螺杆压缩机在工业气体中的应用

摘要：根据螺杆压缩机的性能、结构特点，详细展示了无油螺杆压缩机和注油螺杆压缩机在工业气体中的应用，为螺杆压缩机的应用选型提供参考。

关键词：螺杆压缩机 无油 注油 工业应用

压缩机有多种分类方法，最为常见的是按压缩气体的原理不同，可以分为两大类：动力式和容积式。动力式是通过增大气体机械能或压力能提高气体压力压缩气体，主要有离心压缩机和轴流压缩机；而容积式是通过挤压气体使其体积减小从而压缩气体，主要有螺杆压缩机和活塞压缩机。

螺杆压缩机的压缩不是动力式而是容积式，确切地说象活塞式压缩机，因此又被称为“旋转活塞机械”。螺杆压缩机确实具有离心式和活塞式机器的优越性，而同时避免了它们的缺点。

一、螺杆压缩机的特点

螺杆压缩机有两种型式――无油螺杆压缩机和注油螺杆压缩机。

螺杆压缩机适用于容量200～100000m3/h和压力从几毫米汞柱到100barG，更大的容量范围多见于透平压缩机，更高的出口压力则多采用活塞压缩机。依据压缩气体的不同类型，压比在约1.3至6之间的可由单级螺杆压缩机压缩处理，压比大于6的可通过多级压缩或注入液体处理。

为了保证最小的内泄漏，大型螺杆压缩机在较高的圆周速度下运行，除了同步齿轮以外，机器需要一个独立的变速箱，转子需用压力供油的精密轴承，最后，还需用消声装置防止运行产生的高频噪音。

对于无油机组，因制造原因引起与设计间隙的偏差影响较小，并不妨碍达到保证的排气量，但对于低速机器，不仅设计点的容积效率较差，而且过大的间隙对降低容积效率有更显著的影响。在某些情况下，随着容积效率曲线下弯，相应引起过热和随之而来的热膨胀，到一定程度将使机器不可能运行。

一般情况下，高速运行的机器温度较低，所以比低速运行的机器较为安全一些。当然，速度往往跟经济性有关，涉及电机的极数、变速箱、蒸汽透平的转速和效率等。

效率曲线的平坦特性不仅与圆周速度有关，而且也和运转时的压力比有关。曲线是机器在恒速下运转且具有由机器结构决定的内压力比时的工作压力比的函数。压缩线达到相应于机壳内固定的出口边缘的设计压力。如果管网压力在同一压力值，排出过程立即跟着进行。如果机器的工作压力不符合所谓的内压力比，当达到排气口边缘时，可能发生两种情况：或者先膨胀到较低的管网压力，而后在此压力下排出；或者等容压缩到较高的管线压力后再排出。气体总是在修正的背压下排出。小斜线三角形直接表征带有固定排气孔口边缘的压缩机与理想压缩比较，必然要作多余功。

接近实际压缩比的效率曲线是平坦的，内压力比与实际压力比相符合就获得效率峰值。另外，当压力比升高时，容积效率降低很小。从这里再次看到螺杆压缩机表现出典型的活塞压缩机的特性。因为螺杆压缩机运转速度高，许多人一直把它看作透平压缩机类和动力式地进行压缩的机器。螺杆压缩机具有低压大排量和高压小排量的特性，正好象一般的透平压缩机那样。

螺杆压缩机不仅具有纯旋转透平机械的优点，同时兼有活塞式机械简单而运行特性稳定的特点。主要体现在：

结构紧凑，无往复式压缩机组吸排气阀、活塞环等影响设备长周期运行的易损零配件，维修保养工作极小；

由于转子在低于第一临界转速下运行，排出的气体连续、无低频脉冲，机组运转平稳、振动小；

气体可含尘或液滴，甚至允许向压缩室直接注入液体进行冷却及冲洗；

近乎垂直的性能曲线，不管气体压力、温度及组成的变化，较易提供在规定压力下所需的工艺流量，无喘振；

极好的部分负荷特性，可实现15%～100%无级调节；

轻分子量气体的压缩只需较少压缩级；

高可靠性和高可用性（大于99%）。

二、 无油螺杆压缩机的应用

无油螺杆压缩机的压缩是无油的，气体没有污染，反之，已经存在于气体中的杂质和液体成分对螺杆压缩机没有多大干扰。气体成分、分子量和/或压比的变化几乎不会对实际气体流量造成影响。适宜水或液体物料的注入，以用于冷却、洗涤及防止聚合及其它不希望的过早反应。无油螺杆压缩机能够处理绝大多数气体：

小分子量气体，如氢气；

惰性气体，如氮气；

水蒸汽；

氧气；

腐蚀性气体，如氯化氢、硫化氢；

脏或含尘气体，如高炉煤气、焦炉煤气；

有毒气体，如光气、一氧化碳；

烃及其混合物，如天然气、氯乙烯、丙烯等。

尤其适用于下列复杂工况。

气体脏或含粉尘

有聚合物生成

液体夹带

含腐蚀性成分

气体成分和/或分子量变化

流量波动

压力或压比的变化

离心压缩机会因聚合物粘附在叶轮上受到影响。当粘附到叶轮上的聚合物达到一定量时，会因不平衡引起振动值过高；同时因流体通道减小使机器性能下降。

在上述复杂工况下，活塞压缩机需要频繁大修，甚至需要安装备机以使装置能够连续性运行。无油螺杆压缩机采用刚性转子设计，在低于第一临界转速下运行，对不平衡引起的振动不敏感，因此可以不受转子及壳体表面上生成的聚合物的影响。在某种意义上说，粘到转子上的异物由于减小了转子之间的间隙和转子与机壳之间的间隙，反而增加了容积效率。有些情况下，为防止聚合物变硬影响机器或工艺运行，可以注入水或液体溶剂来软化或溶掉聚合物。

无油螺杆压缩机在石油化工、炼油、一般化工、能源工业、油气等各领域等有着广泛的应用。典型的应用实例有

1. 石油化工

苯乙烯装置废气压缩机：有聚合物生成，注水或乙苯。

丁二烯装置循环气压缩机：有聚合物生成。

直链烷基苯装置循环气压缩机：流量大、低分子量、组分变化。

高密度聚乙烯装置中循环C4的压缩：含聚合物颗粒。

各种石化装置含氢混合物的压缩：苯乙烯装置上含氢废气压缩多采用无油螺杆压缩机。

2. 炼油

炼厂废气回收：组成、流量变化，因含有硫化氢或氯气带有腐蚀性。

化工

纯碱厂的石灰窑气压缩：

TDI/MDI装置光气、氯气的压缩

氯化氢气体的压缩

一氧化碳气体的压缩

多晶硅项目尾气压缩

3. 能源工业

焦炉煤气压缩。

钢厂用炉燃气压缩）。

燃气透平或炉子燃料的增压。

含乙炔气体的压缩

4. 油气

海上油气回收（气体组成、进口压力和流量波动工况尤其适宜）

油气采集过程中的压缩

5. 其它

空气和洁净气体：工业装置上的仪表空气系统，其压缩空气必须是无油的，采用无油螺杆压缩机已经证明是非常可靠的。在空分装置中，氧气要求绝对无油压缩，而氮气也必须是完全洁净的。

可用于天然气、乙烯、丙烯、烃气体、二氧化碳、氨气、真空泵、蒸汽等场合。

三、 注油螺杆压缩机的应用

随着高品质油和油分离技术的发展，注油螺杆压缩机的能力和出口压力得到了很大提高。它们被广泛应用于炼油、石化、钢铁、发电和能源等领域。

1. 燃气透平燃料气增压

通常燃气透平需要的燃气压力约为20barG，而更为先进、高效的燃机对燃气压力要求则高达70barG。不管燃机负荷变化，还是燃料气压缩机入口压力波动，都要求燃料气压缩机出口压力稳定。0.4～500MW的燃机发电机组都能选到合适的注油螺杆压缩机给燃料气增压。通过设置气路旁通阀和部分负荷滑阀，实现了压缩机出口压力的稳定，同时减少了该压缩机的能耗。

某6.5MW燃气透平燃料气增压压缩机：入口压力3.90barG，出口压力20.6barG，流量2010Nm3/h，电机185kW；

某PDH装置2台32MW燃机用燃料天然气增压压缩机：入口压力3.91barG，出口压力29.0barG，流量20000Nm3/h，电机1852kW。

2. 氢气和氦气

压缩极轻的气体总是很困难的。离心式压缩机处理纯氢气需要的级数是处理空气获得同样压力的15倍。容积式压缩机的特性是对气体的比重不敏感。但是，甚至螺杆压缩机压缩纯氢气时，内泄漏损失也要增加。对于空气假如一级能满足需要，氢气则需要两级，且应尽可能提高转速。另外，氦气在所有气体中等熵指数是最高的（比热1.66），被压缩时温升非常明显。因此，用其它型式的压缩机压缩氦气较注油螺杆压缩机会需要更多的级数，以使出口温度维持在可接受的范围。

虽然是注油螺杆压缩机，由于高效的分离效果，特别是第二级气油分离器的聚合分离结构和滤芯排布可使出口的含油量低于气体重量流量的0.05ppm，这对工艺气体含油要求严格时非常重要。因此，注油螺杆压缩机被广泛应用于PSA原料气和尾气的压缩。

某PDH装置副产氢气在PSA提纯前使用2台注油螺杆压缩机增压：入口压力7.016barG，出口压力30.016barG，流量4440am3/h，电机2743kW；而PSA提纯氢气后的尾气则是经过一台注油螺杆压缩机压缩后进入燃料气系统：入口压力0.216barG，出口压力4.216barG，流量15446am3/h，电机1640kW；

某低温工厂，极低的温度是3级螺杆压缩机与下游的氦气透平膨胀机一起产生的。

3. 焦炉煤气

焦炉煤气含有腐蚀性气体、焦油和其它杂质。选用注油螺杆压缩机，是因为油膜可以抑制腐蚀和带走杂质，维持低的出口温度可以减少聚合物胶的形成。

4. 炼厂废气

炼厂废气主要成分为氢气、甲烷、乙烷，还含有少量丙烷、丁烷、戊烷等重组分。根据工艺不同，废气的组成和流量经常发生变化。注油螺杆压缩机非常适于这种不稳工况，通过滑阀调载还可以节能。某炼厂选用4台KS31MXN型注油螺杆处理Refinery Off Gas， 入口压力0.788MPaA，出口压力2.063MPaA，单台流量20000Nm3/h，电机1050kW；

5. 一氧化碳和二氧化碳气体

注油螺杆压缩机可以使用食品级油来。这一点在食品加工厂制取干冰和其它用途的二氧化碳压缩机已得到证实。

6. 低温库区BOG、城市煤气、石化厂干净气体等增压

某LNG库区BOG压缩机选用2台注油螺杆压缩机。入口压力0.104MPaA，出口压力1.031MPaA，流量900/1750m3/h，电机155/290kW；

某厂选用KS27SEH注油螺杆压缩机将城市煤气由0.451MPaA压至3.801MPaA后输送，流量7500 Nm3/h，电机1150kW；

某石化厂使用注油螺杆压缩机给装置含氢混合气体增压。入口压力11.7barG，出口压力20barG，流量28500Nm3/h，电机820kW。

7. 冷冻系统

某80kMTA乙烯法氯乙烯装置使用2套Macom注油螺杆压缩机压缩R22为氯化氢塔顶冷凝器提供冷源。入口压力0.7barA，出口压力16.5barA，流量22108kg/h，电机630kW；

某200kMTA乙烯法氯乙烯装置使用2套YORK注油螺杆压缩机压缩R22为氯化氢塔顶冷凝器提供冷源。

低压级：入口压力0.68barA，出口压力4.57barA，流量9000m3/h，电机661.5kW；

高压级 ：入口压力3.98barA，出口压力15.8barA，流量3327m3/h，电机735kW。

尽管螺杆压缩机有很多优点，但是，每种压缩机都有其自身的特点，是某种特定应用的最佳选择。我们必须仔细研究每种应用，然后选用最适合它的压缩机型式。