技術領域

本發明涉及一種用于尿素裝置二氧化碳加壓的離心式壓縮機組，也涉及當今國際上興起的EOR技術（油田注CO₂提高原油采收率）、CCS技術（碳捕捉及封存）、煤化工中煤氣化爐噴粉煤等領域需要的一種單軸式+多軸式二氧化碳離心壓縮機組。?

背景技術

1.目前國內外尿素裝置的離心式二氧化碳壓縮機組，絕大部分采用“汽輪機+單軸式低壓缸+齒輪箱+單軸式高壓缸”機型。這種機型存在以下技術缺陷：?

缺陷一，小流量、高壓比的高壓缸采用單軸式，效率很低。?

實例：美國一家知名透平機械制造公司，2012年8月為孟加拉1760MTPD尿素裝置CO₂壓縮機的報價即能說明此缺陷。該壓縮機額定工況條件：54,908kg/h濕基、進氣1.442bar.A、排氣143.1bar.A。低壓缸采用單軸式合理,第1、2段的多變效率高，為83.58％、78.82％；但是對于高壓缸，隨著壓力升高，體積流量大幅度減小，仍采用單軸式機型，葉輪的最小出口寬度僅3.65mm,相對寬度僅3.65/280.54=0.013，遠低于0.03～0.085的高效范圍，效率必然很低,第4段的多變效率僅為50.1％。因為兩缸的級數都是7級，軸承間距大，使提升高壓缸的轉速來增大高壓缸效率的手段受到限制。?

缺陷二，低壓缸和高壓缸都是徑向進氣。?

軸的干擾使葉輪進氣室內部流場不均勻度很大，將降低級效率和單級壓比。?

缺陷三，汽輪機在端部,低壓缸軸需傳遞機組的總功率。?

造成低壓缸的軸、軸承、軸封的直徑都要加大。由于低壓缸的軸粗，又是徑向進氣，軸的干擾使葉輪進氣不均，進一步降低級效率和單級壓比。這就是現有技術的單軸式CO₂壓縮機效率低，葉輪級數多的原因之一。?

缺陷四，不適應兩缸中多種壓力等級的抽氣以及各抽氣量分別調節的工藝優化要求。?

單軸式高壓缸為筒袋式，在機殼上增加抽氣接管要修改設計，兩缸又均無進口導葉，因此，各抽氣量的調節只能用調轉速一種方式等比例調節，再用閥門分別節流，不經濟。?

缺陷五，高壓段喘振流量距正常工況流量較近，當尿素裝置減負荷運行時，四回三防喘振閥長期開啟,浪費能源。?

2.國外現有技術的純多軸式二氧化碳壓縮機組?

隨著多軸式壓縮機技術的不斷進步，通過近三、四十年的發展，現已普遍應用在空分、化工等各個領域。多軸式壓縮機由于能改變轉速，各級葉輪直徑和轉速易實現最佳匹配，并且每級葉輪均為軸向進氣，流動狀態比徑向進氣的單軸式壓縮機均勻，所以效率高，可大幅地降低能耗；再加上結構緊湊等優點，全球離心壓縮機制造廠和使用者都看好這種節能又節資的機型。?

為了提高效率和單級壓比，GHH-BOSIC公司在1995年就生產出了世界首臺五根高速小齒輪軸的10級多軸式CO₂壓縮機，進口壓力1.04bar.A，出口壓力200bar.A，此臺壓縮機用于俄羅斯的一家尿素裝置。但其結構相當復雜，由兩個大齒輪、五根高速小齒輪軸、10級葉輪等構成，運行時故障率高，其根源是第7～10級葉輪所在的第4、第5小齒輪軸在第三階臨界轉速附近運轉。?

2001年GHH-BORSI公司被曼透平公司收購后，曼透平公司轉為開發一個大齒輪的八級多軸式CO₂壓縮機，進口壓力常壓或低正壓，出口壓力160bar.A。設計者忽略了多軸式壓縮機只有在小流量范圍內優勢才突出的特點，將多軸式機型擴大到總壓比很大的整個壓縮機上，由于低壓段氣體的體積流量大，蝸殼尺寸特別龐大，為在大齒輪的四外圍布置八個蝸殼，大齒輪的外徑必需加大，這樣使齒輪的節園速度很高。?

受高精密磨齒機的規格和齒輪表面滲氮熱處理爐腔尺寸的限制，目前世界頂級高速齒輪的制造技術是，大齒輪的最大直徑為3.3m，齒輪的最高節園速度為201m/s。如超過上述值，振動和噪聲將大幅度超標，齒輪的壽命也較短。?

10級或8級多軸式CO₂壓縮機把多軸式機型用到總壓比很大的整個壓縮過程上，將對轉子動力學提出很高的要求，七軸或六軸耦合帶來的轉子動力學的復雜性使得壓縮機運行風險增大。?

由此可見，純多軸式CO₂壓縮機存在以下缺陷：?

缺陷一，齒輪的節園速度很高，影響高速重載的小齒輪和大齒輪的使用壽命。?

缺陷二，七軸或六軸耦合帶來的轉子動力學的復雜性使得壓縮機運行風險增大。?