論大型乙二醇裝置氫氣循環壓縮機的研制方法

金鑫，李春梅，劉洋

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

1 主要內容及方法

本項目主要針對大型乙二醇裝置對氫氣循環氣壓縮機組大型化、高參數和穩定、高效、長周期運行的重大戰略需求，依據裝置工藝特點，自主研制了具有國際技術水平的大型氫氣循環氣壓縮機組。

氫氣循環氣壓縮機設計參數：

流量：2457700～421320Nm3/h

進口壓力：2.56bar 出口壓力：5.56bar

進口溫度：35℃ 出口溫度：85℃

1.1 壓縮機氣動方案研究

乙二醇裝置氫氣循環氣壓縮機組分子量約為2.5，常規工藝升壓在1～3 公斤，流量調節范圍70%～120%，隨著工藝的調整，要求大型氫氣循環氣壓縮機的升壓達到10kg，根據設計參數，按照常規技術，需要BCL7010，即700mm 葉輪直徑，10 級壓縮機，此方案成本高效率低，競爭力很差，與國內同行處于同一技術水平，比國外機組差很多。基于介質特性，設計參數特性，結合流場分析，攻克輕介質、大升壓、寬調節范圍的單缸單段八級壓縮方案優化。針對氫氣循環氣離心式壓縮機，開發流量系數覆蓋0.045～0.065，效率84%以上的高效率高能頭系數模型級系列。將壓縮機機型降低到BCL608，即600mm 葉輪直徑，8 級壓縮，而且效率提高了4%左右，極大地增強了競爭力。

通過全新模型級開發，實現減小大型離心式壓縮機結構尺寸、減少級數、提高工作轉速的有效節能目標。減小機組尺寸，有利于降低機組的制造成本以及占地面積，并方便運行維護；減少大型壓縮機單機級數，可縮短轉子跨距，提高轉子穩定性；降低工作轉速，提高機組運行的安全可靠性。

在節能型高能量頭系數模型級級開發過程中，首先通過先進的氣動設計軟件包COMPAL/PREDIG 模塊，先進行一維反問題設計，然后通過CCAD 模塊，對進氣、葉輪，擴壓器、回流器排氣等部件進行三維設計，按優化準則調整相關結構幾何參數，獲得最佳氣動性能與結構方案。對模型級的內部整個氣流進行準三維黏性流動數值模擬，獲得氣體在模型級內部的氣流分布。

通過對模型級內部氣體流場的分析，改進流道的幾何參數，最大限度地避免氣體流動過程中發生旋渦、回流或分離等流動的出現，從而提高模型級的效率和能量頭系數。最后通過模型級試驗，驗證最終開發結果，從而獲得各項參數最優的模型級。

大流量、高壓比、高速等特點的大型壓縮機模型級，極易產生氣流不穩定現象，甚至發生“激振”現象，因此，必須通過CFD 氣動設計和分析軟件，預先進行流場模擬分析，并進行初步的設計修改后，才能進行高速模型級性能試驗，以提高試驗的成功率和安全性。

1.2 機組可靠性研究

壓縮機設計的可靠性主要體現在結構和運行兩個方面。結構可靠性關注壓縮機結構完整性，研究葉輪等關鍵零部件在復雜工況環境下的強度、變形及疲勞特性；運行可靠性關注機組長期安全穩定運轉，研究轉子-軸承-密封動力系統的振動特性及動力穩定性。本項目在考慮葉輪安全性和定子剛強度等結構可靠性的同時，重點完成了以下幾個方面的工作。

大功率、高轉速、高穩定性的轉子優化設計。

采用氣動、力學、工藝等多學科優化技術，縮短轉子跨距，提高轉子剛性，確保機組在高壓力、高轉速下平穩運轉。

氫氣循環氣壓縮機葉輪數量較多，且均為較寬三元葉輪，在常規設計時，機組跨距較長，L：D 過大，影響機組允許，為保證機組的運行安全，針對模型級進行縮小跨距研究。

分析對象：LR2 葉輪及其后的葉片擴壓器、葉片回流器與LR3 葉輪及其后的葉片擴壓器組成的兩級。

分析用途：分分減小析LR2 及LR3 兩級間的間距對氣動性能的影響。

分析內容：分析LR2 葉輪及其后的葉片擴壓器、葉片回流器與LR3 葉輪及其后的葉片擴壓器組成的兩級的氣動性能。

分析軟件：NUMECA、CFD、CAXA。

利用CFD 軟件NUMECA 進行計算分析，采用Autogrid5進行葉輪網格自動劃分，利用FINE/TURBO 求解器進行求解。

原始方案和優化方案模型級均采用單通道計算域網格模型單通道計算域網格模型。壁面距離ywall 均為0.01mm。

表1 LR2+LR3 不同跨距性能對比

經過分析計算，級間距的縮短對機組性能的影響可以忽略，但是對機組動力學特性有著很大的改善(如表1)，因此采用縮短級間距從而減小L/D 的方案。

由上述分析，該轉子在工作轉速運行范圍內，在最小軸承間隙下轉子一階正進對數衰減率0.142，轉子的穩定性分析滿足API617 標準的要求，如圖1/2。

圖1 對數衰減變速曲線

圖2 轉子一階正進動復模態圖

為保證模型級的較高能頭，均所有葉輪均采用葉片擴壓器，帶葉片擴壓器的機組，葉輪的葉片與擴壓器的葉片可能存在頻率干涉，長周期運轉時，可能會發生葉片疲勞斷裂，造成機組長周期停車，業主裝置停產，對整個裝置影響巨大，因此需要對機組葉輪進行頻率分析，避免疲勞破壞。

圖3 葉輪各階頻率

從圖3/4 可看出，出口擴壓器葉片數OGV=10 對應的諧波指數1.9 的葉輪自然頻率族中，第1/2 階自然頻率未落在額定轉速范圍內。葉輪自然頻率校核通過。

圖4 葉輪頻率干涉圖

2 結語

項目完成后，大大填補了乙二醇市場的缺口，也間接促進了國內乙二醇規模由25～50萬噸的跨越，每年可為企業帶來5～10 個億的訂貨，實現企業向高端裝備制造的轉型發展；沈鼓氫氣循環氣壓縮機完全達到甚至局部超過了國際同類壓縮機的水平，而且交貨期更短，服務更好，也為業主節約了初期投資和后期維護費用，同時，使業主的裝置建設周期減少了5 個月，大大提高了業主的融資成本與盈利。該機組的國產化研制成功，解決了大型乙二醇裝置壓縮機組的共性技術問題，實現了多學科、多領域技術的集成和行業間的跨越，將帶動裝備制造業及能源產業的技術進步和發展。