貼片法在透平膨脹機檢修安裝中的應用

劉永龍,王仲楊,張志男

(白銀有色集團股份有限公司 銅業公司,甘肅 白銀 730900)

0 引言

白銀有色集團股份有限公司銅業公司(以下簡稱“白銀銅業”)經過數次技術改造,發展成為陰極銅180 kt/a,硫酸550 kt/a 的大型銅冶煉企業。白銀銅業20 000 Nm3/h 制氧系統通過自潔式過濾器將原料氣體吸入,并將機械雜質、塵埃等過濾后,進入透平空壓機進行多級壓縮。預冷系統的空冷塔將壓縮后的氣體進行預冷,預冷后的氣體進入純化系統去除氣體中的二氧化碳及水分,純化后的氣體再經過透平膨脹機、主換熱器及精餾塔得到產品氧氣。供氧系統提供白銀爐、轉爐、卡爾多爐用氧。20 000 Nm3/h 制氧系統擁有1#、2#兩臺透平膨脹機,其在整個制氧空分設備中起著關鍵作用,空分塔內的冷量絕大部分由膨脹機提供,膨脹機主要起著制冷作用。

1 透平膨脹機的結構及原理

透平膨脹機由主體、膨脹端、制動器(增壓端)、潤滑系統、氣封系統、保護系統組成。白銀銅業采用的是離心式-軸流單級反動膨脹機,其結構簡單、焓降大、轉速高、效率高等特點,其結構如圖1 所示。透平膨脹機的工藝流程為:純化后的一部分空氣進入增壓端壓縮后,再進入主板式換熱器并與反流氣體換熱降溫至-120 ℃左右進入膨脹端;冷卻后的氣體在膨脹端經過等熵膨脹的過程對外做功,焓值下降,從而使溫度與壓力進一步降低,氣體溫度接近液化溫度后直接進入分餾塔下塔;膨脹端主要是氣體膨脹將熱能轉化成機械能的過程,而增壓端是利用膨脹端所產生的機械能對氣體進行壓縮。此過程可視為絕熱可逆過程,效率遠大于節流膨脹。

圖1 透平膨脹機結構圖

具體工作原理為,透平膨脹機膨脹端將來自上游的高壓氣體膨脹為低溫、低壓氣體,連續不斷將熱能轉化為機械能。高速氣流使葉輪旋轉,再通過由軸承支撐的轉軸將機械能傳遞給增壓端制動消耗。工作介質在透平膨脹機的通流部分中膨脹獲得動能,并由工作輪輸出外功,從而降低了膨脹端出口工作介質的內能和溫度,如圖2 所示。工作介質先經增壓端增壓,再冷卻后進入主換熱器,然后在膨脹端絕熱等熵膨脹產生空分裝置所需的冷量,與此同時產生的機械功又為增壓端所利用。當氣體具有一定的壓力和溫度時,具有由壓力而體現的勢能和由溫度所體現的動能,這兩種能量總稱為熱能。膨脹機將氣體在膨脹端內進行絕熱等熵膨脹對外做功消耗氣體本身的內能,使氣體的壓力和溫度大幅度降低達到制冷與降溫目的。

圖2 透平膨脹機工作原理圖

2 透平膨脹機主要技術參數

白銀銅業制氧系統于2011 年建成投產,使用的透平膨脹機主要技術參數如下:

型號 PLPK-313/7.28 ×0.38

流量 312 m3/min

進口壓力 0.891 MPa

出口壓力 0.138 MPa

進口溫度 -113 ℃

轉速 18 700 r/min

經增壓機增壓后的空氣在主換熱器內被反流氣體冷卻至-120 ℃左右,進入膨脹機絕熱膨脹降溫,產生空分裝置所需的冷量,與此同時產生的機械功用來驅動增壓機。

3 透平膨脹機檢修故障分析

20 000 Nm3/h 制氧系統透平膨脹機經過長期運行,近期出現膨脹效率偏低的情況,該膨脹機設計轉速為18 700 r/min,實際運行最大轉速只能達到約16 000 r/min,膨脹效率僅為75%～80%之間,該問題一直制約著制氧系統整體運行的工作效率,所以如何提高膨脹機運行效率和轉速顯得非常重要,經過對膨脹機檢查分析及加強實際操作,均不能有效提高運行效率,膨脹機在后期運行時出現震動及聲音異常的情況,所以決定對膨脹機進行解體檢查。解體后拆下轉子發現,膨脹輪及膨脹端蝸殼內T 型密封均磨損嚴重,而且膨脹輪外沿出現缺口,葉輪及轉子已無法繼續使用。通過分析認為,造成該故障的主要原因為葉輪與T 型密封之間的安裝尺寸過小,在運行中葉輪與密封一直處于刮蹭狀態,隨著設備的使用周期增長,各處磨損的加劇,最終導致葉輪被拉傷。制約膨脹機工作效率的主要原因為轉子安裝間隙不合理導致。那么,對于此類高轉速、高精密的設備葉輪與T 型密封的配合安裝間隙就非常重要,葉輪與T 型密封的安裝間隙必須控制在0.10～0.15 mm 之間,才能使膨脹機的效率達到最理想的狀態。安裝間隙不能過大也不能過小,太小容易損傷T 型密封導致漏氣,或者損壞葉輪,造成動平衡失效,使機體震動過大;如果葉輪與軸封安裝間隙過大,轉速無法達到設定轉速,而且運行時一部分高溫氣體會直接從此間隙處流走,直接與經過膨脹的低溫氣體混合,發生氣體碰撞,進一步影響并制約膨脹效果,大幅影響膨脹機的膨脹效率。

4 透平膨脹機故障問題

(1)在以往的檢修安裝時一直采用壓鉛絲測機殼間隙的方法,是在轉子與膨脹機機殼的接觸面用壓鉛絲的方法來測量安裝間隙,但用該方法測量結果存在一定的不準確性,因為通過該方法測得數據為間接數據,不能夠直接反應密封與葉輪的實際間隙,存在過大的誤差,對于該類安裝精度較高的設備通過該方法,只能反應出葉輪與T 型密封的安裝是否有間隙、葉輪與密封是否出現安裝的刮蹭,而不能夠反應出間隙的實際尺寸。

(2)檢修20 000 Nm3/h 制氧系統1#膨脹機時,在安裝膨脹機新的轉子時發現,將轉子外殼螺絲緊固后,與T 型密封擠住,沒有轉動間隙,拆除后經過對備件的仔細檢查后發現膨脹端葉輪無法安裝到軸根底部,存在安裝縫隙,無法與軸肩貼合,用塞尺測量發現有間隙為0.65 mm,拆下后與原葉輪對比,發現原葉輪的軸孔安裝位置倒角為0.75 mm,而新葉輪的軸孔倒角為0.25 mm。而且由于新軸的葉輪安裝軸肩處存在圓弧角,使新葉輪無法安裝到底,導致葉輪安裝位置靠前。這樣,新葉輪的安裝尺寸比舊葉輪的安裝尺寸大了0.65 mm。

(3)在檢修時對軸進行尺寸核準后發現該軸的膨脹端安裝尺寸,也就是軸肩到軸頭的距離比圖紙大了0.50 mm,使安裝帶來較大困難。由于葉輪與軸的尺寸偏差導致新的一套轉子的安裝尺寸比原轉子大了0.65 +0.50=1.15 mm,直接導致在實際安裝時安裝尺寸偏差過大,無法正常安裝,葉輪與T型密封會直接接觸。

5 透平膨脹機間隙控制改進方案

通常采用的機殼壓鉛絲測量間隙方法,在實際操作中轉子與機殼接觸面安裝之間是通O 型圈密封,由于橡膠具有回彈性,彈性量隨著螺栓的壓縮緊固增大,導致測量的不確定性,這嚴重制約著檢修的質量與進度。實際工作中,采用該方法不能有效地解決間隙控制的難題。

為了短時間內完成轉子及葉輪的安裝問題,如何找出安裝尺寸間隙,并使安裝間隙符合設計要求。為了保證葉輪與T 型密封有合適的間隙,針對該問題經研究決定在轉子與機殼壓蓋密封圈前面加裝墊片(正常情況下此處不必加裝墊片,直接安裝即可),但是制作安裝墊片的厚度困擾著檢修正常進行,因為轉子與密封的間隙在機殼里,無法觀測,只能經過安裝嘗試后糾正,通過盤車發現轉子與T 型密封均不接觸,但其間隙尺寸又無法測量。

經過反復探討最終決定采用“貼片壓裝法”,取用厚度0.25 mm 的貼片,剛好在可以測得0.15 mm 的間隙的范圍內,于是用貼片剪成小片均勻貼至T 型密封上壓間隙試裝,試裝后測得貼片厚度為0.23 mm,所以轉子與機殼之間的墊片只需去掉0.10 mm 即可,通過用白色布膠帶貼片找間隙的方法,快速又直觀地測得了間隙,不僅加快了檢修進度,也確保了檢修質量,測得此處間隙為0.14 mm,符合設計要求,僅試裝三次可以直觀明了的解決控制間隙的問題。

6 改進后效果

透平膨脹機運行效果良好,而且膨脹機的轉速能夠達到設計轉速,膨脹效率由原本的80%上升至95%,從而降低制氧系統主要的耗能設備空壓機電流,經測算每天可節省電量約0.2 萬kW·h。

7 結語

膨脹機作為制氧系統的關鍵設備,工作效率的高低直接影響著制氧系統的生產,所以檢修質量尤為重要。采用該“貼片壓裝法”簡便又直觀地反映出葉輪間隙,確保了檢修質量,又極大提高了檢修進度。并且該方法也可推廣運用到其他類似精密設備或大型風機的葉輪與蝸殼內部設備的間隙測量控制中,也可以運用到其他密閉空間的間隙控制,找正安裝中,不但能夠保證設備的檢修質量,有效提高設備運行效率,而且還可以提高檢修安裝工作效率,延長設備使用周期,降低檢修費用。