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离心压缩机发展过程与趋势-北京空压机

上传时间:2015-12-04阅读次数:编辑:bmr

  压缩机作为化工行业生产的心脏设备,其技术的更新将直接关系到化工行业的发展变化。而中国化工行业日新月异的技术进步,也同样为压缩机制造业的技术发展提供了更加广阔的空间。传统的压缩机为活塞式(又称往复式)压缩机,20世纪五、六十年代占统治地位;近代的透平式压缩机(离心式、轴流式压缩机),因易于与工艺密切配合,较充分利用能源,因而发展迅速。基于此,本文将针对离心压缩机近些年的发展及未来趋势做出介绍。

  与生产紧密关联的发展历程

  我国离心压缩机有2次大的发展过程,都与近代工业生产密切有关。一次是20世纪七、八十年代,我国从国外大规模引进石油化工成套装置,其中最大的一次,引进化纤、乙烯、氯乙烯、大化肥、烷基苯等20余套生产装置,总计人民币137亿元(当时全年的基本建设投资约为400亿元)。同时,为保障引进设备的安全运行和备件供给,特地配套引进具有世界先进水平的离心压缩机及其配套驱动机项目。此举大大促进了离心压缩机组的发展,形成了一批与工艺密切配套的专用压缩机。其代表性的机组是大化肥装置中的“五大机组”和乙烯装置中的“三机”。实际上,石油化工的产品很多,因而压缩机的品种也很多,表1列出了部分石油化工装置中常用压缩机组,图1为相应的石油化工行业产品链。

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  从2002年下半年开始至今已有十多年,离心压缩机又经历了一次高速、稳定的发展时期,年平均增长在25%以上。此次发展不同于上次突击性的引进,而与我国重化工业推进的速度有关。据经济学家分析:我国的工业化目前尚处于上升时期,至少在2020年之前,中国工业重型化的趋势是不可避免的。因此,原料和原材料工业仍处于快速增长期,作为关键设备的机泵产品将长期需求。但因国际、国内多种原因,其发展速度不可能像前几年那么快。如果继续维持略高于90年代的发展速度(90年代的平均增长为10%~12%),则平均增速可望达到15%左右。

  行业现状与市场需求

  我国离心压缩机在经历了40余年的发展之后已经进入了一个快速、稳定的发展时期,行业的大体情况是:

  1.离心压缩机已成为以石化能源(煤、天然气、石油)为原料的化工装置中的关键、节能设备,在综合利用热量、降低成本中起着不可替代的作用。我国能源结构以石化能源为主的状况近期内不可能有太大的转变,因此在相当长一段时间内,对离心压缩机仍将保持刚性需求。2011年12月13日,国家发布了《石化和化学工业“十二五”发展规划》,同时配套发布了烯烃、危险化学品、农药、化肥等4个子规划,从《规划》可以看出,“十二五”期间我国石化、化工行业将体现由大到强的转变。根据行业发展的一些资料介绍[2][3],在炼油、乙烯、合成材料、石油天然气集输及天然气液化、煤化工等行业都有一定上规模等级的发展,仅煤化工一项,5年内将启动104个项目,总投资可能达到15000亿元。根据以往的统计,离心压缩机的年均需求量明显高于GDP的平均增速(约为1.5倍左右),预计到2015年,国内离心压缩机的年均需求量将达到200亿元人民币左右。表2为近年内国产大型透平压缩机的产量[1]。

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  2.离心压缩机国产化有了明显的提高。在大型在建或改扩建的石化装置中,离心压缩机国产化率可达到85%~90%以上。我国离心压缩机的主要生产厂沈鼓集团、陕鼓集团等在设计技术、计算手段、先进的制造设备和加工能力上并不亚于国际上的知名企业。2000年以来,由于中国经济的高速发展和巨大需求,吸引了国际上许多著名厂商进入市场。现在,国外前20名的公司差不多都在中国设有分厂、代理商或合资企业,因此,中国的离心压缩机市场已成为世界一级市场,技术水平也达到了世界一流的技术水平。

  3.我国离心压缩机制造业相对地集中在东北老工业基地、长三角经济开发区和西部地区三个大的范围内。在东北老工业基地,以沈鼓为首,还有锦西化机、葫芦岛西门子工厂等,是目前我国化工离心压缩机的主要生产基地。沈鼓是风机行业“五大鼓” 之首,是我国离心压缩机的主要生产厂,也是风机行业中产值首先过百亿的企业。在长三角经济开发区,既有上鼓、杭氧等大型国企,也有较多的外资企业,如阿特拉斯·科普柯Atlas Copco(无锡)、英格索兰Ingersoll-Rand(上海)、三星TurboMaster(无锡、上海)、曼透平ManTurbo(常州)、复盛易利达Fs-Elliott(上海)、卡麦隆-库伯Cameron-Cooper(泉州)、神钢KobelCo(无锡)、寿力IHI-Sullair(苏州)等等,另外还有一些新兴的民族企业。这个地区资源集中、工业配套、协作采购能力强,企业充满活力,具有很强的竞争力。西部地区如陕鼓、交大赛尔、重庆通用等各具特色。陕鼓集团是以生产轴流压缩机、离心压缩机、工业流程能量回收透平等成套机组为主,拥有全新服务理念的企业;交大赛尔是以西安交大自行开发的“全可控涡”三元流理论为核心发展起来的试验、选型、设计、制造、工程、服务为一体的科技型企业;重庆通用则以生产离心制冷压缩机成套装置为主。随着西部地区石油、天然气资源的开发和新疆、内蒙地区煤化工业的发展,西部地区透平压缩机制造业具有独特的地域优势。

  4.我国离心压缩机制造业总体上与国外尚存在一些差距,主要差距在研究开发投入和产品质量等方面。根据产品制造、供应的一些情况,现将国内外压缩机产品的差距整理列于表3。

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  归根结底,主导离心压缩机发展的是市场的需求,即用户的各种显性需求和隐性需求。归纳起来,大体有以下几个方面:

  1.提高设备的质量和可信度。离心压缩机的产品质量还存在多种多样的不足,包括国外的离心压缩机在内,在使用过程中或多或少都出现过一些问题,总体评价脱离不了“总体运行情况良好”、“基本满足生产需求”等评语,离“优质产品”、“放心产品”还有一些距离;对国内产品,则更有些差距。用户是赞同国产化的,但希望进一步提高质量,增加产品的可信度。

  2. 全面提升服务质量,渴望个性化服务。对用户而言,首先要求优质的产品售后服务和及时的备件供应,希望在设备运行出现问题时,供货商能快速地到现场处理解决问题。用户反映,外商售后服务较差,备件供应困难且价格贵;国内制造厂则有重主机、轻辅机的倾向,主机出了故障,维修及时;但如果辅机出现问题,如润滑油系统、冷却系统等故障往往处理不力。其次,用户可能还有各种生产过程中的需求,希望制造商改变服务理念,实现全方位的服务,满足用户的特殊需要。用户不仅仅是购买一种产品,而是渴望个性化服务,帮助用户解决与压缩机有关的多方面的需求。

  3.缩短供货期,呼唤预制时代。离心压缩机的正常供货周期一般在20~25个月左右。由于建设单位投资周期长,希望尽量压缩建设周期。在买方市场的条件下,设备供应商为得到订单往往被迫将设计、制造周期压缩在一个畸形的、不正常的短期内,其结果往往不是供货拖延就是设备质量出现疏漏。因此,市场呼唤在单机研制的条件下(包括设计计算、制造、试验的全过程),实现部分部件预制的过程——即离心压缩机预制时代的到来。离心压缩机的预制要求设计计算模型化、部件的标准化、通用化、模块化和整机的积木化装配更加成熟、可靠、严密和科学。

  4.对离心压缩机的其它需求。对离心压缩机的需求是多方面的,例如在设备成套供货方面,用户一般希望主机厂将驱动机的供货包括在内。在习惯上,电机是包括在供货范围内的,但汽轮机由另一家厂商供货,其油路系统、控制系统、基础、管路等自成体系,因此,如何提高设备成套能力有待多方面的合作努力。又如,工艺、设备并重也是用户的一贯追求。在化工生产中,由于温度(高温、低温)、密封(有毒、易漏、易燃、易爆)、工艺特性(腐蚀、冲刷、结焦)、生产环境、环保要求等的特殊性,希望设备性能适应工艺的要求,制造商必须深入了解工艺特点,设计出结构合理、性能能够满足生产需要的机组,这也是制造商一个需要长期奋斗的目标。

  市场需求主导技术创新

  透平压缩机目前正向着大型化、高效节能、个性化(针对工艺特点的专用压缩机)、提高综合性能(稳定性、可靠性、环保性)等方向发展。一款新产品往往综合了许多新技术,以下介绍几种高新技术产品。

  1.电驱压缩机

  电驱压缩机是指由变频电机直接驱动离心式压缩机的机组,中间不需要齿轮传动,因此具有体积小、维护简单、使用效率高、无污染等优点。据介绍,电机的维护费用仅为汽轮机或燃气轮机维护费用的四分之一,噪声能减少20分贝以上,且无污染物排放(CO、NO、SO、污水、污油等),符合近代环保的要求,目前主要用于天然气输送等。

  图2为GE公司研制的一种“集成式电驱压缩机”,电机与压缩机装在一个用螺栓连接的筒型机壳中,主机可以安装多个叶轮。关键技术之一是使用磁力轴承,省略了润滑系统,并且由于工艺气体在密闭的筒型机壳中内部流动,不会泄漏到外界,因此不需要密封系统。同时,该工艺气又可作为载冷剂,对电机进行冷却,不需要外界冷却。磁力轴承分为径向磁力轴承和轴向磁力轴承二种,是依靠磁力将转轴悬浮起来进行高速旋转或产生止推作用。这样,以气体摩擦代替油膜摩擦,减少了摩擦损失。

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  国产的20MW级电驱压缩机组已实现自主化,由沈阳鼓风机集团、上海电气集团以及广电电气研制的国家重大专项科研项目——首批国产天然气管道20MW级电驱压缩机组已在西气东输二线应用。机组由管道压缩机、高速防爆同步电机、高压变频调速装置、机组综合控制系统、辅助系统、集成联调试验等部分组成。电机额定转速为4800rpm,变频器容量25MVA,压缩机转速达4740rpm。

  2. 大流量及高压透平压缩机

  离心压缩机的压力和流量范围在不断地扩大,在去年上海第五届国际压缩机、风机高峰论坛会上,曼柴油机和透平股份公司介绍了一种为大型空分研制的径向加轴流MAX1型压缩机,七级轴流式叶片加两级离心叶轮安装在同一根轴上(中间带级间冷却器),出口压力0.8~0.9MPa,气量可达70~150万m3/h,如图3所示。根据气量和压力不同,轴流组和离心组的级数是可以增减的。例如,日产5512t氧气(氧流量约为16万m3/h)的MAX1空压机,拥有10个轴流级和3个径向级,压缩比可达到21。这类压缩机的特点是流量大,同时压比高,压缩机结构的设计可以根据工艺需要调节,适应工况性能好,可靠性高、维修方便。除空分外,还应用于钢铁、化肥、石油和天然气的下游加工装置中。

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  除了大流量高压之外,曼透平还开发了一种超高压离心压缩机,其筒型结构压缩机最大吸入流量为23万m3/h,最高压力可达10万kPa,主要应用于石油和天然气的上、中、下游各生产部门。

  3. 离心压缩机在天然气储运工程上的应用

  离心压缩机在天然气储运工程上的应用是近年来最重要的应用之一,也是继离心压缩机70年代在石油化工厂广泛应用之后,又一个里程碑式的发展。

  其特点是:一、应用的范围广、市场大。天然气作为高效、优质、清洁能源和石油化工原料,其用途越来越广,需求量不断增加,天然气管道输送及液化储运是一个长期刚性需求的项目。二是技术复杂、要求高。由于管道压缩机要在野外恶劣复杂的环境下(抗震、抗风、防沙、防雷、防腐蚀、易燃易爆)服役,对管道压缩机要求长周期、可靠地运行,具有宽广的调节范围和适应性及高的运行效率。因此,管道压缩机研制涉及多个学科和领域,是一项技术先进、系统复杂、横跨多学科多专业的高度集成化系统工程。天然气液化则主要是制冷用压缩机,主要技术是低温材料(合金钢)、高马赫数模型级等。

  图4为单台(套)管道输气用电驱压缩机组,图中,压缩机采用润滑轴承,密封采用干气密封系统。

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  结束语

  离心压缩机的增长速度尽管从去年开始有所下降,但它节能低耗的工艺特性与工业生产流程的内在联系将维持其持续快速地发展。我国的市场资源未得到充分利用,巨大的本土市场为离心压缩机的使用创造了极有利的条件。无论企业的性质(国企、民企、外企)如何,在中国市场激烈的竞争中必须具备创新(新技术开发能力)、品牌(质量和诚信)、服务(全面提升服务质量)的实力与理念。

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