汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)組裝式空分壓縮機(jī)的研制

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

沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱沈鼓集團(tuán))為了搶占市場(chǎng)先機(jī)，開發(fā)了一種新型組裝式空氣壓縮機(jī)[1]，主要是由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，是國(guó)內(nèi)首次全新意義的汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)組裝式空分壓縮機(jī)，為了更好地完成新型組裝式空分壓縮機(jī)組的開發(fā)研究及試驗(yàn)工作，沈鼓集團(tuán)做了大量詳細(xì)又富有創(chuàng)新的前期規(guī)劃，積極探索、深入研發(fā)，應(yīng)用大量經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證的新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)、新工藝，確保機(jī)組各項(xiàng)性能指標(biāo)均處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

1 項(xiàng)目背景

空分裝置在煤化工、石油化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，尤其是在煤化工領(lǐng)域，比如煤制氣、煤制油、煤制甲醇、煤制乙二醇、合成氨尿素等，其裝置中都有1套以上的空分裝置，包括乙烯裝置，也至少會(huì)配1套空分裝置。空分壓縮機(jī)是空分裝置中最為主要的設(shè)備，其占地雖然相對(duì)較小，但在整個(gè)空分裝置中一直牢牢占據(jù)著最核心的位置：①其廠房建設(shè)成本大；②其價(jià)格相當(dāng)于空分裝置總價(jià)的40%左右；③其耗功占整個(gè)空分裝置的90%左右，而空分裝置的原料又僅僅是空氣，所以整個(gè)空分裝置的運(yùn)行成本，最主要的就是空分壓縮機(jī)的功耗。綜上所述，降低廠房土建成本，降低機(jī)組價(jià)格和機(jī)組軸功率，是空分壓縮機(jī)改進(jìn)的3個(gè)最主要方向。

2 項(xiàng)目目的

組裝式空壓機(jī)效率高、占地小、質(zhì)量輕，與傳統(tǒng)的單軸空壓機(jī)相比有著先天的巨大優(yōu)勢(shì)，但其結(jié)構(gòu)布置為1級(jí)和2級(jí)葉輪在一根主軸上，3級(jí)葉輪在另一根主軸上，大齒輪連接驅(qū)動(dòng)機(jī)。由于結(jié)構(gòu)上兩根主軸對(duì)中心距有要求，所以大齒輪直徑非常大，大齒輪加工能力最大達(dá)到3.3 m；當(dāng)大型空分組裝式空壓機(jī)對(duì)大齒輪直徑的需求超出加工能力時(shí)，空壓機(jī)中分面還得加惰軸，以便拉大機(jī)組中心距。對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)組，為減小大齒輪周速，需采用6級(jí)或者8級(jí)電機(jī)與大齒輪直連；對(duì)于汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)組，由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速較高，因此需要增加一個(gè)減速機(jī)或者減速軸，這樣才能和大齒輪傳動(dòng)(之前汽驅(qū)的PTA壓縮機(jī)都是采用這種結(jié)構(gòu))，這種結(jié)構(gòu)一方面增加了成本及故障點(diǎn)，另一方面也增加了機(jī)組1%左右的機(jī)械損失，以8萬等級(jí)的空分空壓機(jī)為例，1%的功率損失就是360 kW。因此，如果要將組裝式空壓機(jī)應(yīng)用在汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)組上，必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)革新。

3 項(xiàng)目?jī)?nèi)容

3.1 技術(shù)路線

通過分析各級(jí)壓比分配、葉輪轉(zhuǎn)速以及沈鼓集團(tuán)的模型級(jí)儲(chǔ)備研發(fā)情況，經(jīng)過大量計(jì)算，研究壓縮機(jī)與汽輪機(jī)功率和轉(zhuǎn)速的匹配，最終采用第一級(jí)葉輪單掛，二、三級(jí)葉輪在一根軸上，第一級(jí)葉輪的盲端與汽輪機(jī)直連的全新布置形式。

3.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

在汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的組裝式空壓機(jī)機(jī)組上，這種新結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，并有廣闊的前景。

(1)在汽輪機(jī)與壓縮機(jī)之間不采用減速機(jī)或者惰軸，汽輪機(jī)可以與一級(jí)葉輪轉(zhuǎn)子直連，降低了成本，提高了機(jī)組效率。

(2)以8萬等級(jí)的空分為例，相對(duì)于單軸機(jī)組，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為3 700 r/min，而多軸壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)4 500 r/min，提高了約800 r/min，可以使汽輪機(jī)排氣段機(jī)型降低一檔，并且提高汽輪機(jī)約3.1%的效率，對(duì)于用戶來說，不僅降低了汽輪機(jī)約200萬元的采購(gòu)經(jīng)費(fèi)，而且一年節(jié)約了500萬元以上的蒸汽成本。

(3)汽輪機(jī)與第一級(jí)葉輪直連，通過第一級(jí)軸消耗掉了機(jī)組45%的功率，僅僅通過一級(jí)齒輪傳遞給大齒輪55%的功率，這樣大大降低了整個(gè)齒輪寬度，大大節(jié)約齒輪成本，潤(rùn)滑油量也降低了約24%，而且對(duì)于組裝式壓縮機(jī)，用戶的壓縮機(jī)土建基建成本、廠房建設(shè)成本、天車成本也隨之降低。

(4)這種結(jié)構(gòu)的革新也帶來了機(jī)組中心距的減小，使汽驅(qū)齒輪箱中心距比電驅(qū)還要小，成本低、載荷小；同等流量的汽驅(qū)組裝式空壓機(jī)比電驅(qū)組裝式空壓機(jī)中心距減少了約300 mm，即齒輪箱重量降低了10%以上。

(5)這種結(jié)構(gòu)的革新也使得機(jī)組軸向推力減小、齒輪嚙合損失減小，因此齒輪箱的效率也由97%提高到了97.4%。

綜上所述，汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的組裝式多軸空壓機(jī)在結(jié)構(gòu)革新后，其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力大大增強(qiáng)，尤其在3萬～8萬等級(jí)空分裝置中的大型空分機(jī)組上，具有傳統(tǒng)單軸空壓機(jī)不可比擬的競(jìng)爭(zhēng)力。大型組裝式空壓機(jī)組見圖1。

圖1 大型組裝式空壓機(jī)組

3.3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

作為全新結(jié)構(gòu)的多軸組裝式空壓機(jī)的開發(fā)，在其最主要的結(jié)構(gòu)形式確定后，還要進(jìn)行很多細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，最終達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3.3.1新型半開式模型級(jí)開發(fā)應(yīng)用

在氣動(dòng)設(shè)計(jì)上，第一級(jí)葉輪采用沈鼓集團(tuán)全新開發(fā)的高能頭、高效率的新一代空分專用三元半開式葉輪，葉輪工作線速度可達(dá)400 m/s，能保證在460 m/s的跳閘轉(zhuǎn)速下安全運(yùn)行。通過導(dǎo)葉調(diào)節(jié)保證其寬廣的工況范圍。并對(duì)整個(gè)流道進(jìn)行氣體流動(dòng)分析，使定子件的損失降到最小，氣體流動(dòng)更順暢。此模型級(jí)的效率指標(biāo)完全達(dá)到了國(guó)際同行曼透平、西門子的水準(zhǔn)，此模型級(jí)的成功開發(fā)，為壓縮機(jī)的效率指標(biāo)奠定了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)其流量系數(shù)大、葉輪強(qiáng)度好等特點(diǎn)也是汽輪機(jī)機(jī)型降低一檔的關(guān)鍵性因素。

3.3.2型環(huán)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

半開式葉輪，其最主要的特點(diǎn)就是強(qiáng)度高、流量系數(shù)大，但其效率相對(duì)閉式葉輪會(huì)略低一些，且受型環(huán)間隙的影響，實(shí)際效率的實(shí)現(xiàn)存在風(fēng)險(xiǎn)。因此，本機(jī)組在開發(fā)過程中，一方面對(duì)半開式葉輪的型環(huán)間隙，采用詳細(xì)的計(jì)算方法，確保其準(zhǔn)確性，同時(shí)在型環(huán)上預(yù)留一定的噴涂空間和特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，待真實(shí)產(chǎn)品機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量其實(shí)際的運(yùn)行間隙，然后重新噴涂型環(huán)，保證其間隙在最佳范圍之內(nèi)。

3.3.3新型閉式模型級(jí)開發(fā)應(yīng)用

圖2 391 m/s線速度下閉式葉輪強(qiáng)度計(jì)算

由于結(jié)構(gòu)的革新，第三級(jí)葉輪的周速相對(duì)較低(在340 m/s左右)，傳統(tǒng)的閉式葉輪周速最高可達(dá)310 m/s，當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，其馬赫數(shù)最大為0.85，本項(xiàng)目通過開發(fā)全新的閉式模型級(jí)，使其在340 m/s的工作周速下可以安全可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)馬赫數(shù)可以達(dá)到1.05，實(shí)現(xiàn)了跨音速，而且其效率要高于半開式葉輪，在實(shí)際運(yùn)作中更穩(wěn)定，其效率指標(biāo)超越了國(guó)際先進(jìn)同行，也是國(guó)內(nèi)首次在空分組裝式壓縮機(jī)上應(yīng)用閉式葉輪。391 m/s線速度下閉式葉輪強(qiáng)度計(jì)算見圖2。

3.3.4擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)改進(jìn)

針對(duì)組裝式空分壓縮機(jī)易出現(xiàn)的管路振動(dòng)問題，本項(xiàng)目采用了沈鼓集團(tuán)特有的專利技術(shù)，通過特殊計(jì)算，在擴(kuò)壓器端板上依據(jù)計(jì)算結(jié)果，開特殊結(jié)構(gòu)的降噪孔，使機(jī)組噪音降低約13個(gè)分貝，同時(shí)保證了在不影響效率的情況下，機(jī)組的管路振動(dòng)問題得到根本性解決。

3.3.5端齒結(jié)構(gòu)開發(fā)應(yīng)用

由于葉輪質(zhì)量較大，首級(jí)葉輪質(zhì)量達(dá)到了2.6 t，采用傳統(tǒng)的法蘭盤結(jié)構(gòu)會(huì)給裝配帶來很大困難，同時(shí)，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡和試車都很難通過。本項(xiàng)目采用沈鼓集團(tuán)具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的端齒加工技術(shù)(見圖3)，通過端齒(hirth齒)來實(shí)現(xiàn)葉輪與主軸的定位及傳遞功率，通過液壓拉伸螺栓來實(shí)現(xiàn)葉輪與主軸的把合。端齒傳遞功率大，定位精度高，對(duì)于大功率的端齒加工技術(shù)，目前世界上只有極少數(shù)公司可以設(shè)計(jì)制造。

圖3 端齒結(jié)構(gòu)

3.3.6新型動(dòng)平衡技術(shù)開發(fā)應(yīng)用

通過專用的擺架和沈鼓集團(tuán)特有的動(dòng)平衡技術(shù)，對(duì)本項(xiàng)目的轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速動(dòng)平衡，可大幅度提高轉(zhuǎn)子的精度，使機(jī)組的振幅指標(biāo)可以按照API617標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，而非國(guó)際上通用的API672標(biāo)準(zhǔn)。沈鼓集團(tuán)是國(guó)際上唯一一個(gè)對(duì)組裝式結(jié)構(gòu)雙懸臂葉輪轉(zhuǎn)子做高速動(dòng)平衡的廠家，也是唯一一個(gè)可以保證齒輪組裝式轉(zhuǎn)子振幅在25.4 μm以下的廠家，而國(guó)際同行類似機(jī)組的轉(zhuǎn)子振幅一般在35～50 μm之間。

3.3.7新型加工工藝開發(fā)應(yīng)用

特殊工藝手段的運(yùn)用。專門設(shè)計(jì)10∶1比例的小蝸殼，分別對(duì)流道內(nèi)表面處理、表面固溶、表面拋光等工藝手段做性能對(duì)比試驗(yàn)，從而驗(yàn)證出在成本增加很小的情況下，蝸殼效率可以提高1%左右；閉式葉輪采用整體銑制，國(guó)際上只有3家企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)，整體銑制葉輪效率比兩件焊接高出0.4%，比三件焊接高0.9%。通過上述工藝手段，使機(jī)組的氣動(dòng)效率在實(shí)際生產(chǎn)中得到了有力保證。

3.3.8大功率齒輪箱技術(shù)開發(fā)

此前，國(guó)內(nèi)最大的齒輪箱為4萬等級(jí)空分壓縮機(jī)，大齒輪直徑為2 900 mm，對(duì)于8萬～10萬大型空分壓縮機(jī)，其難度系數(shù)要大很多，但通過結(jié)構(gòu)革新，電驅(qū)4萬空分上的大齒輪直徑與汽驅(qū)8萬空分空壓機(jī)的大齒輪直徑在一個(gè)數(shù)量級(jí)，也是2 900 mm，大大降低了齒輪箱的加工制造難度。通過大量計(jì)算與驗(yàn)證，采用全新的節(jié)能軸承、優(yōu)化瓦塊數(shù)量與包角角度等措施，不僅完成了大功率齒輪箱的設(shè)計(jì)，而且其噪音指標(biāo)、油耗指標(biāo)等都達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。并且通過齒箱整體應(yīng)力分析、臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算、扭轉(zhuǎn)計(jì)算(見圖4)等，保證了機(jī)組的可靠性。

圖4 齒輪箱應(yīng)力計(jì)算

4 結(jié)語(yǔ)

整個(gè)機(jī)組嚴(yán)格執(zhí)行AP617，API672，API613，API614，API671，API670，API615國(guó)際通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及AGMA6011，GB151等標(biāo)準(zhǔn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。本機(jī)組的成功研制，大大提高了大中型空分壓縮機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)力，并且成功申請(qǐng)多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，在每年約30億元的國(guó)內(nèi)空分壓縮機(jī)市場(chǎng)中一定會(huì)有更加優(yōu)異的表現(xiàn)。