空分裝置用離心式氧氣壓縮機(jī)組研究

欒碩，孫德超，趙小陽(yáng)，張博強(qiáng)，董元亮

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

目前，世界上能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)、制造離心式氧壓機(jī)的公司有：瑞士蘇爾壽公司、德國(guó)德馬格公司、意大利新比隆公司、美國(guó)克拉克公司、日本日立公司、中國(guó)沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)廠杭州制氧機(jī)廠等。沈鼓從1976 年開始引進(jìn)意大利新比隆公司離心壓縮設(shè)計(jì)、制造技術(shù)，包括離心氧壓機(jī)，但由于當(dāng)時(shí)計(jì)劃經(jīng)濟(jì)，受行業(yè)分工的限制，沈鼓未生產(chǎn)氧壓機(jī)。20 世紀(jì)80 年代，沈鼓為山東齊魯石化公司設(shè)計(jì)制造1 臺(tái)6000Nm3/h，壓力13kg/cm2的氧壓機(jī)。90 年代以后，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，1992 年沈鼓廠為攀鋼設(shè)計(jì)生產(chǎn)了第1 臺(tái)10000Nm3/h,壓力為31kg/cm2的氧壓機(jī)。1993 年，又為天津乙烯工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)生產(chǎn)了第1 臺(tái)6000Nm3/h，壓力31kg/cm2的氧壓機(jī)，已安全運(yùn)行兩年了。后來(lái)又先后為通化鋼廠，邯鄲鋼廠制造了兩臺(tái)10000Nm3/h，壓力為31kg/cm2氧壓機(jī)，北臺(tái)鋼廠1 臺(tái)6000 Nm3/h，壓力31kg/cm2的氧壓機(jī)。進(jìn)入21 世紀(jì)，我廠先后又設(shè)計(jì)制造了10 多臺(tái)6000 ～20000NM3/h 的制氧機(jī)。

隨著沈鼓廠設(shè)計(jì)制造氧壓機(jī)數(shù)量逐漸增多，技術(shù)水平也逐漸提高。我們?cè)谶@一方面也積累了一些經(jīng)驗(yàn)，沈鼓廠針對(duì)小流量、高壓比的氧壓機(jī)主要如下技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。

1 離心壓縮機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全可靠性分析

離心壓縮機(jī)是裝置中關(guān)鍵設(shè)備，其安全性、可靠性、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性是保證機(jī)組長(zhǎng)周期、長(zhǎng)壽命安全可靠、連續(xù)運(yùn)行的最重要目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)這一目的，我廠在消化、吸收，引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上用了近八年的時(shí)間，投入了大量的人力、物力、財(cái)力，與西安交通大學(xué)等院（校）所共同開發(fā)了達(dá)到世界先進(jìn)水平或領(lǐng)先水平的計(jì)算軟件包，并已成功地應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上。

新開發(fā)的聯(lián)接管線優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算程序，尚屬國(guó)內(nèi)空白。它可自動(dòng)優(yōu)化布置設(shè)計(jì)管線走向及支吊架的位置、支承剛度，還可計(jì)算出管線的應(yīng)力、自振頻率、管端力、力矩大小，管路氣體流動(dòng)損失大小、定位鍵的應(yīng)力大小等，從而提高了裝置設(shè)計(jì)水平和機(jī)器運(yùn)行的平衡性。

2 離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)

沈鼓廠生產(chǎn)的各種系列離心壓縮機(jī)主要結(jié)構(gòu)件：機(jī)殼、隔板、葉輪、密封等都是在完善結(jié)構(gòu)尺寸，系列規(guī)劃后，建立起積木組合設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)型譜。所有系列化的結(jié)構(gòu)元件都經(jīng)過(guò)試驗(yàn)并實(shí)際驗(yàn)證過(guò)的。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系列化元件圖都存檔案圖庫(kù)中，或存于電腦圖庫(kù)中，任何新參數(shù)，特殊工藝流程要求的壓縮機(jī)，均能應(yīng)用規(guī)劃好的系列結(jié)構(gòu)件，并積木式設(shè)計(jì)出新機(jī)組，可大大縮短設(shè)計(jì)周期和生產(chǎn)周期。針對(duì)氧壓機(jī)的特殊特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)制造中我們有所改進(jìn)。

低壓缸和高壓缸均為水平剖分型，由上下機(jī)殼組成，系列機(jī)殼全部為焊接機(jī)殼，不僅外觀美，且流道光滑，易于鍍銅，兩端軸承殼體采用鑄鋼并與下機(jī)殼焊接在一起，與上機(jī)殼分開，避免軸承殼體內(nèi)油進(jìn)入機(jī)殼內(nèi)。上機(jī)殼在必要時(shí)可以很容易地進(jìn)行拆卸與組裝，便于維護(hù)、檢修和使用。兩缸四個(gè)軸端部位均為低溫端，溫度在42℃以下，因此，特別安全可靠。

隔板采用焊接隔板，與氧氣接觸的表面均鍍銅。擴(kuò)壓器采用無(wú)葉擴(kuò)壓器，可以獲得良好的喘振特性，與有葉擴(kuò)壓器相比，工作范圍寬，安全可靠。級(jí)間及軸端密封全部采用拉別令密封。密封體用銅或鋁合金材料，其中缸內(nèi)密封為鑲銀片結(jié)構(gòu)。這些特殊材料的應(yīng)用，可使密封間隙小，內(nèi)泄漏少，減少耗功。低壓缸轉(zhuǎn)子為四級(jí)兩段，葉輪背靠背布置：高壓轉(zhuǎn)子為六級(jí)三段，葉輪可根據(jù)需要配置于末端或中間位置；這樣，既可平衡軸向推力，又可降低軸端壓差，減少外泄漏量。

徑向軸承采用可傾瓦軸承，設(shè)在機(jī)殼的進(jìn)口與出口側(cè)，大軸承體上內(nèi)襯有白合金。推力軸承采用金斯伯雷式，有主推力軸承和副推力軸承，既可承受氣動(dòng)平衡后的殘余軸向推力，又可承受任何結(jié)構(gòu)形式的聯(lián)軸器在允許偏差內(nèi)所引起的軸向推力。全部采用膜片聯(lián)軸器，不用潤(rùn)滑，壽命長(zhǎng)，為了防止感應(yīng)電流，我們?cè)谧兯僖c低壓缸間采用電氣絕緣。壓縮機(jī)各段氣體管路都有接地要求。低壓缸、高壓缸、變速機(jī)采用整體底座。通過(guò)地腳螺栓固定在水泥基礎(chǔ)上，底座下有高速墊鐵，因此，安裝方便。壓縮機(jī)本體與底座之間設(shè)有橫向?qū)蜴I和縱向?qū)蜴I，每個(gè)貓爪下面都設(shè)有高速螺釘和高速墊片，以便安裝找正。

3 氧氣透平壓縮機(jī)輔機(jī)系統(tǒng)

氧氣透平壓縮機(jī)輔機(jī)系統(tǒng)有氣體冷卻器、潤(rùn)滑油裝置、先進(jìn)的自控系統(tǒng)等幾大方面。氧壓機(jī)的氣體冷卻器，采用填料函浮頭式冷卻器，管束為直管，氧氣在管內(nèi)流動(dòng)，因?yàn)檠鯕獾牧鲃?dòng)速度本身不能太高，氧氣走管內(nèi)可增大通流面積，降低流速，避免流動(dòng)死區(qū)，也降低了氣體的流動(dòng)阻力，提高效率。此種結(jié)構(gòu)、管整可以自由伸縮，避免了溫差大引起的熱脹應(yīng)力。潤(rùn)滑油裝置中油站為壓縮機(jī)、電機(jī)軸承及齒輪供油。由油箱、油泵、油冷卻器、油過(guò)濾器及排煙機(jī)等組成，按API614 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、制造，兩套油泵、油冷卻器、油過(guò)濾器等互為備用，因此，潤(rùn)滑油裝置可以在不停機(jī)的情況下進(jìn)行檢修和清洗，并保證供油系統(tǒng)安全可靠。在停電等情況下，油泵停止時(shí)，為保證壓縮機(jī)停車前必需的供油，因此，設(shè)有高位油箱。自控系統(tǒng)能在事故狀態(tài)下對(duì)氧壓機(jī)實(shí)施保護(hù)，任何原因引起的事故停機(jī)，都需急速排出氧氣，并立刻充氮，因此，停機(jī)聯(lián)鎖與排出氧氣的閥門與充入氮?dú)饴?lián)鎖。還能嚴(yán)防喘振，一是避免機(jī)件碰撞損壞，二是避免氧氣濕度高，碰憧中引起機(jī)殼內(nèi)部件發(fā)熱和著火。每段出口處設(shè)置氧氣溫度檢測(cè)，如果高于所規(guī)定溫度以上便報(bào)警及聯(lián)鎖停機(jī)。軸振動(dòng)及軸位移設(shè)置壓縮機(jī)軸振動(dòng)和軸位移監(jiān)視還有軸承溫度，以便在正常工作時(shí)檢查和出現(xiàn)故障時(shí)報(bào)警及停車。

4 氧壓機(jī)安全防火措施

氧壓機(jī)與其他氣體壓縮機(jī)相比，核心問(wèn)題就是防火問(wèn)題。因此，怎樣保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)而不起火，是氧壓機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。

（1）機(jī)組入口設(shè)置了1 臺(tái)獨(dú)立的氧氣過(guò)濾器，它對(duì)進(jìn)入機(jī)組的氧氣進(jìn)行過(guò)濾，以免氣體中灰塵、砂粒等雜物進(jìn)入缸內(nèi)，在高、低壓缸之間也設(shè)置有過(guò)濾器，它一般裝在氣體管道中，以縮小裝置的占地面積并使氣管路大大簡(jiǎn)化。

（2）氧壓機(jī)分若干段，在相鄰兩段間均設(shè)置氣體冷卻器1 臺(tái)，它使上段出口的高溫氧氣冷卻到規(guī)定的溫度而進(jìn)入下一段進(jìn)口，在機(jī)組的出口也設(shè)置有1 臺(tái)氣體冷卻器，它使機(jī)組出口的高溫氧氣冷卻到規(guī)定的溫度，然后輸送到規(guī)定的流程中去。中間環(huán)節(jié)一旦有溫度超高現(xiàn)象出現(xiàn)，我們還設(shè)置了相應(yīng)的報(bào)警停機(jī)措施。

（3）在變速機(jī)與低壓缸之間以及高低壓缸間均采用膜片聯(lián)軸器聯(lián)接，它具有不需潤(rùn)滑，減振和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，其中，低壓缸與變速機(jī)間的聯(lián)軸器具有絕緣作用，防止主電機(jī)的靜電流入氧壓機(jī)缸辦引起火花而燃燒。

（4）為減少缸內(nèi)氧氣外漏，使防火墻內(nèi)的氧氣萬(wàn)分不致過(guò)高，高、低壓缸均采用了充氣密封，把惰性氣體（N2）引人端密封外側(cè)的氮?dú)馇皇遥變?nèi)的氧氣只能漏到軸端密封內(nèi)側(cè)的氧氣腔室，處于中間的氮和氧的混合腔內(nèi)的混合氣體被引到室外放空，從而保證了防火墻內(nèi)的氧氣濃度始終在允許的范圍內(nèi)。

（5）壓縮機(jī)的低壓缸兩軸端密封均有3 個(gè)腔，高壓缸兩軸端密封均有四個(gè)腔，其中最內(nèi)側(cè)的腔為高壓缸高壓氧氣自動(dòng)平衡腔，其他與低壓缸同位。從內(nèi)向外依次是氧氣平衡腔、氮氧混合腔、氮?dú)馇?，其功能是靠一定壓差封住壓縮機(jī)內(nèi)氧氣，使氧氣、混合氣、氮?dú)獍丛O(shè)計(jì)規(guī)律進(jìn)行流動(dòng)。

（6）軸承箱的內(nèi)側(cè)油封也設(shè)有充氮?dú)馇灰宰柚褂蜌馔饴?/p>

（7）為了具有良好的密封性，機(jī)殼法蘭中分面需要精加工，下機(jī)殼向外傾斜，其斜度一般為0.2%，再涂上水玻璃，具有良好的密封性。

（8）壓縮機(jī)機(jī)殼隔板內(nèi)表面，（配合面除外）均鍍銅，防止機(jī)殼生銹產(chǎn)生的粉未與高溫高壓的純氧接觸而引起打火燃燒。

（9）轉(zhuǎn)子、氣管路及氣體冷卻器等與氧氣直接接觸的零部件全部采用不銹鋼。

鑒于以上種種設(shè)計(jì)上的考慮，我廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的空分裝置中的氧氣壓縮機(jī)已日漸成熟，我們將不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，特別是用戶現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，借鑒國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，繼續(xù)完善氧壓機(jī)的設(shè)計(jì)，使我廠的氧壓機(jī)技術(shù)水平達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。