超大型甲醇合成氣壓縮機(jī)的研制

李津津

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

甲醇合成氣壓縮機(jī)組為甲醇合成裝置的核心機(jī)組,承擔(dān)著將原料氣與合成氣(加氣)合成并增壓打入精餾罐的任務(wù),是整個(gè)甲醇合成裝置的“心臟”設(shè)備,裝置規(guī)模逐漸大型化,已達(dá)到百萬噸級(jí)。國內(nèi)目前最大的甲醇裝置為180萬t/a,需要為大型甲醇裝置開發(fā)新的大型合成氣壓縮機(jī),設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造難度大,長期依靠進(jìn)口,行業(yè)內(nèi)以西門子(SIEMENS)和美國GE所生產(chǎn)的大型甲醇合成氣機(jī)組代表當(dāng)今世界先進(jìn)水平。國內(nèi)壓縮機(jī)制造企業(yè)不具備設(shè)計(jì)、制造該類壓縮機(jī)組的能力,國產(chǎn)機(jī)組在這一領(lǐng)域一直是空白,嚴(yán)重制約著我國煤制甲醇裝置的國產(chǎn)化進(jìn)程。通過合作與自主開發(fā)相結(jié)合,沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司(以下簡稱沈鼓)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)完成了大型甲醇合成氣裝置用合成氣壓縮機(jī)組的技術(shù)攻關(guān)和研制任務(wù)。

1 研制內(nèi)容

針對大型甲醇合成氣壓縮機(jī)組的工藝參數(shù),沈鼓項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用壓縮機(jī)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行技術(shù)方案配置,反復(fù)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果,壓縮機(jī)最終采用單缸兩端段,缸內(nèi)布置為背靠背結(jié)構(gòu),根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化。壓縮機(jī)合成段全部采用了大流量、輕介質(zhì)、高效、高能頭模型級(jí),壓縮機(jī)采用垂直剖分筒形機(jī)構(gòu)。原動(dòng)機(jī)采用抽汽凝汽式汽輪機(jī),整臺(tái)機(jī)組安裝在雙層布置的半封閉廠房內(nèi),其中,壓縮機(jī)、汽輪機(jī)及其他輔助設(shè)施布置在二層平臺(tái),干氣密封盤、儀表盤離開機(jī)組布置在廠房一側(cè),潤滑油站和表面冷凝器布置在一層地面。壓縮機(jī)組和驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)分別采用單獨(dú)底座,機(jī)組的進(jìn)、排氣口均指向底座下方。

合成氣壓縮機(jī)的軸端密封采用性能可靠的干氣密封,選用可傾瓦支撐軸承和金斯伯雷式推力軸承,各單機(jī)之間均采用具有無潤滑、自動(dòng)對中特性的膜盤式聯(lián)軸器聯(lián)接。

機(jī)組配有潤滑油、控制油供油系統(tǒng)。油站上的油泵(主油泵采用進(jìn)口的汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng))、復(fù)式油冷卻器和過濾器互為主輔,均可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)流動(dòng)換閥,系統(tǒng)中還配有蓄能器、高位油箱等。

機(jī)組設(shè)置了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控裝置,本控制系統(tǒng)對壓縮機(jī)組的所有測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控,具有機(jī)組氣動(dòng)性能調(diào)節(jié)、機(jī)組機(jī)械安全控制與保護(hù)、潤滑及密封系統(tǒng)調(diào)節(jié)與控制、防喘振控制等功能。機(jī)組氣路見圖1。

圖1 機(jī)組氣路

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行工況的要求,方案設(shè)計(jì)上選用合成段5級(jí)+循環(huán)段2級(jí)分段形式(見圖2)。

合成段選用高效合成氣壓縮機(jī)專用模型級(jí),流量系數(shù)范圍在0.04～0.06,最高效率達(dá)到83.9%;循環(huán)段氣量大,葉輪選擇為大流量三元葉輪,流量系數(shù)為0.104 2,最大效率達(dá)86.9%,主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 先進(jìn)的模型級(jí)開發(fā)

基于CFD(計(jì)算流體力學(xué))方法,實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)三元葉輪和靜子部件協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì),且對模型級(jí)內(nèi)部損失的全渦室控制,解決了按傳統(tǒng)“給定幾何-CFD分析-改進(jìn)”方法設(shè)計(jì)的高能頭模型級(jí)效率偏低的問題,開發(fā)出新的適于低馬赫數(shù)范圍(0.30～0.50)的合成氣壓縮機(jī)輕介質(zhì)專用模型級(jí)系列,大大拓寬了通用模型級(jí)的試驗(yàn)馬赫數(shù)Mu2范圍(原范圍0.65～0.93),使性能設(shè)計(jì)結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠。新系列模型級(jí)實(shí)現(xiàn)了高能頭方案,能頭系數(shù)提高了近25%,解決了原有模型級(jí)能頭系數(shù)低的問題,實(shí)現(xiàn)了更大的級(jí)壓比。

試驗(yàn)結(jié)果表明:新系列模型級(jí)的多變效率大于80%,且工況范圍寬,達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。高效率、高能頭系列模型級(jí)的成功開發(fā),使合成氣壓縮機(jī)機(jī)組的級(jí)數(shù)減少到7級(jí),比傳統(tǒng)低能頭模型級(jí)設(shè)計(jì)方案少了1級(jí),實(shí)現(xiàn)了高效壓縮輕介質(zhì)的設(shè)計(jì)目標(biāo),大大減少了機(jī)組尺寸。此外,新模型級(jí)的輪轂比較大,有利于保證機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性;葉片為線元素葉型,有利于保證葉輪的加工和制造精度。

2.2 先進(jìn)的蝸室結(jié)構(gòu)開發(fā)

壓縮機(jī)的靜止元件對整個(gè)壓縮機(jī)的工作效率有相當(dāng)大的影響,壓縮機(jī)機(jī)殼及蝸室的作用不容忽視,其在提高離心壓縮機(jī)的級(jí)性能、拓寬其穩(wěn)定運(yùn)行范圍等方面發(fā)揮著顯著作用。通過使用專為透平機(jī)械開發(fā)的三維流體計(jì)算NUMECA軟件,建立整級(jí)模型,對機(jī)組內(nèi)部的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬,并針對流場分析中存在的問題進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.2.1進(jìn)氣蝸室結(jié)構(gòu)開發(fā)

運(yùn)用分析軟件計(jì)算合成段進(jìn)氣蝸室,分析導(dǎo)致級(jí)多變效率下降的程度和原因。原設(shè)計(jì)合成段進(jìn)氣蝸室的風(fēng)筒與內(nèi)機(jī)殼相貫處截面積較小,使得此處馬赫數(shù)較高(0.073),且總壓損失系數(shù)較大(1.92),吸氣室內(nèi)周向流場不均勻,從而導(dǎo)致級(jí)多變效率由82.2%(軸向進(jìn)氣)下降至73.9%。

改進(jìn)后的進(jìn)氣蝸室增大了風(fēng)筒與內(nèi)機(jī)殼相貫處的面積,使得此處馬赫數(shù)下降至0.055,且總壓損失系數(shù)下降至0.89,吸氣室內(nèi)周向流場均勻性提高,使得級(jí)多變效率提高至79.1%,比原設(shè)計(jì)提高5.2%。進(jìn)氣蝸室徑向界面流域見圖3。

2.2.2出氣蝸室結(jié)構(gòu)開發(fā)

開發(fā)流線型高效率偏置出口蝸室結(jié)構(gòu),將出口蝸室由垂直直通等截面結(jié)構(gòu)改進(jìn)為氣體流動(dòng)切向方向變截面結(jié)構(gòu),風(fēng)筒、內(nèi)機(jī)殼與隔板成切向出氣,氣流經(jīng)過蝸室的阻力減小,使得出口蝸室截面的流場均勻性提高,從而提高了壓縮機(jī)的出口蝸室效率。CFD計(jì)算結(jié)果表明,與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)氣蝸室相比,改進(jìn)后出口蝸室流場漩渦明顯降低,蝸室壓力分布和氣流方向均勻性大大改善,效率提高5%。

出氣蝸室徑向界面流線見圖4。

圖4 出氣蝸室徑向界面流線

2.3 開發(fā)了超大型、高壓力新型外殼結(jié)構(gòu)

由于合成氣壓縮機(jī)筒體直徑較大,水壓試驗(yàn)壓力高(水壓壓力為15MPa(g)),在核算端蓋與機(jī)殼把合螺栓強(qiáng)度時(shí),發(fā)現(xiàn)常規(guī)尺寸螺栓無法滿足強(qiáng)度要求,需要進(jìn)一步加大螺栓的規(guī)格,機(jī)殼外徑亦需進(jìn)一步加大,導(dǎo)致成本增加。經(jīng)研究分析,原機(jī)殼厚度完全能夠滿足水壓試驗(yàn)的壓力,甚至還有裕量,因此從端蓋與機(jī)殼的把合形式著手,最終開發(fā)出先進(jìn)卡環(huán)結(jié)構(gòu)殼體。相比于原常規(guī)螺栓把合機(jī)殼,機(jī)殼的外徑有所減小,通過ANSYS軟件進(jìn)行分析,外機(jī)殼在水壓狀態(tài)下的最大等效應(yīng)力值約為180MPa,小于材料屈服極限,左端蓋與右端蓋在水壓狀態(tài)下的等效應(yīng)力約為250MPa,均小于材料屈服極限。對定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析結(jié)果顯示,定子殼體在15MPa(g)水壓工況條件下,機(jī)殼所受應(yīng)力最大值為408 MPa,滿足材料要求。

殼體在水壓狀態(tài)下的總變形分布云圖見圖5。

圖5 殼體在水壓狀態(tài)下的總變形分布云圖

2.4 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子的動(dòng)力特性關(guān)系到本合成氣壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。針對合成氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲振動(dòng),展開進(jìn)一步深入研究顯得格外重要。通過一系列工作,完善分析手段,提高計(jì)算的可靠性,并優(yōu)化轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)階段保證軸系具有優(yōu)良的彎曲與扭轉(zhuǎn)動(dòng)力特性,完成了針對合成氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子可靠性研究(橫向彎曲振動(dòng)、穩(wěn)定性分析),按照2002版API617標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核,以上分析結(jié)果全部通過。該項(xiàng)目執(zhí)行新版API617標(biāo)準(zhǔn),通過對合成氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性研究及穩(wěn)定性分析,預(yù)測和判別了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力可靠性,確保了甲醇合成氣壓縮機(jī)組長周期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

壓縮機(jī)組的轉(zhuǎn)子部件設(shè)計(jì)難度較大。轉(zhuǎn)子的跨度較大,總長達(dá)到2 383 mm,軸承支撐跨距達(dá)到2 102 mm,長徑比為10.84;轉(zhuǎn)子質(zhì)量為1 046 kg,單個(gè)支撐軸承比壓達(dá)到6.86 MPa。

對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行不平衡響應(yīng)分析,得到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡響應(yīng),并進(jìn)行了分析評(píng)定。結(jié)果表明,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)具有較寬的隔離裕度,在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的響應(yīng)幅值較小,不平衡響應(yīng)曲線見圖6。

圖6 轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)曲線(工況1)

對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。根據(jù)施加于整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的迷宮密封產(chǎn)生的氣流等動(dòng)力學(xué)效應(yīng),繪制在最小軸承間隙下該機(jī)組一階正進(jìn)動(dòng)的對數(shù)衰減率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線(見圖7),最大連續(xù)轉(zhuǎn)速下一階正進(jìn)動(dòng)的對數(shù)衰減率為0.321。根據(jù)API617標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于Ⅱ級(jí)穩(wěn)定性驗(yàn)收準(zhǔn)則規(guī)定,Ⅱ級(jí)穩(wěn)定性分析合格的標(biāo)準(zhǔn)是該機(jī)組一階正進(jìn)動(dòng)的最終對數(shù)衰減率須大于0.1。因此,轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性滿足API617-2002標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 結(jié)語

超大型甲醇合成氣壓縮機(jī)組的成功研制可以滿足用戶工藝流程中各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求,穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性達(dá)到進(jìn)口同類機(jī)組先進(jìn)水平,填補(bǔ)國內(nèi)空白,打破國外技術(shù)壟斷的局面,使我國成為國際上極少數(shù)能夠設(shè)計(jì)制造該機(jī)組的國家之一,在我國離心壓縮機(jī)發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義。