合成氨氮?dú)鈮嚎s機(jī)的研制

黃映富

摘要：合成氨指由氮和氫在高溫高壓和催化劑存在下直接合成的氨，為一種基本無(wú)機(jī)化工流程?，F(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中，氨是化肥工業(yè)和基本有機(jī)化工的主要原料。本文對(duì)于合成氨中適用的氮?dú)鈮嚎s機(jī)為研究對(duì)象進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

緒論

雖然我國(guó)早已開(kāi)始新能源的研發(fā)和投入使用，但是對(duì)于煤的使用仍然占據(jù)工業(yè)生產(chǎn)、生活的主要位置，尤其是內(nèi)地城市水資源缺乏，發(fā)電、取暖、生產(chǎn)等都依賴(lài)于煤炭的供應(yīng)。煤炭燃燒產(chǎn)品的污染性顆粒物體及氣體，是破壞空氣質(zhì)量，引起霧霾的主要原因之一，尤其是劣質(zhì)煤產(chǎn)生的危害更大國(guó)家相關(guān)部門(mén)已經(jīng)將劣質(zhì)煤列入嚴(yán)禁使用的名單。為了綜合利用劣質(zhì)煤，中煤集團(tuán)所屬平朔公司劣質(zhì)煤綜合利用示范項(xiàng)目全面啟動(dòng)，包括一套30萬(wàn)噸/年的合成氨裝置（副產(chǎn)液化天然氣1.1億標(biāo)方/年）、兩套18萬(wàn)噸/年的硝酸裝置和兩套20萬(wàn)噸/年的硝酸銨裝置，配套建設(shè)供電、供水、蒸汽等公用工程。

合成氨反應(yīng)式如下：

（該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，等號(hào)上反應(yīng)條件為：“高溫高壓”，下為：“催化劑”）

合成氨需要在高溫高壓下進(jìn)行，我們需要提高氮?dú)獾膲毫Α?/p>

1.氮?dú)鈮嚎s機(jī)的選型計(jì)算

在平朔公司項(xiàng)目中氮?dú)獾倪M(jìn)口流量為10700Nm3/h，入口壓力為4.70ata，入口溫度為40℃，出口壓力為33ata，可調(diào)節(jié)范圍75-105%。

CALC300 是沈鼓集團(tuán)從意大利引進(jìn)的氣動(dòng)計(jì)算程序， 它以 LKZX方程為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)熱物性計(jì)算，同時(shí)在相似?；O(shè)計(jì)中使用了從新比隆引進(jìn)和沈鼓集團(tuán)自主開(kāi)發(fā)的大型葉輪基本級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù) CALC300 程序計(jì)算結(jié)果，該氮?dú)怆x心壓縮機(jī)機(jī)型為3MCL607，型號(hào)釋義3表示壓縮機(jī)需要多段壓縮，帶中間冷卻器，M 表 示壓縮機(jī)安裝形式為水平剖分形式， C L表示壓縮機(jī)采 用無(wú)葉擴(kuò)壓器， 60表示壓縮機(jī)葉輪名義直徑600mm，7表示壓縮機(jī)缸內(nèi)葉輪級(jí)數(shù)7級(jí)。

壓縮機(jī)設(shè)計(jì)正常工況軸功率為9760KW，轉(zhuǎn)速為8575rpm，最大工況軸功率為10820KW，轉(zhuǎn)速為8818rpm，壓縮機(jī)整機(jī)效率80%。驅(qū)動(dòng)機(jī)使用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為6430-9260rpm。

2.壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

2.1 葉輪

葉輪采用沈鼓開(kāi)發(fā)的高效大流量三元葉輪。該系列葉輪該葉輪是沈鼓總結(jié)多 年該類(lèi)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，其具有流量系數(shù)大，能頭系數(shù)高的特點(diǎn)，保證壓縮機(jī)的整機(jī)效率達(dá)到國(guó)內(nèi)一流水平。該葉輪采用閉式銑制焊接方式。

2.2 材料選擇

由于該壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較高，葉輪的圓周速度達(dá)到300m/s，對(duì)材料的要求較高。所以選取了FV520B作為葉輪材料。FV520B是馬氏體沉淀不銹鋼，具有低溫力學(xué)性能優(yōu)良，在高溫回火下有很好的低溫拉伸性能。當(dāng)冷卻液氮溫度是仍舊保持常溫下的機(jī)械性能。

2.3 葉輪強(qiáng)度以及葉輪口圈變形計(jì)算

壓縮機(jī)葉輪強(qiáng)度計(jì)算采用通用的計(jì)算軟件A N S Y S 進(jìn)行， 在三維軟件中對(duì)葉輪進(jìn)行建模并通過(guò)接口導(dǎo)入到A N S Y S 軟件中進(jìn)行應(yīng)力及變形計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，葉輪在跳閘轉(zhuǎn)速下的最大等效應(yīng)力為858MPa，小于材料屈服極限880MPa，符合材料要求。

在跳閘轉(zhuǎn)速下軸孔的徑向變形，軸孔最大徑向變形量為0.328mm，設(shè)計(jì)半徑最小過(guò)盈量0.217mm，滿(mǎn)足50%接觸要求。

2.4 轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)及穩(wěn)定性分析

離心壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子經(jīng)常受到壓力、離心力和非穩(wěn)定形式流體激勵(lì)的綜合作用，發(fā)生劇烈振動(dòng)，并產(chǎn)生相應(yīng)的噪聲，嚴(yán)重的會(huì)引起共振。為了避開(kāi)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，不平衡響應(yīng)以及轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性分析是非常有必要的。

2.4.1 轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)

轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)分析采用RBSP軟件。RBSP是沈鼓集團(tuán)與西安交通大學(xué)、上海復(fù)旦大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析軟件[6] 。該軟件是根據(jù)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論、API 617-2002標(biāo)準(zhǔn)和沈鼓集團(tuán)產(chǎn)品的實(shí)際需求，開(kāi)發(fā)出的轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)動(dòng)力特性分析軟件 。該軟件能完成實(shí)模態(tài)分析、不平衡響應(yīng)分析、復(fù)頻率坎貝爾分析、一級(jí)穩(wěn)定性分析和扭轉(zhuǎn)共振分析。

式中Nc：轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)峰值轉(zhuǎn)速（臨界轉(zhuǎn)速）（r/min）， N1：低于臨界轉(zhuǎn)速、振幅為臨界轉(zhuǎn)速處振幅值0.707倍處對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，N2：高于臨界轉(zhuǎn)速、振幅為臨界轉(zhuǎn)速處振幅值0.707倍處對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速（r/min）。

由轉(zhuǎn)子的運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍和響應(yīng)峰值轉(zhuǎn)速可以確定實(shí)際的隔離裕度SM。

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)：

轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子（3MCL607）

轉(zhuǎn)速：工作轉(zhuǎn)速： 8818 rpm 最大連續(xù)轉(zhuǎn)速：9259 rpm

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)：總長(zhǎng)： 2775 mm 跨距：2200 mm 總重：1017 （Kg）

軸承靜載：軸承1：4930（N） 軸承2：5050（N）

長(zhǎng)徑比（L/D）：2200/220=10

轉(zhuǎn)速范圍：6614-9259

經(jīng)分析，轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速（圖4）為3553rpm，放大系數(shù)5.07，要求格力裕度13.10%，實(shí)際隔離裕度46.28%；轉(zhuǎn)子二階臨界轉(zhuǎn)速（圖5）為17911rpm，放大系數(shù)5.96，要球隔離裕度23.97%，實(shí)際隔離裕度97%。轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

2.4.2 轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性分析

一級(jí)穩(wěn)定性分析結(jié)果（對(duì)數(shù)衰減率-交叉耦合剛度曲線(xiàn)圖）如圖所示， 圖中顯示了轉(zhuǎn)子一階正進(jìn)動(dòng)對(duì)數(shù)衰減率與交叉耦合剛度的關(guān)系，QA為預(yù)期的交叉耦合剛度，Q0 為產(chǎn)生零對(duì)數(shù)衰減率所要求的交叉耦合剛度。當(dāng)軸承間隙取最小值時(shí)，Q0/QA=2.38，對(duì)數(shù)衰減率 =0.20815，需要看API 圖的CSR 值決定是否需要進(jìn)一步穩(wěn)定性分析。當(dāng)軸承間隙取最大值時(shí)，Q0/QA=3.5，對(duì)數(shù)衰減率 =0.34945，需要看API 圖的CSR 值決定是否需要進(jìn)一步穩(wěn)定性分析。

由圖2一階穩(wěn)定性原則篩選圖中可看出，CSR值落在A區(qū)，滿(mǎn)足API617標(biāo)準(zhǔn)，不需要進(jìn)行進(jìn)一步穩(wěn)定性分析，轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)符合要求。

研制結(jié)果

3.研制結(jié)果

該氮?dú)鈮嚎s機(jī)在出廠前進(jìn)行了機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)表明整機(jī)運(yùn)行良好，轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子振動(dòng)小于23.5 .該壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)符合API617的標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)性能達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

參考文獻(xiàn)

[1]周芒.大型離心壓縮機(jī)葉輪疲勞分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[2]成大仙.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2]徐忠.離心式壓縮機(jī)原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

（作者單位：沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司）