高效硝酸尾氣膨脹機的研制

陳　勇　張先裕

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所　上海201108)

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高效硝酸尾氣膨脹機的研制

陳勇張先裕

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所上海201108)

0前言

通過對國內多家硝酸生產企業的空氣壓縮機機組進行調研，發現普遍存在由于硝酸尾氣膨脹機回收功率不足而導致空氣壓縮機機組低轉速運行、硝酸產量下降的問題，因此，提高硝酸尾氣膨脹機回收功率的工作亟待解決。

國內某化工企業擁有多條硝酸生產線，其中5#生產線為550 t/d高壓法硝酸生產裝置。該生產線中的空氣壓縮機機組由硝酸尾氣膨脹機、軸流式空氣壓縮機、離心式空氣壓縮機和汽輪機組成，其中硝酸尾氣膨脹機為英格索蘭多級軸流式膨脹機(五級)，已使用多年，效率大幅降低，回收功率不足，導致空氣壓縮機機組無法按照設計轉速運行，進而硝酸產量大幅降低；同時，還存在尾氣泄漏等問題，影響操作人員人身安全。

1設計參數及設計要求

設計參數：流量66 520 m3/h(標態)，進口溫度610 ℃，進口壓力0.77 MPa，出口壓力0.10 MPa，轉速8 350 r/min，功率8 150 kW。

設計要求：①提高硝酸尾氣膨脹機效率，使空氣壓縮機組能夠達到原來的設計轉速；②解決漏氣問題。

2氣動設計

對硝酸尾氣膨脹機設計參數進行分析，結合目前透平設計級焓降水平，使用三級透平完全能夠滿足要求。經過一維特性計算、S2流面計算、葉片造型及計算流體動力學(CFD)流場仿真，并與可靠性分析過程相互迭代，完成了硝酸尾氣膨脹機的氣動設計。

在進行級的焓降分配方面，從減小排氣損失的角度出發，末級應分配較小的焓降，使出口氣氣流接近軸向；同時，前面級焓降大，則溫度降低也多，對后面級的強度有利；但隨著葉片高度的增加，級做功能力也有所增加。綜合以上幾個方面考慮，確定了硝酸尾氣膨脹機的焓降分配，末級動葉出口氣流接近軸向，余速損失較小。

采用CFD計算軟件CFX進行三維流場仿真，觀察硝酸尾氣膨脹機流道內部的流動細節。計算中考慮了葉片葉頂間隙等因素，對間隙區域內的網格進行了特殊處理，使計算盡可能貼近實際情況，以確保計算結果的準確性。

3結構設計

考慮到與用戶現場的管道配合，硝酸尾氣膨脹機的總體結構借鑒了原國外硝酸尾氣膨脹機的結構，采用上進下出的結構形式，并在此基礎上進行局部優化。結構設計中采用三維建模軟件對所有零部件進行建模，利用三維建模軟件的特征驅動功能，能夠快速修改設計，并轉化為工程圖，同時也為CFD計算、臨界轉速分析等提供了依據。

3.1殼體設計

原有的尾氣膨脹機采用了進氣蝸殼的設計，尾氣從蝸殼進入，經導向環將氣流轉為軸向，再進入葉片流道。蝸殼位于進氣殼體內部，中間敷設保溫層，此種結構帶來的好處是有利于降低殼體溫度；但由于蝸殼進口直徑與進口管道直徑存在一定差異，部分硝酸尾氣會進入蝸殼與進氣殼體之間的空腔，進而形成流動死區。進氣端蜂窩密封、靜葉殼體高壓部分固定在蝸殼上，轉子從蝸殼內穿過，轉子從殼體內拆解出來時需連同蝸殼等零件一并起吊，蝸殼及蜂窩密封等零件質量均由主軸承擔，易損傷主軸，特別是與蜂窩密封配套的密封齒極易被壓塌或傾倒，使密封性能降低甚至失效。

在綜合分析了原有結構的優缺點之后，取消了進氣蝸殼的設計，氣流由徑向轉為軸向，導向功能由靜葉殼體來實現。此種設計簡化了結構，提高了可靠性，安裝和維修更方便。

3.2轉子設計

轉子采用兩端支撐的形式，提高了運行穩定性。主軸采用整體鍛件，剛度強，確保整個轉子為剛性轉子，降低了啟、停機時過臨界轉速的操作難度。原來使用的膨脹機為五級，經重新氣動設計后，減至三級即可滿足要求，輪盤與主軸采用花鍵傳遞扭矩。考慮到推力盤經長期使用后可能出現損壞，為便于維修，推力盤與主軸為分體結構，過盈配合。轉子上設有測位移盤，運行中通過位移傳感器對轉子的位移進行實時監測，并帶有聯鎖，一旦軸位移超過監控系統中設定的停機值，控制系統將自動對機組進行停機操作。動葉與輪盤采用樅樹形榫頭連接，葉片榫頭及輪盤榫槽應力小，強度裕度大，可靠性高。

3.3密封設計

在工業透平中，迷宮密封由于結構簡單、成本低廉而得到廣泛應用。隨著蜂窩密封加工成本的下降以及機械行業對密封的要求越來越高，其使用范圍不斷擴大。在硝酸尾氣膨脹機中，軸端、級間都需要進行有效密封。雖然蜂窩密封效果較好，但仍無法做到完全密封，因此，在進氣端采用了蜂窩密封與碳環密封相結合的形式，可提高密封效果。級間采用蜂窩密封，避免大量尾氣從級間間隙內泄漏而造成下游流場的紊亂。

4可靠性分析

為了保證膨脹機能夠長周期穩定運行，必須對膨脹機的關鍵零部件進行詳細的可靠性分析，包括強度校核、振動分析和臨界轉速分析。

4.1強度校核

動葉和輪盤之間采用樅樹形榫頭進行連接，在工作情況下需承受高溫熱應力、離心載荷及氣動載荷，必須保證足夠的強度裕度。強度校核采用有限元分析軟件ANSYS進行應力計算，在進行網格劃分時特別針對葉片根部和榫頭部位進行網格加密處理，力求更準確地反應葉片應力分布情況。動葉應力分布示意見圖1，輪盤榫槽處應力分布示意見圖2。

圖2　輪盤榫槽處應力分布示意

從強度計算結果來看：動葉和輪盤應力分布均較為均勻，動葉最大應力位于榫頭部分，輪盤最大應力位于榫槽處；動葉和輪盤的強度安全系數分別達到3.0和2.5，均大于許用安全系數，說明葉片和輪盤的強度是安全可靠的。

4.2振動分析

分別對各級葉片進行振動分析，可計算得到葉片靜頻和動頻，以及葉片的各階振型。利用坎貝爾圖分析葉片在工作情況下產生振動的可能性，一旦葉片在工作條件下存在共振的可能，就需要對葉片進行修改，調整其頻率，以避開共振頻率，確保安全可靠。動葉一彎振型示意見圖3，動葉一扭振型示意見圖4。

圖3　動葉一彎振型示意

圖4　動葉一扭振型示意

4.3臨界轉速分析

進行轉子臨界轉速計算時，在保證不影響計算結果的前提下，對模型進行適當簡化。轉子網格示意見圖5，轉子一彎振型示意見圖6。

圖5　轉子網格示意

圖6　轉子一彎振型示意

由計算結果可知，轉子臨界轉速9 960 r/min，而工作轉速為8 350 r/min，屬于剛性轉子；振動裕度較大，可確保轉子在運行中不發生共振。

5熱態機械運轉試驗

為了檢驗產品的設計、制造和裝配質量，進行了整機熱態機械運轉試驗，為此，專門搭建了硝酸尾氣膨脹機試驗臺。該試驗臺由變頻電機作為動力，經變速箱驅動硝酸尾氣膨脹機。試驗轉速在400～8 400 r/min，完全覆蓋膨脹機的工作轉速。試驗臺配備了獨立的潤滑油站，布置在試驗臺旁地下室，流量為160 L/min，并分別對膨脹機、變速箱進油溫度、回油溫度、進油壓力及流量進行監測。膨脹機進口與出口通過管道連接，形成閉路循環，機殼及管道外進行保溫。在電機的驅動下，膨脹機內空氣溫度逐步升高，機殼和轉子逐步膨脹，模擬膨脹機真實運行工況。在機殼及軸承箱處架設百分表，觀察膨脹機在高溫下各部位的熱膨脹情況；對軸承溫度、轉速、振動、軸位移等進行監測，信號接入監控系統，并進行聯鎖。試驗取得了膨脹機在不同轉速、不同溫度下的運行參數，經分析，膨脹機各項性能指標均達到設計要求，為該設備在用戶現場的運行提供了可靠保障。

6現場運行

由于膨脹機仍然采用原有的膨脹機支座，給機組的安裝找正工作帶來了一定的困難。經細致調試，機組開車成功，膨脹機各項性能指標均大大優于原有機組，硝酸系統產量由360 t/d增加至420 t/d，增幅達16.7%；系統副產蒸汽由13 t/h增加至20 t/h，大大降低了生產成本。由于膨脹機轉子的平衡精度高，機組對中好，更換硝酸尾氣膨脹機后，不僅膨脹機振動值由原來的60 μm左右降低至20 μm以下，還帶來整套空氣壓縮機組振動的大幅下降，整套空氣壓縮機組最大振動值低于40 μm。

7結語

在該硝酸尾氣膨脹機的研制中，采用了一些新的結構，在熱態機械運轉試驗及現場運行中均得到檢驗，證明是行之有效的。在開發過程中，也曾遇到一些問題，特別是在裝配階段，暴露出個別零件吊裝不便、螺栓扳手空間不夠等問題，但最終都得到了妥善的解決。這些問題和解決問題的過程都成為寶貴的經驗，在將來的設計中需更加注意細節的設計。隨著硝酸生產裝置的大型化，還將進一步開發更大型號的尾氣膨脹機，該硝酸尾氣膨脹機的開發也為此打下了良好的基礎。

(收稿日期2016-01-12)