Компрессоры представляют собой машины для сжатия и перемещения газообразных агентов, например, воздуха, кислорода, водорода, природного газа и т. п. (далее по тексту - газа). Они нашли широкое применение в народном хозяйстве, в том числе в нефтяной и газовой промышленности.

Области применения компрессоров в этих отраслях следующие:

• подъем пластовой жидкости на поверхность при компрессорном способе добычи нефти;
• закачка газа в нефтяные пласты с целью поддержания и восстановления пластового давления;
• закачка газа в подземные хранилища;
• освоение скважин после бурения и ремонта;
• подача воздуха в пневматические системы буровых установок;
• подача окислителя (воздуха) в нефтяные пласты при эксплуатации месторождений с применением внутрипластового движущегося очага горения;
• сбор газа при эксплуатации нефтяных и газовых месторождений и подача его на головную компрессорную станцию;
• сжатие нефтяного газа в сепарационных установках;
• транспортирование газа по магистральным трубопроводам;
• подача воздуха в пневматические системы различных грузоподъемных, транспортных и других машин, приборов, инструментов и приспособлений, применяемых в нефте - и газодобыче;
• опрессовка трубопроводов, емкостей и т. п. в процессе испытания их на прочность и плотность;
• перемещение газа в установках заводов по переработке нефти и газа;
• удаление газа с целью создания в какой-либо полости вакуума;
• вентиляция с целью охлаждения оборудования и циркуляции воздуха в помещениях;
• теплопередача (в охлаждающих рубашках машин, подогревателях, холодильных установках).

Компрессор — устройство промышленного применения для сжатия и подачи воздуха и других газов под давлением.

Компрессоры соответственно по способу действия можно разделить на три основные группы: объёмные, лопастные и струйные. При классификации по конструктивному признаку объёмные компрессоры подразделяются на поршневые и роторные, а лопастные – на центробежные и осевые.

Кроме того, все компрессоры различаются:

Ø по конечному давлению - низкого давления (до 1 МПа), среднего (до 10 МПа), высокого (до 100 МПа) и сверхвы­сокого (более 100 МПа);

Ø по роду перекачиваемого газа - воздушные, кислородные, аммиачные, для природного газа и др.;

Ø по условиям эксплуатации: стационарные (с массивным фундаментом и постоянным обслуживанием); пере­движные (перемещаемые при эксплуатации, иногда без постоян­ного обслуживания); автономные (с собственными вспомогатель­ными системами, включенными в состав агрегата);

Ø по системе охлаждения: без искусственного ох­лаждения; с воздушным охлаждением; с внутренним водяным охлаждением; с внешним охлаждением в одном, двух и т. д. промежуточных охладителях; охлаждаемые впрыскиванием жидкости.

Основными параметрами, характеризующими работу компрессора, являются объёмная подача   (исчисляется обычно при условиях всасывания), начальное p ₁ и конечное p ₂ давления или степень повышения давления ε = p ₂ / p ₁, частота вращения n и мощность N на валу компрессора.

Центробежные компрессоры. Принцип действия и

Устройство

Центробежные компрессоры по принципу действия и устрой­ству подобны центробежным насосам, но имеют особенности, связанные со сжимаемостью перекачиваемой среды и высокими частотами вращения (десятки тысяч оборотов в минуту).

Так же как и насосы, центробежные компрессоры подразделяются на одно­ступенчатые (нагнетатели) и многосту­пенчатые (нагнетатели и собственно ком­прессоры), однопоточные и многопоточ­ные.

Схемы одноступенчатых компрессо­ров показаны на рис. 16.

Рис. 16 Одноступенчатые лопастные компрессоры

В многоступенчатом нагнетателе или компрессоре имеются все характерные элементы многоступенчатого насоса - направля­ющие аппараты НА, обратные направляющие аппараты ОНА, диафрагмы с уплотнениями Д (рис. 17, а). На эпюре показано изменение давления и скорости газа в рабочем колесе и в отводе между точками 1, 2, 3 и 4.

Рис. 17. Схемы многоступенчатых центробежных компрессоров

Многоступенчатые нагнетатели выполняют в одном корпусе (рис. 17, б). На выходе из последней ступени газ поступает в улитку или сборную камеру, а затем направляется в нагнета­тельный патрубок.

Многоступенчатый компрессор (рис. 17, в) состоит из не­скольких секций (при показателе адиабаты k = 1,40 до трех ступеней в каждой) с промежуточным охладителем X. Промежу­точное охлаждение необходимо для экономии мощности путем приближения процесса ступенчатого сжатия к изотермическому (подробнее см. далее). Число промежуточных охлаждений уста­навливают, сопоставляя  экономию мощности компрессора с дополнитель-ными затратами на охлаждение и усложнение компрес­сорной установки при увеличении числа охладителей.

Сжатие с одним промежуточным охладителем выгодно при ε = 2,5 - б. С уменьшением значения показателя адиабаты k указанный верхний предел величины ε  возрастает. Сжатие в одном корпусе с двумя промежуточными охладителями эффективно при более высоких степенях повышения давления (до 10 при k = 1,4). С увеличением числа рабочих колес в одном корпусе и удлине­нием ротора снижаются критические частоты вращения вала, при которых возникают недопустимо большие вибрации отбалансированного ротора. Когда рабочая частота существенно отличается от критической, прогибы вала и вибрационные нагрузки резко снижаются. Рабочая частота может быть меньше или больше пер­вой критической, при этом вал называют соответственно «жестким» или «гибким». Возможности повышения критических частот путем уменьшения массы роторов и увеличения их жесткости ограни­чены. В связи с этим, при ε  > 10 приходится размещать рабочие колеса в двух корпусах.

Например, компрессор К-380-101-1 с объемным расходом газа на входе 500 м³/мин, предназначенный для сжатия нефтяного газа от 0,15 до 4,2 МПа (ε = 28), выполнен с двумя корпусами. В каждом корпусе расположено по пять рабочих колес. Частота вращения ротора в первом корпусе составляет 7 350 об/мин, во втором - 17 тыс. об/мин. Компрессор имеет только один охла­дитель между корпусами, что объясняется низким значением показателя адиа­баты сжимаемого газа, а также возможностью выпадения жидкой фазы при его охлаждении.

 В отличие от насосов рабочие колеса в компрессоре могут быть неодинаковыми по диаметру и по форме. Обычно наружный диаметр колеса уменьшается с увеличением порядкового номера секции; внутри секции колеса имеют, как правило, одинаковый диаметр, но могут отличаться шириной каналов в меридиональ­ном сечении (в частности, отношением b ₂ / D ₂ . Это объясняется следующими причинами. Если диаметры и тип лопастного аппа­рата у всех колес в одном корпусе выполнять одинаковыми, что удобно технологически и удешевляет изготовление машины, то, поскольку объем протекающего газа уменьшается, а меридиональ­ная скорость c _{2 m}  сохраняется постоянной, последние колеса окажутся чрезмерно узкими (b ₂ / D ₂ мало), что приведет к росту аэродинамических потерь и снижению КПД.

Если же диаметры при переходе от первой секции к последующим уменьшаются, то получают приемлемые значения b ₂ / D ₂  и в последних ступенях.

 С уменьшением диаметра колес снижается окружная скорость u ₂, и, следо­вательно, требуется больше колес для заданной степени повышения давления ε.

 А это приводит к увеличению осевого габарита машины, и к снижению крити­ческих частот вращения ротора, вследствие чего появляется опасность сближе­ния рабочей частоты вращения со второй критической. Поэтому в одном и том же компрессоре иногда применяют лопастные аппараты различного типа. При этом выходной угол наклона лопастей β_2л  и скорость c _{2 m}  постепенно уменьшаются от первой ступени к последней, что позволяет сохранить диаметры ступеней внутри одного корпуса равными или близкими.

Для привода центробежных компрессоров применяют: стан­дартные электродвигатели, достоинствами которых являются простота запуска и удобства в эксплуатации; газовые турбины, обла­дающие автономностью, более высокой, нежели стандартные электродвигатели, частотой вращения (5,5 - 6,0 тыс. об/мин) и возмож­ностью экономичного регулирования; паровые и воздушные (для холодильных компрессоров) турбины с высокой частотой вращения (до 100 тыс. об/мин)¹.

Осевые компрессоры

Принцип действия и устройство. По принципу действия осевой компрессор подобен осевому насосу. Главное направление движения газа – вдоль оси вращения, траектории частиц газового потока расположены на цилиндрических или слегка конических поверхностях. Устройство осевого компрессора показано на рис. 18. 

Рис. 18. Осевой компрессор

а – схема компрессора; б – ступень; в – замковый паз; 1 – корпус;

2 – ротор; 3 – подшипники; 4 – уплотнения; 5 – входной конфузор;

6 – входной направляющий аппарат; 7 – рабочий венец; 8 – направляющий венец; 9 – спрямляющий аппарат; 10 – выходной диффузор

Ступень компрессора состоит из двух рядов (венцов) лопастей ротора и статора. Во входном направляющем аппарате перед первой ступенью поток закручивается в ту же сторону, что и направляющих аппаратах ступеней. Из последнего спрямляющего аппарата поток выходит в осевом направлении. Вместе с объёмом сжимаемого газа уменьшается высота лопастей в венцах. В первых ступенях отношение диаметра втулки к диаметру корпуса обычно бывает d _в / d _к = 0,5 – 0,7, а в последних ступенях 0,7 – 0,9. Применяют преимущественно две схемы проточной части: а) с постоянным диаметром корпуса, б) с постоянным диаметром ротора. Схема а позволяет снизить число ступеней, так как при прочих равных условиях средний диаметр проточной части в этой схеме больше, чем в схеме б, и, следовательно, мощность каждой ступени выше. Поэтому схему а применяют там, где в особенности необходимо уменьшить габариты и массу машины. Схема б удобна и проста для изготовления, и поэтому она более приемлема для компрессоров стационарных установок.

На рис. 19 изображены боковой вид и продольный разрез двадцатиступенчатого осевого компрессора. Компрессор имеет промежуточный отбор после восьмой ступени и, следовательно, подаёт воздух двух давлений.   

Рис. 19. Осевой компрессор:

1 – опорный подшипник; 2 – барабан; 3 – корпус; 4 – патрубок промежуточного отбора; 5 – диффузор; 6 – переходные патрубки; 7 – опорно – упорный подшипник; 8 – фланец жёсткой муфты

Компрессор выполнен с постоянным внутренним диаметром корпуса (см. рис. 19., б). Корпус имеет разъём в горизонтальной плоскости. Подвод и вывод воздуха – в осевом направлении. Ротор массивный, большой массы.