综述
SUMMARY

关于撬装式往复压缩机组部件功能简论

   如今大多数高速往复式压缩机是在工厂内装配、成套的机组。它们预先被组装好,以便运输和迅速与客户建立联系,大大减少了安装时间和费用……
  石油和天然气厂中最常见的压缩机是往复式压缩机,在工业过程应用中,传统大大小小的撬装式压缩机和分体式压缩机一般安装在机组组件、管道和组装线路最多的加固混凝土基础上。而如今大多数高速往复式压缩机是在工厂内装配、成套的机组。它们预先被组装好,以便运输和迅速与客户建立联系,大大减少了安装时间和费用。
  本文将讨论往复压缩机机组的重要部件及其作用。
 
  典型往复式压缩机机组
  高速往复式压缩机,由天然气发动机或电动机驱动,实现了更低的基础费用,更短的安装时间和更好的紧凑性。它已经成为适用于上游市场的最常见的设备,同时也占领了许多中游天然气压缩机市场。机组功率从50hp(37kW)甚至更小,以及5000hp(3729kW)甚至更大不等。更大的机组也可以被做成撬装式的,但是它们经常由于过大的体积而需要现场装配完成。
  有些技术标准可以用来规范往复式压缩机的设计和结构。例如,标准API IIP“石油和天然气用撬装式往复式压缩机技术规范”和ISO 13631“石油和天然气工业用撬装式往复工艺压缩机”经常被用于规范上游工艺压缩机应用的设计和组装。最近,GMRC(气体机械研究委员会)在工业界广泛合作的技术基础上,发布了“野外气体用高速压缩机指南”,为上游压缩机组应用提供了更全面的指导,机组功率至2000hp(1491kW)。
  标准API 618“石油、化工、和气体工业服务用往复压缩机”,被用于许多中游和下游压缩机应用的设计和组装。2013年,GMRC的“天气运输和存储用高速往复压缩机指南”为中游功率大于2000hp的压缩机机组的设计和组装提供了更多的技术指导。
  大多数机组安装在焊接好的工字梁底座上,由燃气发动机、压缩机和风冷换热器组成,这样就可以实现一个完整的撬装式压缩机系统,并在一个工厂被组装完成,且可由一辆或多辆卡车运输到野外。这个底座同时可以作为一个平台,用于安装其它组件,比如去除气体中水分的进气过滤器,用于缓解来自于压缩机、控制盘、管道以及其它装置的压力脉动的缓冲器。
  往复式压缩机有很多种类型和尺寸。本文只列举其中比较常见的一些。图1是一个传统意义上的小型空压机。它是一台功率为215hp,由转速为1800rpm的二冲程燃气发动机驱动的三级往复压缩机,专门应用于采油工作。
 
关于撬装式往复压缩机组部件功能简论
 
  图2是几种功率为1895hp,由转速1000rpm的四冲程燃气发动机驱动的二级往复式压缩机中的一种,专用于中心集气工作。它一般组建在碎石或砂砾基础上,对于功率达到2000hp的空压机,一般都会组装在这样的基础上。根据泥土类型和环境湿度的不同,使用加固混凝土或者打桩,有时还需要合适的支架。在一些冬天不会长时间上冻的地方,机组可以露天运行。
 
关于撬装式往复压缩机组部件功能简论
 
  图3是一台功率为1380hp,由转速为1400rpm的四冲程燃气发动机驱动的三级往复式压缩机,专用于中心集气工作。这样的机组需要装在加固混凝土的基础上,且需要一个上部封闭,两侧敞开的厂棚,这样既能保护机组,又能保持通风。
 
关于撬装式往复压缩机组部件功能简论
 
  图4是一台功率为2000hp,由转速为1200rpm的四冲程电动机驱动的二级往复式压缩机,用于气体加工装置的增压。它需要装在加固混凝土的基础上,并且需要被完全包围在一个配备有高架起重机的封闭建筑内,以保证能够安全地吊起很重的组件。这种设备的风冷式换热器通常是独立于压缩机组而安装在建筑外面的。
 
关于撬装式往复压缩机组部件功能简论
 
  图5是一台功率为5045hp,由转速为1000rpm的六冲程燃气发动机驱动的一级往复式压缩机,用于气体传输。它整体与图4相似,组建在加固混凝土基础上,并且需要被完全包围在一个配备有高架起重机的封闭建筑内,以保证能够安全地吊起很重的组件。它的风冷式换热器也几乎总是独立于压缩机而装在建筑外面的。
 
关于撬装式往复压缩机组部件功能简论
 
  往复式压缩机机组的主要组件及作用
  传统移动式空压机如图6所示,重要的组件已标注好以便参考。
  压缩机组将低压侧的气体吸入(用绿色箭头表示),输送到高压侧(用红色箭头表示)。本例中的压缩机组是一种在临近水源露天运行的两级(可租用)单元,下文将详细介绍其每个重要的部件。
  底座
  压缩机的全部组件都是安装在由焊接工字钢制造的底座上的。标准底座都有两个主要可转动横梁,这样可以延伸底座的长度以支撑发动机和压缩机。大多数的底座在四周都有额外的可转动横梁。而且有很多普通横梁用以支撑各种部件。大多数情况下,这种尺寸的机组都会在底座上放置发动机和压缩机的地方铺一层加固混凝土。混凝土既可以起到缓冲作用,同时也可以增大整体质量以减弱机械固有频率带来的振动。在实际气体应用中,底座一般建在像碎石或砂砾等排水能力足够好的基础上,无论是在负载、运输、卸载还是运行的状态下,它都是来支撑整个压缩系统。
  压缩机
  它是整个系统的心脏,图6是一个四冲程的二级压缩往复压缩机。压缩机一般有1到6列,典型的可设计成1-4级。就拿二级压缩机来说,如图所示,第一级在背面,第二级在正面,而且每一级都有两个平行放置的气缸。
  燃气发动机
  图6的压缩机就是由一个十六缸往复式燃气发动机通过弹性联轴器驱动的。燃气发动机能够提供一系列的运行速度,通常为额定转速的75%到100%之间。如图4,电动机也可以用来驱动压缩机。但是电动机的工作转速是恒定的,除非安装有变频器。
 
关于撬装式往复压缩机组部件功能简论
 
  催化式排气净化器/排气消声器
  图6中,安装在风冷换热器顶部的就是一台组合式催化排气净化器和一个装在燃气发动机排气管上的排气消声器。在安装时,有时候这两者是分开的。但绝大多数情况下,为了节省空间和费用,它们一般被绑在一起安装。
  进气节流阀
  在实际的压缩应用中,进气节流阀的作用是控制气体流量,并将压缩机的工作状态控制在安全的范围内。如图6,它被安装在低压进气管上,也就是整个压缩机系统的前端。有些情况下,它也被安装在底座上,刚好在低压进气管后方的位置。进气节流阀可以降低进入压缩机的气体气压,达到减小质量流量的目的。通常这样可以减少压缩气体时的功率消耗,但也有时候达不到这样的效果。
  旁通阀
  压缩机系统的另一种常见设备是旁通阀,也叫再循环阀。它被安装在连接压缩机排气口和进气口的管道上。旁通阀的作用是实现压缩机吸排气的旁通。虽然这一循环降低了效率,但排气与进气相连接,可以使压缩机吸排气口的压力平衡,可有效降低压缩机的扭矩和燃气发动机或电动机启动时所需的功率。这时,旁通阀是间断性工作的,当压缩机在极端条件下工作时,为了降低最大工作载荷,旁通阀可以连续打开,且管道必须接在气体冷却器的后面,如图6所示。
  进气过滤器
  压缩系统的各级进气口的前端都需要安装一个进气过滤器。它可以过滤油气中混入的少量液体。进气过滤器由液面指示器和可自动清理过滤器中液体的控制器组成。第一级过滤器被安装在低压管道和第一级进气缓冲器之间。
  尽管有一个更大的液体分离装置被装在了压缩机的前端以分离较大的水滴,但是整个系统的液体分离装置必须能够分离出任何可能从油气中析出的液体,以降低压缩机内的压力和温度。这一点在实际应用中尤为重要。在这里油气中的水分会达到饱和,并混有分子质量更大的碳氢化合物,它们会在压力(比如当气体气压下降后,通过阀门时)和温度(比如经过一个暴露在冷空气中的长管道或者空气冷却器)降低的过程中由气体转变为液体。分离器同样可以从分流管道或者其它前端的位置分离出压缩机内来自气缸的润滑油。
  缓冲器
  由于压缩机会产生高压气流脉动,会引起增压设备的振动和疲劳破坏。因此,在靠近气缸的地方有必要使用缓冲器以平缓这些压力脉动。而压缩机的进气口和排气口一般分别在气缸的顶部和底部,所以压缩机的每一级进气口和排气口都需要安装一个缓冲器。当气体从进气过滤器中出来进入气缸的时候,缓冲器可以将来自前端装置的压力脉动消除。当经过增压的气体通过排气口排出的时候,缓冲器可以消除来自后端装置的压力脉动。设计用一个缓冲器来平衡压缩机同一级的所有气缸是一种常用的方法。例如,在图2,3,4和6中,在每一级缓冲器都与两个气缸相连接,而在图5中是与三个气缸连接。
  而相对较小的压缩机组,比如图1,它也可能没有传统意义上的缓冲器。但仔细观察它的气体管道时,会发现它的进气管和排气管的直径比连接气缸的管道的直径大,这样即便不使用更大的压力容器,也能控制压力脉动。一般较小尺寸的压缩机都采用这种方法。
  风冷换热器
  任何一个压缩机机组都需要一个风冷换热器。如果机组建在野外的环境下(而不是建筑物内),为了简便,风冷换热器总是安装在机组的底座或者与主底座相连的专用底座上。但如果像图4、5中那样,机组建在完全封闭的建筑物内,那么风冷换热器通常会独立于压缩机机组。
  冷却器要冷却有每一级排出的气体、发动机的冷却剂和发动机与压缩机的润滑油,有时还有涡轮增压器排出的气体。这些冷却器让气体在布满散热片的管道内不断循环,以带走在管道内循环的液体的热量。一个由发动机或者电动机辅助驱动的大风扇,可以加速外界空气在散热片周围的流动。如果实际应用需要的话,风扇还可以促进气体在管道内的流通。空气冷却器有很多类型,有气体平行流入流出的,也有气体垂直流入流出的。
  控制盘
  系统的控制盘是压缩机系统的关键设备。 它控制着压缩机运行的所有重要功能,包括压缩机的启动、暂停、容量控制、安全警报和关机等功能。控制盘可以安装在底座上(如图1、6),也可以安装在底座外(如图2、4、5)。当控制盘安装在底座外时,可以减少机组运行时产生的振动和高温对控制盘的影响,同时也能让底座上的空间不过于拥挤,方便维修。
 
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