離心式氫氣站壓縮機的研制

金 鑫

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

1 前言

某項目氫氣站壓縮機氣量大，同時升壓達到13kg，常規離心機需要3個缸才能實現，投資大，且效率低、檢修困難，因此需要研制雙缸、高效離心式氫氣站壓縮機。

作為國內最大的氫氣站裝置，項目成功研發了國內首套離心式氫氣站壓縮機，替代了傳統的往復式壓縮機，實現了純氫氣的增壓，滿足了業主投資成本低、占地面積小、運行維護費用低且能長周期運行的需求。

2 主要內容及方法

通過氣動方案、葉輪加工及強度優化、機組安全設置等方面的深入研究，相關人員開發氫氣站壓縮機。氫氣站離心壓縮機設計參數：流量為89060～102420Nm3/h；進口壓力為1.9MPa，出口壓力為3.2MPa；進口溫度為40℃，出口溫度為95℃。

2.1 壓縮機氣動方案

不同于石化上裝置上的氫氣重整增壓機，也不同于乙二醇裝置上的氫氣循環氣壓縮機，氫氣站壓縮機的氫氣含量為99.9%，分子量為2.03，可以說是真正的“純”氫壓縮機。按照常規設計，需要24級壓縮才能實現，即需要3個缸，每個缸8級。但這樣投資成本高，而且氫氣壓縮機必須為筒型結構，即3個缸均為筒型結構，筒型壓縮機檢修時，需要將內機殼水平抽出，那么肯定會有1個缸檢修困難，需要將整個壓縮機吊起，這樣行車投資和廠房投資都大大增加。因此，需要開發專屬模型級，實現雙缸壓縮。

依據氫氣的特點，開發馬赫數為0.3、流量系數為0.025的葉輪，優化葉片數量、葉片型線坐標及進出口角度等，以提高效率、提高能頭。同時，為進一步提高模型級的能頭系數，所有擴壓器均采用全高葉片式擴壓器，采用葉片式擴壓器，氣流在擴壓器中的行程大大增加，提高了擴壓度，機組能頭提高約4%。

全新模型級的開發，實現了純氫氣13kg的升壓，由18級葉輪壓縮來滿足，機組分為2個缸，每個缸9級葉輪，機型為BCL489+BCL489，均為雙支撐單軸伸筒型壓縮機結構，采用汽輪機雙出軸布局，即汽輪機進氣側為壓縮低壓缸、出氣側為壓縮機高壓缸，便于機組檢修。由于蒸汽的進氣溫度為600℃，此時汽輪機前軸頭的熱位移達到10.3mm，因此汽輪機采用雙出軸時，對汽輪機與低壓缸相連的聯軸器要求比較高。汽輪機與高壓缸相連的聯軸器采用膜片形式，與低壓缸相連的聯軸器采用磨盤形式，同時預留6mm的預拉伸量，以便保護聯軸器。18級連續壓縮時，氫氣的最終出口溫度為160℃，可以滿足工藝需求，也滿足干氣密封設計溫度，但由于機組能頭特別高，在氮氣開車時，機組出口溫度可能會達到350℃，這個溫度會對機組很多零件都產生破壞，因此需在2個缸中間設置冷卻器，以降低開車時的溫度，每個缸的出口溫度約180℃，滿足工藝及壓縮機需求。

2.2 葉輪整體加工工藝

葉輪的加工技術是保證壓縮機組的最終性能符合設計要求最為核心的技術，只有先進、適合的加工技術才能使葉輪的各項設計指標得到保障，包括氣動指標、力學性能指標等。該項目由于葉輪直徑相對較小，出口寬度小，因此傳統的葉輪加工方式并不適用，葉輪的葉片必須銑制。這是因為傳統的葉輪是通過三件焊接而成，高溫焊接產生變形，改變了葉輪的力學性能和氣動性能，且由于流道較窄，焊角會減小通流面積，從而影響葉輪的效率。在模型級開發時，同一模型級生產了2個葉輪用與試驗，1個用兩件焊接（常規焊接，不是釬焊，因為國內釬焊技術還不成熟）加工方式，另1個采用整體加工，也就是電火花+磨料流的加工方式。經過性能試驗，整體加工的葉輪其多變效率比兩件焊接高約2%，因此該項目所有葉輪都采用整體加工方式。整體加工不是整體銑制，由于葉輪直徑較小，且流道較窄，又是三元葉輪，扭曲大，整體銑制刀具進不去，因此采用電火花加工方式。電火花加工也是整體加工的一種，通過該加工方式，葉輪的輪蓋、輪盤、葉片一次成型，無任何焊點。常規葉輪的電火花加工周期需要3個月，該項目先通過五坐標盡可能地對葉輪進行粗加工，然后再上電火花加工設備進行電解加工，這樣可以節約葉輪的加工周期，縮短至2個月左右。

該項目產品葉輪的直徑為Φ480mm，一共有16個葉片，圓周均布。葉輪的通流部分，最寬處為25mm，最窄處僅為4.56mm，葉片高度最大為21.47mm，最小為9.16mm，整個葉片彎曲度非常大，流道狹窄、細長。由于葉輪大小及葉片結構形式的限制，對電解用電極要求非常高，要確保電機的設計能夠完成整個流道加工，同時盡可能地減少電極的運動分區，也就是減少電極個數。電極區域過多會增加電極的數量，延長設計及制造周期，同時電極之間的聯動設計也會非常困難，從而可能會影響葉輪流道的通流性。電極設計三維模型圖如圖1所示。

圖1 電極設計三維模型圖

電火花加工實物圖如圖2所示。電火花加工相當于一個電解腐蝕的過程，雖然表面光潔度不低于五坐標銑制的葉輪，但在其表面會有一個電解腐蝕層，而且也會存在一定的殘余腐蝕應力。機組長周期運轉時，由于線速度比較高，且葉輪一直受氣流沖擊，因此電解腐蝕層可能會發生裂紋并脫落，縮短葉輪的使用壽命，而且很可能會污染整個工藝流程。因此，不能直接使用電火花加工的葉輪，葉輪的表面還要進行一次處理，可采用人工拋光，也可采用磨料流處理。該項目為提高葉輪效率，對所有葉輪均采用磨料流處理。經過磨料流加工的葉輪，不僅強度好，可以充分去除表面腐蝕層，而且葉輪型線不受一點破壞，表面光潔度極高，對葉輪效率也有好的影響。

圖2 電火花加工實物圖

2.3 葉輪強度分析

由于介質為氫氣，分子量只有2，很難壓縮，因此該機組葉輪在最大連續轉速下葉輪的線速度達到了320m/s。對于氫氣壓縮機，還要考慮氫脆問題，葉輪材料的屈服強度按照《石油、化學和氣體工業用軸流、離心壓縮機及膨脹機-壓縮機》（API 617）標準要求，當氫氣含量大于90%時葉輪的屈服強度不能大于827MPa，因此葉輪強度計算幾乎是不可能通過的。葉輪強度分析采用ANSYS軟件，通過實體建模，增加約束，細分網格，如圖3所示。由于該項目的模型級在開發時，充分考慮了強度問題，針對模型級的力學性能，做了大量的優化設計，并且在試驗臺上做了破壞性試驗，模型級的力學性能非常好。因此，該項目葉輪在320m/s時，葉輪的最大應力在蓋盤處，應力值為810MPa，滿足使用規范要求。葉輪應力分析模型圖如圖4所示。

圖3 葉輪有限元模型圖

圖4 葉輪應力分析模型圖

2.4 機組安全設置

由于介質具有腐蝕性，為保證機組長周期運轉，所有供貨范圍內的與氣體接觸的部分，均采用不銹鋼材料。考慮氫脆的影響，在每個缸的出口均設置不銹鋼材質的安全閥、放空閥，按照全量考慮，在異常情況下，保護機組安全；且安全閥均帶閥組，保證安全閥可以一年一校正。該項目所有設備都嚴格執行《氫氣站設計規范》（GB 50177—2005）標準。

3 結束語

該氫氣站離心壓縮機的成功研制，為眾多氫氣使用行業提供了示范，積累了大量寶貴的設計及加工經驗，尤其是多晶硅市場，氫氣的純度直接影響多晶硅的純度，可以大幅度替代螺桿機或往復式壓縮機，對整個行業帶來革命性影響。