激冷氣壓縮機(jī)的研制及整體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

孫家姝 刁 全 亢天明/沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

0 引言

組裝式離心壓縮機(jī)又稱(chēng)為組裝型整體齒輪增速式離心壓縮機(jī)，近年來(lái)在世界上發(fā)展得很快[1]。隨著壓縮機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷提高，組裝式離心壓縮機(jī)由于單級(jí)壓比高、效率高以及在多級(jí)時(shí)采用級(jí)間冷卻方法可以大大減少耗功[2]等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。由于機(jī)組將壓縮機(jī)與齒輪箱結(jié)合成一體，省略了單獨(dú)的變速箱，與單軸壓縮機(jī)相比，具有成本低、集成度高、占地面積小和安裝方便等特點(diǎn)[3]。

我公司于2004年正式研制開(kāi)發(fā)了組裝式單級(jí)懸臂循環(huán)氣壓縮機(jī)產(chǎn)品，主要應(yīng)用于石油化工行業(yè)的乙烯、化肥[4]、煤氣化等裝置中。近年來(lái)隨著煤化工及烯烴產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，循環(huán)氣壓縮機(jī)的需求量大大增加，以前該類(lèi)產(chǎn)品全部依賴(lài)國(guó)外進(jìn)口。作為循環(huán)段上的壓縮機(jī)，它的壓力等級(jí)很高，一般在2MPa 以上，最高出口壓力能達(dá)到8.6MPa。但是壓比不大，采用單級(jí)的閉式葉輪就可以實(shí)現(xiàn)。其介質(zhì)主要是烴類(lèi)混合氣體，含有毒有害成分，易造成環(huán)境污染[5]，這就需要采用干氣密封[6]來(lái)解決泄漏問(wèn)題。為此我公司對(duì)原有壓縮機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，論文重點(diǎn)闡述了改進(jìn)后的激冷氣壓縮機(jī)技術(shù)特點(diǎn)。

1 激冷氣壓縮機(jī)典型應(yīng)用實(shí)例

激冷氣壓縮機(jī)又稱(chēng)高溫循環(huán)氣壓縮機(jī)，主要應(yīng)用于石油化工行業(yè)的煤氣化裝置中。激冷氣壓縮機(jī)在煤氣化裝置中屬于核心設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)采用激冷流程，將粗煤氣溫度降至900℃以下，而后利用換熱器回收高位熱能，副產(chǎn)過(guò)熱蒸汽，用以驅(qū)動(dòng)甲醇的合成氣壓縮機(jī)[7]。其激冷流程如下：在濕洗和干洗除灰后，按溫度控制比例抽取粗煤氣，混合后的200℃煤氣經(jīng)激冷氣壓縮機(jī)加壓后送至氣化爐激冷段，與從氣化反應(yīng)室出來(lái)的1 500℃的高溫煤氣充分混合，將其溫度迅速激冷至850℃～900℃[8]。煤氣經(jīng)激冷后，氣相中的液態(tài)渣全部以干灰或固體顆粒存在，從而具備了進(jìn)行見(jiàn)壁式換熱的條件。該類(lèi)壓縮機(jī)市場(chǎng)范圍廣闊，過(guò)去幾年中，國(guó)內(nèi)用戶(hù)均選用了國(guó)外進(jìn)口機(jī)組如西門(mén)子等，工藝為殼牌工藝。目前，沈鼓已經(jīng)研制了能與國(guó)外機(jī)組抗衡的高溫循環(huán)氣壓縮機(jī)，并且根據(jù)國(guó)內(nèi)用戶(hù)的需求對(duì)機(jī)組的整個(gè)布置方式進(jìn)行了改進(jìn)，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

以河南龍宇煤化工有限公司現(xiàn)有的激冷氣機(jī)組為例，采用德國(guó)西門(mén)子（KK&K）設(shè)計(jì)制造的單級(jí)懸臂離心式壓縮機(jī)，型號(hào)為R39K63，由變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主要由變頻調(diào)速電機(jī)、增速箱、壓縮機(jī)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)和干氣密封系統(tǒng)等組成。由于要進(jìn)行擴(kuò)建，此臺(tái)機(jī)組已經(jīng)不能滿(mǎn)足工作要求，需要進(jìn)行改造。沈鼓承接了此改造項(xiàng)目。由于激冷氣壓縮機(jī)工況多，運(yùn)行范圍寬，通過(guò)與用戶(hù)的溝通，決定采用電機(jī)加液力耦合器的驅(qū)動(dòng)方式代替電機(jī)加變頻器的驅(qū)動(dòng)方式。在同樣滿(mǎn)足工作條件的前提下機(jī)組的成套價(jià)格減少了總成套價(jià)格的20%左右，為用戶(hù)節(jié)約了資金。機(jī)組整體布置進(jìn)行改進(jìn)后，增加了整個(gè)機(jī)組的設(shè)計(jì)難度。與以往激冷氣壓縮機(jī)組相比，改造后的機(jī)組整機(jī)長(zhǎng)度增加了近4m。改造后的機(jī)組結(jié)構(gòu)為壓縮機(jī)、液力耦合器、主電機(jī)安裝在一個(gè)公用的鋼制底座上，要求整機(jī)在廠內(nèi)組裝完畢，機(jī)組整體吊裝發(fā)往用戶(hù)，便于用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)的整體安裝。這就要求機(jī)組的公用底座要有足夠的強(qiáng)度，能承受30噸重的載荷，并且滿(mǎn)足整體的吊裝要求，保證底座在吊裝的過(guò)程中不出現(xiàn)變形。改造機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 SV12-M機(jī)組改造設(shè)計(jì)參數(shù)表

機(jī)組介質(zhì)組分：氫氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、氬氣、氮?dú)?、水?/p>

2 改進(jìn)后的激冷氣壓縮機(jī)主要技術(shù)特性及優(yōu)點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)緊湊，便于機(jī)組的安裝、找正及維護(hù)

電動(dòng)機(jī)、液力耦合器與壓縮機(jī)安裝在一個(gè)公用底座上，為機(jī)組的安裝、找正、維護(hù)帶來(lái)了方便。電動(dòng)機(jī)與液力耦合器，液力耦合器與壓縮機(jī)之間配有柔性疊片聯(lián)軸器，并帶有全封閉無(wú)火花護(hù)罩。機(jī)組為雙層布置，主機(jī)置于樓上，油站以及液力耦合器配套的泵站、板式換熱器等置于樓下。圖1為壓縮機(jī)組布置圖。

圖1 壓縮機(jī)組布置圖

2.2 葉輪材料的選用及鎳基合金材料的應(yīng)用

由于激冷氣壓縮機(jī)的介質(zhì)中含有多種極強(qiáng)腐蝕性的組分，對(duì)葉輪材料的要求較高，如果葉輪材料不能耐腐蝕，將對(duì)轉(zhuǎn)子的平衡造成嚴(yán)重破壞。根據(jù)殼牌標(biāo)準(zhǔn)要求采用鎳基合金材料。該類(lèi)材料沈鼓以前從未使用過(guò)，給材料的焊接、加工等帶來(lái)了極大困難，必須進(jìn)行大量的工藝試驗(yàn)，而且工藝試驗(yàn)與產(chǎn)品試驗(yàn)需同時(shí)進(jìn)行。最后經(jīng)過(guò)計(jì)算葉輪強(qiáng)度及多種分析決定材料選用鎳基合金，流道表面和葉輪蓋盤(pán)做滲硼硬化處理。鎳基合金是含鈮、鉬的沉淀硬化型鎳鉻鐵合金，在700℃時(shí)具有高強(qiáng)度和良好的韌性以及在高低溫環(huán)境下均具有耐腐蝕性。

對(duì)葉輪進(jìn)行強(qiáng)度與變形分析，經(jīng)過(guò)計(jì)算，葉輪在超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下的最大等效應(yīng)力為556MPa。圖2 為葉輪強(qiáng)度分析云圖，圖3 為葉輪超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下局部等效應(yīng)力分布云圖。

圖2 葉輪強(qiáng)度分析云圖

2.3 流道表面材料處理

由于激冷氣壓縮機(jī)介質(zhì)中含有顆粒，并且含有腐蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)，這就要求對(duì)通流部分材料表面進(jìn)行處理，提高耐磨性，延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命。蝸殼及過(guò)流元件選用鑄鋼，流道表面噴涂鎳基合金。鎳基合金在650℃～1 000℃高溫下有較高的強(qiáng)度及一定的抗氧化腐蝕能力，由于足夠高的高溫強(qiáng)度與抗氧化腐蝕能力，所以常用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、核反應(yīng)堆、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備上的高溫零部件。

圖3 葉輪超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下局部等效應(yīng)力分布云圖

2.4 迷宮密封材料的選用

由于機(jī)組進(jìn)口溫度較高（200℃），普通的ZL104 密封已經(jīng)不能滿(mǎn)足工作要求。改進(jìn)后迷宮氣封采用特種工程塑料聚醚醚酮（PEEK），其具有如下特性：

1）耐高溫性——聚醚醚酮（PEEK）具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg=143℃）和熔點(diǎn)（Tm=334℃），其負(fù)載熱變形溫度高達(dá)316℃，長(zhǎng)期使用溫度為260℃，瞬時(shí)使用溫度可達(dá)300℃；

2）耐腐蝕性——除濃硫酸外，PEEK 不溶于任何溶劑和強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，而且耐水解，具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性。所以它能滿(mǎn)足在高溫情況下長(zhǎng)期運(yùn)行，提高機(jī)組效率。

2.5 干氣密封的選用

激冷氣壓縮機(jī)的干氣密封選用帶中間進(jìn)氣的串聯(lián)式干氣密封[9]。它的結(jié)構(gòu)是在串聯(lián)式干氣密封的兩級(jí)之間加入迷宮密封的結(jié)構(gòu)。所用氣體除工藝氣體本身外，還需另外引一路氮?dú)庾鳛榈诙?jí)密封與中間密封間的使用氣體[10]。當(dāng)一級(jí)密封失效時(shí)，第二級(jí)密封可以起到輔助安全的作用。通常適用于既不允許工藝介質(zhì)泄漏到大氣中，也不允許阻封氣泄漏到工藝介質(zhì)中的情況，且介質(zhì)壓力較高[11]。在激冷氣壓縮機(jī)中共需要引入兩路氮?dú)庠矗謩e是高溫高壓氮?dú)夂透邏旱獨(dú)?。由于高溫循環(huán)氣壓縮機(jī)介質(zhì)多含有氫氣、一氧化氮、硫化氫等有毒易燃易爆的氣體，這就要求工作介質(zhì)對(duì)外零泄漏，此種干氣密封可以滿(mǎn)足這一要求。由于高溫循環(huán)氣的進(jìn)口溫度較高，為200℃～205℃，這就要求干氣密封與工藝介質(zhì)接觸的所有材料可以耐高溫、耐腐蝕。圖4為中間帶迷宮的串聯(lián)集裝式干氣密封。

圖4 中間帶迷宮的串聯(lián)式集裝式干氣密封圖

密封是離心壓縮機(jī)中應(yīng)用最多，數(shù)量最多的元件。其對(duì)壓縮機(jī)的使用效果及應(yīng)用成本也備受工程技術(shù)人員和研發(fā)人員的關(guān)注。在追求性能的同時(shí)，也更加追求安全和環(huán)保。因此合理選用高效先進(jìn)的軸端密封，使其消耗低，更加節(jié)能、安全、環(huán)保，實(shí)現(xiàn)零泄漏，是離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中一直追求的目標(biāo)[5]。干氣密封的應(yīng)用為壓縮機(jī)組的可靠性和高效率提供了保證[12]。

2.6 轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的分析計(jì)算

由于激冷氣壓縮機(jī)組工況多，運(yùn)行范圍寬，工作轉(zhuǎn)速?gòu)? 800r/min 到8 500r/min 均要求轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作。另外由于應(yīng)用了干氣密封并增加了高溫緩沖氣密封腔，所以懸臂端比普通機(jī)組長(zhǎng)50%以上，轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析困難。通過(guò)合理的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及軸承設(shè)計(jì)，解決了此問(wèn)題。圖5為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡(jiǎn)圖及相應(yīng)的不平衡相應(yīng)曲線。轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果詳見(jiàn)表2。

圖5 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡(jiǎn)圖及相應(yīng)的不平衡相應(yīng)曲線圖

表2 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果表

2.7 軸承的選用

激冷氣壓縮機(jī)高速轉(zhuǎn)子采用可傾瓦與金斯伯雷軸承的復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種組合式軸承的運(yùn)用，在承受更大軸向推力的同時(shí)縮短了轉(zhuǎn)子的跨距，節(jié)約了空間。在兩推力瓦塊之間的水準(zhǔn)塊上加工油孔，使油路通暢，及時(shí)帶走熱量，避免機(jī)組運(yùn)行中燒瓦的現(xiàn)象發(fā)生。每組軸承裝有兩個(gè)調(diào)整墊，能夠方便調(diào)整推力及葉輪所需要的軸向間隙。由于機(jī)組工況多，轉(zhuǎn)子推力變化范圍大，金斯伯雷軸承能更好地適應(yīng)這種工況條件，同時(shí)為檢修裝配帶來(lái)了方便。

2.8 完善的潤(rùn)滑油系統(tǒng)及控制系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)改造后機(jī)組有兩個(gè)潤(rùn)滑油系統(tǒng)，壓縮機(jī)的潤(rùn)滑油系統(tǒng)及液力耦合器的潤(rùn)滑油系統(tǒng)。壓縮機(jī)的潤(rùn)滑油系統(tǒng)主要向壓縮機(jī)及主電機(jī)供油，具有8分鐘停留容積和5分鐘工作容積。潤(rùn)滑油系統(tǒng)配有兩臺(tái)120%負(fù)荷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺桿泵，一臺(tái)主泵，一臺(tái)輔泵，可相互切換，互為備用；一臺(tái)120%負(fù)荷雙聯(lián)管殼式油冷卻器；一臺(tái)120%負(fù)荷的雙聯(lián)潤(rùn)滑油過(guò)濾器；一臺(tái)不銹鋼材料的事故停車(chē)高位油箱；視油計(jì)、三閥組以及防爆恒溫電加熱器等。

液力耦合器的潤(rùn)滑油系統(tǒng)僅向液力耦合器供油，主要包括高位油箱、視油計(jì)、三閥組、雙聯(lián)油泵站及一臺(tái)板式油冷卻器。

油站儀表主要有測(cè)量?jī)x表、控制儀表和安全儀表組。測(cè)量?jī)x表主要包括：潤(rùn)滑油箱液位測(cè)量、油溫及油壓測(cè)量?jī)x表?？刂苾x表和安全儀表主要組成包括：油箱液位報(bào)警、油壓調(diào)節(jié)、油溫報(bào)警、過(guò)濾器差壓報(bào)警、備用油泵啟動(dòng)、報(bào)警、聯(lián)鎖等回路。

壓縮機(jī)控制系統(tǒng)主要包含PLC、觸摸屏、繼電器、溫度變送器、閃光報(bào)警器、24VDC 電源、斷路器以及按鈕等。系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)的處理和顯示兩大部分，數(shù)據(jù)處理主要由PLC 完成，數(shù)據(jù)的顯示及參數(shù)設(shè)定由觸摸屏完成。PLC 用于信號(hào)的采集和處理，實(shí)現(xiàn)邏輯程序，并且在觸摸屏上進(jìn)行操作和實(shí)時(shí)監(jiān)控。對(duì)運(yùn)行、報(bào)警、聯(lián)鎖、故障等重要信號(hào)做閃光顯示或聲音提示。

3 激冷氣壓縮機(jī)啟停時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題及管道材質(zhì)的選用

3.1 激冷氣壓縮機(jī)啟停時(shí)的注意事項(xiàng)

激冷氣壓縮機(jī)的氣源為粗煤氣，粗煤氣中含有一定量的灰分和水蒸氣，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，一些有黏結(jié)性的細(xì)灰會(huì)黏結(jié)在壓縮機(jī)的葉輪上，會(huì)破壞葉輪的動(dòng)平衡，引起整個(gè)機(jī)組的振動(dòng)[13]。所以機(jī)組在啟動(dòng)開(kāi)車(chē)時(shí)要做到以下幾點(diǎn)：

1）開(kāi)車(chē)時(shí)盡快提高壓縮機(jī)進(jìn)口溫度至正常的操作溫度；

2）正常運(yùn)行時(shí)盡量控制壓縮機(jī)進(jìn)口溫度高于200℃，延緩葉輪積灰；

3）停車(chē)后不能馬上停止壓縮機(jī)，應(yīng)該用干燥、清潔的氮?dú)鈱?duì)管路中的粗煤氣進(jìn)行氣體置換，直到置換干凈為止；

4）利用停車(chē)的時(shí)間對(duì)壓縮機(jī)葉輪進(jìn)行清灰，以便恢復(fù)葉輪的動(dòng)平衡。

另外激冷氣壓縮機(jī)組還設(shè)置了伴熱裝置。由于機(jī)組要求介質(zhì)溫度不能低于200℃，因此開(kāi)車(chē)前必須對(duì)機(jī)殼進(jìn)行加熱，在機(jī)殼表面布置電伴熱的方法來(lái)滿(mǎn)足該項(xiàng)要求。在停車(chē)過(guò)程中，也要最大限度的保持伴熱。停車(chē)時(shí)還需完成大吹掃，保證整個(gè)系統(tǒng)置換完全。圖6為機(jī)殼伴熱裝置。

3.2 管道材質(zhì)的選用

激冷氣壓縮機(jī)進(jìn)口管道的設(shè)計(jì)也要考慮到介質(zhì)組分對(duì)材質(zhì)的腐蝕問(wèn)題。由于介質(zhì)中的H2S對(duì)碳鋼的腐蝕嚴(yán)重，特別是開(kāi)機(jī)及停機(jī)時(shí)經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)進(jìn)口管道的氣體溫度較低，加劇了管道的腐蝕程度，會(huì)產(chǎn)生一定量的銹皮，隨著激冷氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速升高，激冷氣量增加，銹皮被吹掉，之后被帶入壓縮機(jī)的進(jìn)口管道過(guò)濾器處，致使脫落的銹皮將進(jìn)口管道過(guò)濾器的濾網(wǎng)堵塞，從而造成差壓升高。時(shí)間長(zhǎng)了，隨著差壓的不斷升高，激冷氣量越來(lái)越小，氣化爐被迫降負(fù)荷運(yùn)行，最終造成整個(gè)氣化裝置停車(chē)[7]。

圖6 機(jī)殼伴熱裝置圖

最終的解決方案是將激冷氣壓縮機(jī)進(jìn)口前的碳鋼管道內(nèi)襯316L 不銹鋼，并且進(jìn)口管道過(guò)濾器的濾網(wǎng)采用incoloy 825 材料。通過(guò)這些材料的選用，就能有效地減緩壓縮機(jī)進(jìn)口管道的腐蝕程度，增加了整個(gè)機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)周期。

4 結(jié)論

激冷氣壓縮機(jī)經(jīng)改造后，具有結(jié)構(gòu)緊湊，高效低耗等優(yōu)點(diǎn)，而且操作范圍寬、穩(wěn)定，不易發(fā)生喘振，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，噪聲小，維修保養(yǎng)方便的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛推廣，市場(chǎng)前景廣闊。根據(jù)市場(chǎng)情況分析，預(yù)計(jì)今后幾年，以每年代替進(jìn)口產(chǎn)品十臺(tái)計(jì)算，可節(jié)約大量外匯，社會(huì)效益顯著。

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