合成氨氮氣壓縮機的研制

黃映富

摘要：合成氨指由氮和氫在高溫高壓和催化劑存在下直接合成的氨，為一種基本無機化工流程。現代化學工業中，氨是化肥工業和基本有機化工的主要原料。本文對于合成氨中適用的氮氣壓縮機為研究對象進行詳細的介紹。

緒論

雖然我國早已開始新能源的研發和投入使用，但是對于煤的使用仍然占據工業生產、生活的主要位置，尤其是內地城市水資源缺乏，發電、取暖、生產等都依賴于煤炭的供應。煤炭燃燒產品的污染性顆粒物體及氣體，是破壞空氣質量，引起霧霾的主要原因之一，尤其是劣質煤產生的危害更大國家相關部門已經將劣質煤列入嚴禁使用的名單。為了綜合利用劣質煤，中煤集團所屬平朔公司劣質煤綜合利用示范項目全面啟動，包括一套30萬噸/年的合成氨裝置（副產液化天然氣1.1億標方/年）、兩套18萬噸/年的硝酸裝置和兩套20萬噸/年的硝酸銨裝置，配套建設供電、供水、蒸汽等公用工程。

合成氨反應式如下：

（該反應為可逆反應，等號上反應條件為：“高溫高壓”，下為：“催化劑”）

合成氨需要在高溫高壓下進行，我們需要提高氮氣的壓力。

1.氮氣壓縮機的選型計算

在平朔公司項目中氮氣的進口流量為10700Nm3/h，入口壓力為4.70ata，入口溫度為40℃，出口壓力為33ata，可調節范圍75-105%。

CALC300 是沈鼓集團從意大利引進的氣動計算程序， 它以 LKZX方程為基礎實現熱物性計算，同時在相似模化設計中使用了從新比隆引進和沈鼓集團自主開發的大型葉輪基本級數據庫。根據 CALC300 程序計算結果，該氮氣離心壓縮機機型為3MCL607，型號釋義3表示壓縮機需要多段壓縮，帶中間冷卻器，M 表 示壓縮機安裝形式為水平剖分形式， C L表示壓縮機采 用無葉擴壓器， 60表示壓縮機葉輪名義直徑600mm，7表示壓縮機缸內葉輪級數7級。

壓縮機設計正常工況軸功率為9760KW，轉速為8575rpm，最大工況軸功率為10820KW，轉速為8818rpm，壓縮機整機效率80%。驅動機使用汽輪機驅動，轉速調節范圍為6430-9260rpm。

2.壓縮機設計的要點

2.1 葉輪

葉輪采用沈鼓開發的高效大流量三元葉輪。該系列葉輪該葉輪是沈鼓總結多 年該類壓縮機設計經驗，其具有流量系數大，能頭系數高的特點，保證壓縮機的整機效率達到國內一流水平。該葉輪采用閉式銑制焊接方式。

2.2 材料選擇

由于該壓縮機轉速較高，葉輪的圓周速度達到300m/s，對材料的要求較高。所以選取了FV520B作為葉輪材料。FV520B是馬氏體沉淀不銹鋼，具有低溫力學性能優良，在高溫回火下有很好的低溫拉伸性能。當冷卻液氮溫度是仍舊保持常溫下的機械性能。

2.3 葉輪強度以及葉輪口圈變形計算

壓縮機葉輪強度計算采用通用的計算軟件A N S Y S 進行， 在三維軟件中對葉輪進行建模并通過接口導入到A N S Y S 軟件中進行應力及變形計算。

經計算，葉輪在跳閘轉速下的最大等效應力為858MPa，小于材料屈服極限880MPa，符合材料要求。

在跳閘轉速下軸孔的徑向變形，軸孔最大徑向變形量為0.328mm，設計半徑最小過盈量0.217mm，滿足50%接觸要求。

2.4 轉子不平衡響應及穩定性分析

離心壓縮機運行時轉子經常受到壓力、離心力和非穩定形式流體激勵的綜合作用，發生劇烈振動，并產生相應的噪聲，嚴重的會引起共振。為了避開轉子的臨界轉速，不平衡響應以及轉子的穩定性分析是非常有必要的。

2.4.1 轉子不平衡響應

轉子的不平衡響應分析采用RBSP軟件。RBSP是沈鼓集團與西安交通大學、上海復旦大學聯合開發的轉子動力學分析軟件[6] 。該軟件是根據轉子動力學理論、API 617-2002標準和沈鼓集團產品的實際需求，開發出的轉子—軸承系統動力特性分析軟件 。該軟件能完成實模態分析、不平衡響應分析、復頻率坎貝爾分析、一級穩定性分析和扭轉共振分析。

式中Nc：轉子不平衡響應峰值轉速（臨界轉速）（r/min）， N1：低于臨界轉速、振幅為臨界轉速處振幅值0.707倍處對應的轉速，N2：高于臨界轉速、振幅為臨界轉速處振幅值0.707倍處對應的轉速（r/min）。

由轉子的運行轉速范圍和響應峰值轉速可以確定實際的隔離裕度SM。

轉子系統的基本結構參數：

轉子：轉子（3MCL607）

轉速：工作轉速： 8818 rpm 最大連續轉速：9259 rpm

轉子結構參數：總長： 2775 mm 跨距：2200 mm 總重：1017 （Kg）

軸承靜載：軸承1：4930（N） 軸承2：5050（N）

長徑比（L/D）：2200/220=10

轉速范圍：6614-9259

經分析，轉子一階臨界轉速（圖4）為3553rpm，放大系數5.07，要求格力裕度13.10%，實際隔離裕度46.28%；轉子二階臨界轉速（圖5）為17911rpm，放大系數5.96，要球隔離裕度23.97%，實際隔離裕度97%。轉子不平衡響應符合設計要求。

2.4.2 轉子穩定性分析

一級穩定性分析結果（對數衰減率-交叉耦合剛度曲線圖）如圖所示， 圖中顯示了轉子一階正進動對數衰減率與交叉耦合剛度的關系，QA為預期的交叉耦合剛度，Q0 為產生零對數衰減率所要求的交叉耦合剛度。當軸承間隙取最小值時，Q0/QA=2.38，對數衰減率 =0.20815，需要看API 圖的CSR 值決定是否需要進一步穩定性分析。當軸承間隙取最大值時，Q0/QA=3.5，對數衰減率 =0.34945，需要看API 圖的CSR 值決定是否需要進一步穩定性分析。

由圖2一階穩定性原則篩選圖中可看出，CSR值落在A區，滿足API617標準，不需要進行進一步穩定性分析，轉子的設計符合要求。

研制結果

3.研制結果

該氮氣壓縮機在出廠前進行了機械運轉試驗，試驗表明整機運行良好，轉子運轉穩定，轉子振動小于23.5 .該壓縮機的設計符合API617的標準，相關性能達到國內領先水平。

參考文獻

[1]周芒.大型離心壓縮機葉輪疲勞分析[D].大連：大連理工大學，2013.

[2]成大仙.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2010.

[2]徐忠.離心式壓縮機原理[M].北京：機械工業出版社，1990.

（作者單位：沈陽鼓風機集團股份有限公司）