大型酯化循環(huán)氣壓縮機的研制

金 鑫

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽110869）

1 前言

煤制乙二醇行業(yè)的最大規(guī)模為30萬t/年，如貴州黔西煤化工、內(nèi)蒙古康奈爾化工、中鹽安徽紅四方等，且上述裝置的工藝包均采用多條線工藝。由于裝置規(guī)模小、壓縮機機型也?。ㄅ_數(shù)多），所以整個裝置的特點是投資大，機組能耗、備件、維保人員等運行成本高，競爭力不強。文章研究項目是一套全新的工藝，不僅規(guī)模大（從30萬t/年提升至50萬t/年，單線更是由10萬t/年提升至50萬t/年，跨度非常大），從單位規(guī)模的項目投資到能耗、備件、維保人員等的運行成本都大幅度下降。但是，對核心的壓縮機提出了更高的要求，不僅是氣量的增加，壓縮機的升壓也大幅度提高。對于酯化循環(huán)氣壓縮機，之前裝置的葉輪直徑一般為520～600mm，該項目的葉輪直徑達到了1300mm，且由1級葉輪壓縮變成2級葉輪壓縮。規(guī)模的提高，帶來了整個增壓單元設計難度的提高，包括壓縮機、分離器、冷卻器、防喘振回路等。

2 主要內(nèi)容及方法

酯化循環(huán)氣壓縮機組由入口分離器、管道過濾器、入口整流柵、壓縮機、中間冷卻器、防喘振冷卻器等設備組成，其中壓縮機采用雙支撐結(jié)構(gòu)，背靠背壓縮，一共4個風筒，經(jīng)過一級壓縮后進入冷卻器降低溫度，然后進入二級壓縮，從而控制整個壓縮過程中氣體溫度均小于130℃。在壓縮機的進、出口均設置切斷閥，從而保證壓縮機可以在事故狀態(tài)下單獨切除，待事故解除后快速帶壓起車，從而減少開車時間。為了機組安全，整個機組所有與工藝氣接觸部分，設計壓力均在1.5MPa（G）以上，并全部采用不銹鋼材質(zhì)，尤其是壓縮機，機殼采用鑄造馬氏體不銹鋼，強度好、耐腐蝕性強。

2.1 壓縮機氣動方案研究

酯化循環(huán)氣壓縮機組分子量為33.998，流量調(diào)節(jié)范圍為70%～120%，根據(jù)設計參數(shù)，壓縮機采用單缸兩段兩級壓縮。基于介質(zhì)及設計參數(shù)特性，結(jié)合流場分析，攻克了大流量系數(shù)、大升壓、大調(diào)節(jié)范圍的單缸兩段兩級壓縮方案優(yōu)化關(guān)；針對酯化循環(huán)氣離心式壓縮機，開發(fā)了流量系數(shù)覆蓋0.06～0.08、級多變效率在83%以上的高效率、大流量系數(shù)模型級；利用CFD軟件NUMECA進行計算分析，利用FINE/TURBO求解器進行求解，采用AutoGrid5進行葉輪網(wǎng)格自動劃分；壁面距離均為1mm；同時，由于排氣蝸室對機組的效率及升壓影響非常大，因此對機組的排氣蝸殼做流場分析，并進行優(yōu)化設計。

2.2 鑄造機殼強度優(yōu)化設計

裝置的大型化導致了壓縮機組的大型化，隨之而來的是壓縮機的機殼、隔板、蝸殼以及底座等構(gòu)件的大型化，這些大型構(gòu)件的剛性和強度在工作狀態(tài)的特性很復雜，而針對性的精確分析是消除大型構(gòu)件安全隱患的重要手段。酯化循環(huán)氣壓縮機的機殼是大型承壓部件，在水壓試驗時容易產(chǎn)生變形，甚會出現(xiàn)撕裂導致泄漏。文章針對機殼進行了強度及變形分析，優(yōu)化機殼設計，保證機組運行安全。為了更好地保護機組，酯化循環(huán)氣壓縮機機殼為鑄造機殼，材料為ZG06Cr13Ni4Mo鑄造馬氏體不銹鋼，隔板材料為ZG15Cr13，專用于酯化壓縮機耐腐蝕材料，具有耐腐蝕性強、強度高的特點。機殼常規(guī)設計方法是在機殼上鑄造流道，該方案因產(chǎn)品尺寸大導致機殼重量大、運輸安裝維護困難，因流道結(jié)構(gòu)復雜導致鑄造困難，增加制造成本。優(yōu)化改進設計方案，即將氣體流道鑄造在隔板上，降低鑄造難度，減輕機殼重量降低成本。優(yōu)化后的鑄造機殼重量降低30t，僅此一項就為企業(yè)節(jié)約了大量的成本。鑄造不銹鋼機殼原型方案圖如圖1所示，鑄造不銹鋼機殼最終方案圖如圖2所示。

圖1 鑄造不銹鋼機殼原型方案圖

圖2 鑄造不銹鋼機殼最終方案圖

機殼材料為ZG06Cr13Ni14Mo，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3，材料密度為7850kg/m3；屈服極限為550MPa；下法蘭支腿設置為固定約束；壓力載荷為內(nèi)部壓力，壓力大小為1.25MPa，壓力施加位置為機殼內(nèi)壁；考慮重力影響。經(jīng)計算，在內(nèi)壓作用下，得到結(jié)構(gòu)整體等效應力分布云圖。由于應力集中引起的分流板處應力較大，機殼的最大應力出現(xiàn)在與分流板連接的位置（381MPa），在中分面螺孔處也出現(xiàn)較大應力（低于381MPa），最大應力小于材料屈服極限550MPa，滿足強度要求。中分面法蘭處有96個M64螺栓，螺栓預緊力矩為99000N·m，扭矩系數(shù)取0.2，經(jīng)計算滿足強度要求。鑄造機殼強度與變形分析圖如圖3所示。

圖3 鑄造機殼強度與變形分析圖

2.3 葉輪強度計算

由于機組為汽輪機驅(qū)動，計算葉輪強度時需要考慮跳閘轉(zhuǎn)速，且機組氣體具有腐蝕性，葉輪需要采用抗腐蝕的材料，葉輪材料的屈服強度效率為760MPa，按常規(guī)計算方式，葉輪強度無法通過。因此，葉輪采用彈塑性分析方法，在超速加載、卸載、再加載這一系列載荷歷程中，葉輪的最大等效應力及最大等效塑性應變小于1.3%，滿足強度要求。葉輪結(jié)構(gòu)熱點應力云圖如圖4所示，葉輪超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下等效應力分布云圖如圖5所示。葉輪強度與軸孔變形計算結(jié)果滿足設計要求，判定合格?？谌较蜃冃瘟糠謩e為0.1mm、0.12mm，口圈密封的間隙為0.2mm，滿足要求。

2.4 優(yōu)化配置附屬設備

在設計過程中發(fā)現(xiàn)，如果采用傳統(tǒng)的絲網(wǎng)除沫式分離器，分離效果一般，但是分離器特別巨大，已經(jīng)超出設計規(guī)范及加工設備的制造能力，且很難運輸。因此，該項目的分離器均采用高效、葉片式分離器替代傳統(tǒng)分離器，使酯化壓縮機入口分離器由兩臺并聯(lián)改成一個，既減少了占地，又減少了壓力損失，方便了廠房內(nèi)的布局及機組配管。中間冷卻器按照常規(guī)設計，需要由兩個冷卻器并聯(lián)，這樣增加了配管難度，且占地面積過大，冷卻器加管路的壓損，對壓縮機的性能是難以接受的。因此也應對冷卻器進行全新設計，由氣走殼程修改成氣走管程，將管路的壓損拿出一部分加到冷卻器上，由兩臺冷卻器并聯(lián)改成一個冷卻器，減少機組占地的同時也減少了總的段間壓力損失。壓縮機出口設置冷卻器，如果要兼顧防喘振功能，冷卻器的出口溫度必須小于40℃，但是工藝需求的壓縮機出口溫度約為70℃，如果按照常規(guī)設計，需要兩個冷卻器—出口冷卻器和防喘振冷卻器，這樣機組的成本太高，且存在很大浪費。該項目在壓縮機出口設置冷卻器，冷卻器出口溫度按照40℃設計，同時在冷卻器旁設出口復線，增加溫度變送器和調(diào)節(jié)閥，保證總的出口氣體溫度為70℃，減少防喘振冷卻器的同時降低出口冷卻器成本。

3 結(jié)束語

該項目的完成，不僅使酯化循環(huán)氣壓縮機的規(guī)模擴大，間接促進了煤炭深加工行業(yè)的發(fā)展，也給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟效益，同時很多單元技術(shù)的開發(fā)，如高效模型級、鑄造機殼設計優(yōu)化方案等，也為其他機組的研制提供了寶貴的經(jīng)驗。

圖4 葉輪結(jié)構(gòu)熱點應力云圖

圖5 葉輪超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下等效應力分布云圖