乙烯裝置透平膨脹機(jī)主機(jī)國(guó)產(chǎn)化探討

郭善忠

(中國(guó)石化中原石油化工有限責(zé)任公司，河南濮陽(yáng) 457000)

1 機(jī)組簡(jiǎn)介及國(guó)產(chǎn)化原因

中國(guó)石化中原石油化工有限責(zé)任公司使用的透平膨脹機(jī)為美國(guó)MAFI-TRENCH公司的EC2型系列產(chǎn)品，于1996年投用，該機(jī)型是20世紀(jì)90年代初期的產(chǎn)品，共三段，分三段膨脹和三段壓縮。每段均由膨脹端作為驅(qū)動(dòng)端帶動(dòng)壓縮端葉輪旋轉(zhuǎn)對(duì)氣體進(jìn)行壓縮，末級(jí)壓縮端氣體在獲得一定壓力后最終進(jìn)入燃料氣系統(tǒng)。

透平膨脹機(jī)是乙烯裝置分離冷分裝置的關(guān)鍵機(jī)組，該機(jī)組起著回收系統(tǒng)冷量和調(diào)節(jié)冷箱壓力的雙重作用，工藝地位至關(guān)重要。機(jī)組自1996年投入運(yùn)行，已運(yùn)行10年以上，備件儲(chǔ)備量不能滿足正常設(shè)備檢維修的需要，但國(guó)外備件采購(gòu)周期長(zhǎng)，價(jià)格昂貴，經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)膨脹機(jī)發(fā)展情況和使用效果的了解，最終決定對(duì)透平膨脹機(jī)主機(jī)組件進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化。

2 設(shè)計(jì)、制造的難點(diǎn)和重點(diǎn)

機(jī)組性能設(shè)計(jì)上，應(yīng)用先進(jìn)的CFD-ACE軟件和COMSOL軟件對(duì)膨脹—壓縮機(jī)組的主機(jī)氣體流通部件如葉輪流道等進(jìn)行綜合性能分析，并對(duì)流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保主機(jī)效率接近國(guó)外同類機(jī)組的運(yùn)行效率。

2.1 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子兩端分別裝有膨脹機(jī)葉輪和壓縮機(jī)葉輪。轉(zhuǎn)子是本主機(jī)最為重要組件之一，加工最為復(fù)雜、精度要求最高，加工、檢測(cè)設(shè)備多為進(jìn)口設(shè)備，設(shè)計(jì)加工均采用進(jìn)口軟件，零件嚴(yán)格按照詳細(xì)的工藝規(guī)程進(jìn)行加工而成。

本套機(jī)組的主機(jī)要適應(yīng)不同的設(shè)計(jì)工況和核算工況，機(jī)組在每種工況下運(yùn)轉(zhuǎn)都是同樣的轉(zhuǎn)子，只是轉(zhuǎn)速不同。為了保證機(jī)組在每種工況下運(yùn)轉(zhuǎn)都有較好的效率和很高的運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性，本主機(jī)的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為一剛性轉(zhuǎn)子，其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最高轉(zhuǎn)速都遠(yuǎn)低于它的一階臨界轉(zhuǎn)速。這樣，機(jī)組在任何工況下運(yùn)轉(zhuǎn)操作都很容易，運(yùn)轉(zhuǎn)也安全可靠。

主軸是空心軸，材料為40Cr，材料性能與國(guó)外進(jìn)口膨脹機(jī)主軸材料性能一致，經(jīng)過多次熱處理后，具有良好的機(jī)械性能和加工性能。

2.2 葉輪

首先用軟件對(duì)葉輪進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，再利用CFD等黏性流場(chǎng)分析軟件和ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行分析后，對(duì)葉輪進(jìn)行修正計(jì)算。并從整個(gè)流場(chǎng)進(jìn)行分析和優(yōu)化，提高膨脹機(jī)的效率。

膨脹輪、壓縮輪設(shè)計(jì)出的葉片是空間扭曲葉片，通過型線方程或形成的三元流道，工藝制造專家用NREC加工模塊編程，再導(dǎo)入五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床銑制葉片，用三座標(biāo)測(cè)量?jī)x檢測(cè)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)照合格后進(jìn)入下一工序。每件膨脹輪和壓縮輪產(chǎn)品均需要三件同樣的毛胚同時(shí)加工，第一件用于做機(jī)械性能試驗(yàn)，第二件由于葉輪葉片的試切，待機(jī)械性能和葉片的輪廓誤差在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)時(shí)，第三件用于產(chǎn)品成品加工。為確保葉輪的加工精度，使葉輪葉型的輪廓誤差小于0.1 mm，選用德國(guó)進(jìn)口的五坐標(biāo)數(shù)控銑床進(jìn)行精密加工，采用瑞士進(jìn)口的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，其加工精度達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。膨脹輪:與可調(diào)噴嘴、膨脹機(jī)蝸殼和擴(kuò)壓管一起進(jìn)行流場(chǎng)分析，利用進(jìn)口軟件(ASPEN)計(jì)算物性參數(shù)及熱力學(xué)計(jì)算，導(dǎo)入進(jìn)口美國(guó)的NREC專業(yè)軟件中的TURBINE模塊和CFD軟件進(jìn)行流場(chǎng)分析。膨脹輪的輪蓋、輪盤和葉片進(jìn)行了有限元分析，使其振動(dòng)影響最小。

壓縮輪與無(wú)葉擴(kuò)壓器和壓縮機(jī)蝸殼一起進(jìn)行流場(chǎng)分析，利用NREC進(jìn)行三元流設(shè)計(jì)。壓縮輪的輪盤和葉片進(jìn)行了有限元分析，使其振動(dòng)影響最小。

2.3 軸承

膨脹端和壓縮端的軸承均為徑向推力聯(lián)合式軸承，由供油系統(tǒng)供給清潔而充足的潤(rùn)滑油，使轉(zhuǎn)子能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，采用雙支鎧裝鉑熱電阻溫度計(jì)測(cè)量軸承溫度。

軸承材料采用錫青銅及巴氏合金襯里，這種襯里不會(huì)黏在軸上或造成軸的損壞。其軸向和徑向油鍥型面復(fù)雜，精度要求高，采用進(jìn)口的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床加工，從而使軸承具有高的承載能力(線速度可達(dá)90 m/s)和檢修時(shí)的互換性。

2.4 密封盤

在靠近膨脹機(jī)葉輪和壓縮機(jī)葉輪的軸上各設(shè)置有一迷宮密封盤。在靠近膨脹機(jī)的密封盤內(nèi)充入常溫密封氣(此密封氣壓力比膨脹輪輪背壓力高0.05 MPa)以阻止流經(jīng)膨脹機(jī)的低溫氣體外泄而跑“冷”，同時(shí)也控制潤(rùn)滑油進(jìn)入膨脹端和增壓端的管道;壓縮端的密封盤在油泵啟動(dòng)前也應(yīng)充入常溫密封氣，壓縮端在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)可自行密封，為了進(jìn)一步減少密封氣耗量，在壓縮端的密封管線上設(shè)置了一個(gè)單向閥，此單向閥可使機(jī)組在啟動(dòng)和緊急停車時(shí)保證機(jī)組壓縮端對(duì)潤(rùn)滑油的密封，同時(shí)在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)阻止密封氣在壓縮端的耗量。

膨脹端和壓縮端的密封盤均采用迷宮密封，其材料采用制造方與四川大學(xué)高分子材料研究所聯(lián)合研制的材料制造，此材料的性能與國(guó)外先進(jìn)機(jī)組的密封盤材料性能一致。這樣使密封盤可更換，同時(shí)維護(hù)簡(jiǎn)便，磨損少，密封氣耗量低。

2.5 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡

膨脹機(jī)葉輪、壓縮機(jī)葉輪和主軸都單獨(dú)進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn);葉輪在超速試驗(yàn)臺(tái)位上進(jìn)行130%的超速試驗(yàn)，并在固頻試驗(yàn)臺(tái)位進(jìn)行固頻測(cè)試。膨脹機(jī)葉輪和壓縮機(jī)葉輪與主軸復(fù)合成轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子在動(dòng)平衡機(jī)(德國(guó)申克)上進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)。

3 運(yùn)行效果

3.1 第一次試運(yùn)行

2010年7月30日停運(yùn)進(jìn)口膨脹機(jī)，并將主機(jī)拆卸下來(lái)，更換國(guó)產(chǎn)化主機(jī)。調(diào)節(jié)各處間隙，將主機(jī)組裝到位。啟運(yùn)國(guó)產(chǎn)膨脹機(jī)，機(jī)組運(yùn)行5 h，膨脹機(jī)溫降、效率達(dá)到機(jī)組使用要求。但當(dāng)轉(zhuǎn)速接近30 000 r/min時(shí)，振動(dòng)由8 μm開始逐漸增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到40 000 r/min時(shí)增加至20 μm左右，并呈近似正弦波狀維持運(yùn)行約1 h后，振動(dòng)躍升至23 μm并呈近似正弦波狀維持運(yùn)行約2 h，此后0.5 h內(nèi)振動(dòng)出現(xiàn)兩次大幅度增加，分別至27 μm和最高35 μm后，回落到29 μm，振動(dòng)超過報(bào)警。然后換回進(jìn)口主機(jī)機(jī)身部分重新運(yùn)行，振動(dòng)有點(diǎn)偏高但在正常范圍內(nèi)。

機(jī)組停運(yùn)后對(duì)國(guó)產(chǎn)膨脹機(jī)進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)軸承徑向磨損超標(biāo)，前后軸承間隙由5 μm分別磨損至8 μm(前軸承)、12 μm(后軸承)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，機(jī)組轉(zhuǎn)子本身的動(dòng)平衡能滿足運(yùn)行要求，機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于軸承所能承受的線速度(約90 m/s)，此次運(yùn)行的最高線速度未超過70 m/s，而出現(xiàn)振動(dòng)增加時(shí)，其軸承線速度僅不到50 m/s。在與進(jìn)口機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)值比較后發(fā)現(xiàn)，機(jī)組振動(dòng)都存在一個(gè)周期性變化。轉(zhuǎn)子本身的原始不平衡量應(yīng)該是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的振幅，而周期性變化應(yīng)該是有一個(gè)周期性變化的不平衡量對(duì)振動(dòng)的疊加。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組情況，C段膨脹機(jī)出口壓力約0.1 MPa，時(shí)常出現(xiàn)一定范圍內(nèi)的振幅變化，其出口管道用手能明顯感覺到氣流的不穩(wěn)定流動(dòng)，與B段出口比較能感覺到較大區(qū)別。

分析認(rèn)為，固定瓦軸承本身雖然能夠滿足機(jī)組的運(yùn)行要求，但其抗干擾能力、自調(diào)節(jié)性和自修復(fù)性較差，造成機(jī)組振動(dòng)的逐步升高，軸承徑向磨損。氣流的不穩(wěn)定對(duì)轉(zhuǎn)子具有較大的沖擊，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子和軸承造成非常大的損害，現(xiàn)場(chǎng)所表現(xiàn)出的現(xiàn)象與喘振非常近似。

最終決定固定瓦軸承改為可傾瓦軸承，以提高軸承的抗干擾能力和自調(diào)節(jié)性，使機(jī)組的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。對(duì)機(jī)身進(jìn)行更換，根據(jù)安裝現(xiàn)場(chǎng)遇到的問題，調(diào)整部分接口角度和尺寸，確保氣流穩(wěn)定。

3.2 第二次試運(yùn)行

在將固定瓦軸承改為可傾瓦軸承并更換機(jī)身后，國(guó)產(chǎn)膨脹機(jī)主機(jī)于2011年大修期間再次安裝調(diào)試，開始啟動(dòng)運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，振動(dòng)值＜14 μm以下，軸承溫度＜66℃以下，介質(zhì)溫降18℃以上，運(yùn)行效果良好，滿足了工藝和機(jī)械性能要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表1 運(yùn)行參數(shù)

4 結(jié)論

透平膨脹機(jī)國(guó)產(chǎn)化機(jī)組，其振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、溫降均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，目前已累計(jì)平穩(wěn)運(yùn)行兩年有余，說(shuō)明這次國(guó)產(chǎn)化是成功的。而且國(guó)產(chǎn)化的經(jīng)濟(jì)效果顯著，國(guó)產(chǎn)化主機(jī)價(jià)格不足國(guó)外件價(jià)格的1/3，在采購(gòu)周期方面，國(guó)外備件采購(gòu)周期需7個(gè)月，國(guó)內(nèi)備件采購(gòu)周期為3個(gè)月，資金占用時(shí)間短，大大降低了采購(gòu)成本。透平膨脹機(jī)的國(guó)產(chǎn)化不僅解決了我公司的生產(chǎn)難題，也為其他單位透平膨脹機(jī)的國(guó)產(chǎn)化積累了技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，提供了借鑒和參考。