸中多种压力等级的抽气以及各抽气量分别调节的工艺优化要求。 

单轴式高压缸为筒袋式，在机壳上增加抽气接管要修改设计，两缸又均无进口导叶，因此，各抽气量的调节只能用调转速一种方式等比例调节，再用阀门分别节流，不经济。 

缺陷五，高压段喘振流量距正常工况流量较近，当尿素装置减负荷运行时，四回三防喘振阀长期开启,浪费能源。 

2.国外现有技术的纯多轴式二氧化碳压缩机组 

随着多轴式压缩机技术的不断进步，通过近三、四十年的发展，现已普遍应用在空分、化工等各个领域。多轴式压缩机由于能改变转速，各级叶轮直径和转速易实现最佳匹配，并且每级叶轮均为轴向进气，流动状态比径向进气的单轴式压缩机均匀，所以效率高，可大幅地降低能耗；再加上结构紧凑等优点，全球离心压缩机制造厂和使用者都看好这种节能又节资的机型。 

为了提高效率和单级压比，GHH-BOSIC公司在1995年就生产出了世界首台五根高速小齿轮轴的10级多轴式CO₂压缩机，进口压力1.04bar.A，出口压力200bar.A，此台压缩机用于俄罗斯的一家尿素装置。但其结构相当复杂，由两个大齿轮、五根高速小齿轮轴、10级叶轮等构成，运行时故障率高，其根源是第7～10级叶轮所在的第4、第5小齿轮轴在第三阶临界转速附近运转。 

2001年GHH-BORSI公司被曼透平公司收购后，曼透平公司转为开发一个大齿轮的八级多轴式CO₂压缩机，进口压力常压或低正压，出口压力160bar.A。设计者忽略了多轴式压缩机只有在小流量范围内优势才突出的特点，将多轴式机型扩大到总压比很大的整个压缩机上，由于低压段气体的体积流量大，蜗壳尺寸特别庞大，为在大齿轮的四外围布置八个蜗壳，大齿轮的外径必需加大，这样使齿轮的节园速度很高。 

受高精密磨齿机的规格和齿轮表面渗氮热处理炉腔尺寸的限制，目前世界顶级高速齿轮的制造技术是，大齿轮的最大直径为3.3m，齿轮的最高节园速度为201m/s。如超过上述值，振动和噪声将大幅度超标，齿轮的寿命也较短。 

10级或8级多轴式CO₂压缩机把多轴式机型用到总压比很大的整个压缩过程上，将对转子动力学提出很高的要求，七轴或六轴耦合带来的转子动力学的复杂性使得压缩机运行风险增大。 

由此可见，纯多轴式CO₂压缩机存在以下缺陷： 

缺陷一，齿轮的节园速度很高，影响高速重载的小齿轮和大齿轮的使用寿命。 

缺陷二，七轴或六轴耦合带来的转子动力学的复杂性使得压缩机运行风险增大。