引進(jìn)天然氣透平膨脹機(jī)國產(chǎn)化改造實(shí)踐

鄒 云

四川空分設(shè)備(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 四川 簡陽 641400

0 前言

中海油上海分公司麗水終端處理廠90×104m3/d LPG處理裝置是由PROPAK公司成套的,配套的透平膨脹機(jī)組由Atlas Copco旗下的Mafi-trench公司生產(chǎn),2014年7月Mafi-trench公司服務(wù)人員在終端廠調(diào)試時(shí),發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)殼體有大量鐵銹,機(jī)體排污管線存有液態(tài)水,轉(zhuǎn)子不能自由轉(zhuǎn)動,進(jìn)一步拆檢發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子部件底部生銹。因?yàn)樗拇嬖趯?dǎo)致膨脹葉輪輪體塊狀腐蝕,葉片點(diǎn)狀腐蝕嚴(yán)重,軸承銹蝕,主軸鋁合金涂層腐蝕,軸封環(huán)及軸封件不同程度腐蝕。Mafi-trench公司認(rèn)為該機(jī)組需要返廠維修,維修周期18個(gè)月,維修費(fèi)用與買一臺主機(jī)頭價(jià)格相當(dāng)?；谝陨锨闆r中海油上海分公司決定開展國產(chǎn)化改造設(shè)計(jì),并在與國內(nèi)3家公司進(jìn)行充分的技術(shù)交流后選中四川空分集團(tuán)公司(以下簡稱川空)為其服務(wù)。

1 方案簡述及原機(jī)組設(shè)計(jì)控制參數(shù)

主機(jī)頭于2015年6月3日在川空集團(tuán)低溫機(jī)械公司進(jìn)行維修,采用兩個(gè)方案:方案一機(jī)械修復(fù)原腐蝕零件,修復(fù)后組裝試車,在保證機(jī)組安全可靠的基礎(chǔ)上提出現(xiàn)場保守運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速;方案二保留機(jī)殼并維持原機(jī)組設(shè)計(jì)及控制參數(shù),要求川空對機(jī)芯內(nèi)部零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析、比較,充分理解和推斷原機(jī)組的設(shè)計(jì)思路,再結(jié)合川空的加工能力及設(shè)計(jì)理念對國外機(jī)組零部件進(jìn)行改造設(shè)計(jì),改造設(shè)計(jì)后的零部件不但要有良好的加工工藝性,而且改造后的機(jī)組也要達(dá)到進(jìn)口機(jī)組的轉(zhuǎn)子動力學(xué)、熱力學(xué)及氣動力學(xué)性能。原機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 透平膨脹機(jī)機(jī)組參數(shù)表

Tab.1 Parameters of turboexpander compressor

項(xiàng)目膨脹機(jī)增壓機(jī)進(jìn)口出口進(jìn)口出口介質(zhì)天然氣天然氣天然氣天然氣壓力/kpa(a)3 650.01 400.01 250.01 745.4溫度/℃-48.0-85.429.359.0流量/(kg·h-1)28 51028 51028 59028 590轉(zhuǎn)速/(r·min-1)39 50039 50039 50039 500天然氣摩爾組分/(%)C1:85.68,C2:4.68,C3:1.43,IC4:0.13,NC4:0.06,IC5:0.06,NC5:0.01,NC6:0.01,N2:5.25,CO2:2.69C1:86.3,C2:5.57,C3:0.08,N2:5.17,CO2:2.88振動控制20 μ報(bào)警、36 μ聯(lián)鎖(Mafi-trench機(jī)跳電跳過濾)25.4 μ報(bào)警、42 μ聯(lián)鎖(川空機(jī)跳電跳未過濾)軸承溫度控制88℃報(bào)警、93℃聯(lián)鎖推力控制1.03 MPa報(bào)警、1.38 MPa聯(lián)鎖備注膨脹端溫降37.4℃,壓機(jī)端壓比1.396

2 維修改造方案選擇

2.1 方案一:機(jī)械修復(fù)原腐蝕零件

2.1.1 零件修復(fù)

工作輪腐蝕嚴(yán)重,通過物理和化學(xué)方法去除塊狀點(diǎn)狀腐蝕部分，見圖1～3,葉輪最大程度恢復(fù)金屬本色,但工作輪修復(fù)后經(jīng)滲透檢查不合格。

壓機(jī)輪腐蝕較輕,通過物理方法去除腐蝕部分，見圖4～5,完全讓葉輪恢復(fù)金屬本色,壓機(jī)輪修復(fù)后經(jīng)滲透檢查合格。

主軸測振鍍鋁層銹蝕,國外機(jī)組鍍鋁是為了過濾轉(zhuǎn)子的機(jī)電跳值[1],咨詢了相關(guān)的專業(yè)廠家,無法化驗(yàn)鍍層金屬成分。川空通過磨削方式,去除所有銹蝕,提高測振部分光潔度，見圖6～7,同時(shí)對主軸進(jìn)行退磁處理來滿足要求,這樣處理后振動顯示值肯定會比實(shí)際運(yùn)行大些,因?yàn)闄C(jī)跳電跳[1]未過濾。

圖1 修復(fù)前的膨脹輪照片F(xiàn)ig.1 Photo of expander impeller before repair

圖2 修復(fù)后的膨脹輪照片F(xiàn)ig.2 Photo of repaired expander impeller

圖3 修復(fù)后的膨脹輪滲透檢查照片F(xiàn)ig.3 Photo of penetrant inspection of repaired expander impeller

圖4 修復(fù)前的壓機(jī)輪照片F(xiàn)ig.4 Photo of compressor impeller before repair

圖5 修復(fù)后的壓機(jī)輪照片F(xiàn)ig.5 Photo of repaired compressor impeller

圖6 修復(fù)前的主軸照片F(xiàn)ig.6 Photo of shaft before repair

圖7 修復(fù)后的主軸照片F(xiàn)ig.7 Photo of repaired shaft

2.1.2 修復(fù)零件后的整機(jī)性能測試

清除蝸殼、機(jī)芯等零部件的銹蝕進(jìn)行整機(jī)組裝,裝配間隙按Mafi-trench公司《操作維護(hù)說明書》上的值進(jìn)行調(diào)整。通過相似性能換算得到增壓端當(dāng)量轉(zhuǎn)速33 600 r/min,當(dāng)量流量2 602.4 m3/h[2-4],工廠測試臺位上用空氣介質(zhì),在33 616 r/min下測試壓比為1.446 7,等熵效率為82.3%;膨脹端測試須在額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到38 000 r/min(額定轉(zhuǎn)速為39 500 r/min)時(shí),機(jī)組明顯發(fā)出了不正常聲音,為了保證機(jī)組的安全,川空與中海油駐廠技術(shù)員協(xié)商決定在37 025 r/min進(jìn)行膨脹端測試,測試等熵效率為81.9%,轉(zhuǎn)速37 000 r/min也作為現(xiàn)場保守運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

2.2 方案二:國產(chǎn)化改造設(shè)計(jì)

2.2.1 改造難點(diǎn)及改造措施

原機(jī)組是用一根細(xì)長螺桿穿過主軸Φ 9.5的通孔來同時(shí)軸向固定膨脹輪和壓機(jī)輪,細(xì)長桿徑向靠主軸的通孔定位見圖8。細(xì)長桿的材料、加工精度和主軸通孔的形位精度要求都非常高,任何一個(gè)環(huán)節(jié)出問題,都會導(dǎo)致機(jī)組振動大甚至無法開車。對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析,抓住主軸Φ 9.5的通孔并非主要是為了減輕重量這一關(guān)鍵,更改為通過主軸兩端各外伸一根短螺桿分別軸向固定膨脹輪和壓機(jī)輪[5],見圖9,在磨床及車床上非常容易保證主軸每個(gè)臺階的圓度、同軸度等形位精度[6],根據(jù)運(yùn)行環(huán)境并考究材料后主軸選用中碳合金鋼[7]。另外對新設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)分析、調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖8 原機(jī)組一根細(xì)長螺桿示意圖Fig.8 Schematic diagram of the one long screw of the original unit

圖9 更改后的兩根短螺桿示意圖Fig.9 Schematic diagram of the two changed short screw

原機(jī)組葉輪與主軸連接采用錐型結(jié)構(gòu)，見圖10,葉輪定心好。加工該結(jié)構(gòu),如果精度出現(xiàn)偏差,主軸與葉輪松配合導(dǎo)致振動,或者軸向定位不準(zhǔn)確導(dǎo)致工作輪(壓機(jī)輪)與噴嘴(擴(kuò)壓器)對中性不好,膨脹端(壓機(jī)端)氣動性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。綜合考慮測繪誤差,錐型軸孔加工,葉輪流道對中、材料等原因更改為直型結(jié)構(gòu)，見圖11。定心比原結(jié)構(gòu)稍差主要是由葉輪孔與軸的間隙造成的,控制配合間隙小于0.01 mm來解決定心問題,Φ 25孔軸配合本身尺寸小,在保證傳遞扭矩的情況下減小軸向長度,這樣軸的形狀及位置精度可以通過雙頂磨得到保證;葉輪各外圓面、內(nèi)孔、定位端面可以通過數(shù)控車并一刀落[8]來保證各外圓面與孔的同軸度及定位端面與孔的垂直度,短孔的圓度公差也容易保證。葉輪對中問題靠軸肩[9]軸向定位可很好解決。減少軸向長度還可提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛性及轉(zhuǎn)子動力學(xué)性能[10]。

圖10 原機(jī)組錐形結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic diagram of the cone structureof the original unit

圖11 改后直型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Schematic diagram of the modified straight structure

由于軸封是易損件,原機(jī)組隔板、軸封由一體結(jié)構(gòu)改為分體結(jié)構(gòu)[5]見圖12～13,對曲折形、平滑形、階梯形、錐型等迷宮形式及迷宮齒的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行研究[11],選擇錐型并在運(yùn)轉(zhuǎn)中咬合成鑲嵌形的迷宮密封,減少密封氣泄露。更換軸封時(shí)只換中心軸封部分,備件成本低且加工更方便快捷,還可加大結(jié)構(gòu)傳熱阻尼[12],降低冷量向熱端傳播。

圖12 隔板與軸封一體示意圖Fig.12 Schematic diagram of the integrated clapboard and shaft seal

圖13 隔板與軸封分體示意圖Fig.13 Schematic diagram of the split clapboard and shaft seal

工作輪和壓機(jī)輪均是三元流葉輪,五坐標(biāo)銑床通過測繪數(shù)據(jù)點(diǎn)銑加工才能完成,公司加工軟件暫時(shí)只有直紋加工模塊無法通過測繪數(shù)據(jù)加工葉輪;由于時(shí)間緊,外協(xié)廠家對葉輪數(shù)據(jù)的消化、處理緩慢,決定重新設(shè)計(jì)葉輪流道來解決加工及時(shí)間緊張等問題。

工作輪流道一是對工作輪測繪的葉片數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,近似轉(zhuǎn)化為直紋面加工;二是通過設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算,按一元流動確定工作輪邊界尺寸[13],再對工作輪(向心渦輪)的動態(tài)參數(shù)進(jìn)行研究選擇[14],最后進(jìn)行葉輪流道的三元流動核算[15]得到膨脹輪氣流通道;在工廠內(nèi)通過熱力測試[16]進(jìn)行比對。

因壓機(jī)輪葉片測繪數(shù)據(jù)無法近似轉(zhuǎn)化為直紋面,故舍棄葉片測繪數(shù)據(jù),通過以下兩種方式來得到壓機(jī)輪葉片流道:一是通過設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)合川空已有的空氣壓機(jī)輪模型級?；瘔簷C(jī)輪流道(非嚴(yán)格意義上的相似)并修正[2-4];二是通過川空研發(fā)的混流葉輪[4]作為模型級模化壓機(jī)輪流道[17],在工廠內(nèi)模擬測試進(jìn)行比對。

另外,對軸承零件進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)并強(qiáng)化其抑振性能,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)調(diào)整并核算其臨界轉(zhuǎn)速[18]為61 913 r/min,工作轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速的0.638(≤0.7)倍[19],主機(jī)裝配間隙做了相應(yīng)調(diào)整,這里不再贅述。

2.2.2 國產(chǎn)化主機(jī)工廠內(nèi)性能測試

國產(chǎn)化主機(jī)組裝好后在額定轉(zhuǎn)速39 500 r/min下進(jìn)行機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn),并在41 536 r/min下超速1 min一切正常,機(jī)械性能測試考核通過;為了對照的科學(xué)性,膨脹端在原機(jī)組機(jī)械修復(fù)后能達(dá)到的轉(zhuǎn)速37 000 r/min下進(jìn)行了相應(yīng)熱力學(xué)[20]及氣體動力學(xué)性能[21]測試,其中測繪數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直紋面加工的膨脹輪,在37 557 r/min下測得的膨脹端等熵效率為82%;模擬熱力計(jì)算得到流道加工的膨脹輪,在37 050 r/min下測得的等熵效率為81.2%。而增壓端在相應(yīng)的當(dāng)量轉(zhuǎn)速和當(dāng)量流量的基礎(chǔ)上進(jìn)行寬泛的相似性能模擬測試,按空氣壓機(jī)模型級?；膲簷C(jī)輪,在當(dāng)量轉(zhuǎn)速33 554 r/min下測得的壓比為 1.376 9,等熵效率為75.8%;按混流葉輪模型級?；膲簷C(jī)輪,在當(dāng)量轉(zhuǎn)速33 212 r/min下測得的壓比為1.424 8,等熵效率為81.2%，見表2。從理論上講LPG膨脹機(jī)在工廠內(nèi)測試工況(空氣介質(zhì))和實(shí)際運(yùn)行工況(天然氣介質(zhì))不相似[2-4],熱力學(xué)性能及氣動性能測試只能作為出廠驗(yàn)收的參考,現(xiàn)場實(shí)際開車數(shù)據(jù)才是最終性能考核的依據(jù)。

表2 方案二廠內(nèi)性能試驗(yàn)參數(shù)表

Tab.2 Parameters of factory performance test of scheme 2

項(xiàng)目膨脹端增壓端轉(zhuǎn)速/(r·min-1)效率/(%)當(dāng)量轉(zhuǎn)速/(r·min-1)壓比效率/(%)測繪數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直紋面加工的膨脹輪37 55782.0———模擬熱力計(jì)算得到流道加工的膨脹輪37 05081.2———空氣壓機(jī)模型級?；膲簷C(jī)輪——33 5541.376 975.8混流葉輪模型級模化的壓機(jī)輪——33 2121.424 881.2 注:1)“當(dāng)量轉(zhuǎn)速”根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及測試當(dāng)天環(huán)境溫度經(jīng)過相似性換算得到,所以與設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速有差別;2)按相似理論,用空氣介質(zhì)試驗(yàn)測得的壓比高于設(shè)計(jì)壓比是正常的。

3 維修改造方案結(jié)果對比

3.1 工廠內(nèi)性能測試對比

3.1.1 運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速

從2.1.2和2.2.2中可知,原機(jī)組修復(fù)后在38 000 r/min時(shí)機(jī)組有異常聲音;國產(chǎn)化機(jī)組不但能順利達(dá)到額定轉(zhuǎn)速39 500 r/min,且在41 536 r/min下超速1 min,也一切正常。

3.1.2 熱力學(xué)及氣動力學(xué)性能

工廠內(nèi)測試的熱力學(xué)及氣動力學(xué)性能和原機(jī)組非常接近,如果考慮測試偶然誤差因素,國產(chǎn)化機(jī)組和原機(jī)組在熱力學(xué)及氣動力學(xué)性能上完全可以互換。

3.2 出廠方案選擇

中海油上海分公司經(jīng)過慎重考慮,最終確定整個(gè)主機(jī)按國產(chǎn)化方案出廠,其中膨脹輪選用按測繪數(shù)據(jù)近似轉(zhuǎn)化直紋面加工的葉輪,壓機(jī)輪選用按混流葉輪模型級?；娜~輪;國外相應(yīng)修復(fù)零件散件包裝發(fā)回麗水終端處理廠作為應(yīng)急備用。

3.3 國產(chǎn)化機(jī)組現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果

國產(chǎn)化后的主機(jī)于2015年8月31日出廠,11月11日開車調(diào)試,轉(zhuǎn)速達(dá)到38 935 r/min(接近額定轉(zhuǎn)速39 500 r/min),膨脹端進(jìn)出口溫降達(dá)到39℃(PROPAK在膨脹端進(jìn)出口未設(shè)置溫度計(jì),只能從裝置的氣液分離罐及冷箱復(fù)熱的溫度計(jì)推算得到),膨脹機(jī)出口溫度太低,超過整個(gè)裝置最低溫度限制,為了保障整個(gè)裝置運(yùn)行安全,麗水終端決定在38 935 r/min下短時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)考核機(jī)組的機(jī)械性能;軸振動為13.97～19.81 μ,軸承溫度53～54℃,軸承推力0.816 MPa。由于下游用氣原因,膨脹機(jī)在35 000～37 000 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)就能滿足工藝流程要求,壓機(jī)端壓比為1.36。經(jīng)過連續(xù)運(yùn)行72 h考核,中海油上海分公司于2015年11月19日簽字驗(yàn)收。

4 改造結(jié)果分析

4.1 國產(chǎn)化機(jī)組轉(zhuǎn)子動力學(xué)及機(jī)械性能

運(yùn)行轉(zhuǎn)速:38 935 r/min,非常接近設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速39 500 r/min;

膨脹端軸振動:X軸13.97 μ,Y軸14.48 μ,均小于報(bào)警值20.32 μ;

增壓端軸振動:X軸19.81 μ,Y軸19.3 μ,均小于報(bào)警值20.32 μ;

前軸承溫度54℃,后軸承溫度53℃,均小于報(bào)警值88℃;

軸承推力0.816 MPa,小于報(bào)警值1.03 MPa;

4.2 膨脹端熱力學(xué)及氣動力學(xué)性能指標(biāo)

運(yùn)行轉(zhuǎn)速38 935 r/min時(shí)膨脹端進(jìn)出口溫降達(dá)到39℃,溫降大于設(shè)計(jì)值85.4℃-48℃=37.4℃;

4.3 增壓端熱力學(xué)及氣動力學(xué)性能指標(biāo)

從現(xiàn)場運(yùn)行DCS畫面可知機(jī)組在36 554 r/min壓機(jī)端壓比ε=(1 701.1+100)/(1 221+100)=1.36(當(dāng)?shù)卮髿鈮杭s為100 kpa),根據(jù)該變工況按相似理論及增壓機(jī)能量頭關(guān)系[2-4],可以推出如下公式(限于篇幅不詳細(xì)推導(dǎo)):

(1)

其中:ε1為n1=36 554 r/min下的壓比1.36;ε2為n2=39 500 r/min下的壓比;k為壓機(jī)端絕熱指數(shù) 1.299 9。

代入式(1)得

解得在39 500 r/min下壓比ε2=1.429,大于設(shè)計(jì)壓比1.396。

從以上分析可知,川空改造設(shè)計(jì)思路、方案是切實(shí)可行的;零部件的加工工藝性好,轉(zhuǎn)子動力學(xué)、熱力學(xué)及氣動力學(xué)性能優(yōu)良。

5 結(jié)論及建議

2016年1月22日中海油上海分公司在麗水終端處理廠召開了膨脹機(jī)國產(chǎn)化項(xiàng)目總結(jié)會,認(rèn)為這次膨脹機(jī)組國產(chǎn)化改造實(shí)踐非常成功,各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到要求,改造成本低,機(jī)組提前一年運(yùn)行,經(jīng)濟(jì)效益非常可觀,因此中海油麗水作業(yè)公司以感謝信的方式表達(dá)了對此次國產(chǎn)化改造的認(rèn)可。

國產(chǎn)化機(jī)組的成功運(yùn)行,證明了川空膨脹機(jī)在LPG領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力,有能力為國內(nèi)用戶需求的LPG膨脹機(jī)免遭國外公司壟斷提供強(qiáng)有力的技術(shù)、制造、備件供應(yīng)及服務(wù)保障。當(dāng)然川空也從中學(xué)到了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和方法,實(shí)現(xiàn)了中海油上海分公司與川空雙贏的目標(biāo)。

雖如此,國產(chǎn)化后的機(jī)組在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下振動最高值19.81 μ,接近Mafi-trench公司提供的報(bào)警值20.32 μ。如果能很好地過濾掉機(jī)電跳值,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下振動值應(yīng)在12.7 μ以下,非常接近國外水平。今后工作中要努力提升設(shè)計(jì)及加工水平,提高轉(zhuǎn)子等部件的加工精度,降低轉(zhuǎn)子的機(jī)跳值;并從工藝角度研究在轉(zhuǎn)子上鍍層金屬以降低電跳值,使川空膨脹機(jī)質(zhì)量更上一層樓。