淺析英格索蘭META-1512 型軸流壓縮機改造

李睿翾，唐樂

（中國石油天然氣股份有限公司大連石化分公司，遼寧 大連 116031）

二催化裝置于1988 年12 月21 日投用生產至今，引進美國英格索蘭公司整套主風機組，機組形式煙機-軸流主風機-汽輪機-電動發電機，主風機作用為反再系統提供流化及燒焦用風。風機型號：META-1512，為12 級軸流式壓縮機，其中5 級可調靜葉。設計入口2000Nm3/min，額定功率7361kW。該機組投用至今使用30 年，葉片磨損減薄嚴重，風機效率及安全性能嚴重下降，尤其是夏季風量過低，催化裝置被迫降量生產。因此，二催化裝置亟需更換性能更高、安全性更為可靠主風機來滿足裝置正常生產及長周期運行的要求。

英格索蘭軸流壓縮機，與國產風機設計理念和結構相差較大，若將主風機整體國產化，無法保證整套四機組的穩定性。如果購買原廠配件改造費用在1400 萬，且英格索蘭風機葉片表面需要噴涂并在美國進行，加工進度無法保證。由于二催化主風機庫存有一臺同系列大尺寸軸流壓縮機，設計風量為2300Nm3/min，該軸流壓縮機在裝置建成初期1988 年首次運行時風量過大無法滿足工藝要求，存放于庫中近30 年。因此，本次改造的重點就是對庫存大尺寸軸流壓縮機進行解體測繪與國內軸流風機制造工藝進行對比，分析壓縮機配件全部或局部國產化的可行性，并對庫存轉子及定子進行改造。

1 軸流壓縮機定子改造

1.1 定子的結構特點

（1）英格索蘭軸流風機特點是結構單薄，靜葉可調部分裝在殼體外，這樣的結構即使在運行情況下，可調靜葉機構也可隨時進行檢查維修，而不需要將上缸吊開。（2）入口聯箱采用矩型結構，這樣能夠使用尺寸較大的低壓方形管道。支撐腳在蝸殼兩邊使整個殼體組件支撐在中心線上，在熱膨脹及收縮時入口蝸殼可自由的軸向位移，而垂直方向則由螺栓所限制，橫向方向由導向鍵所限制。出口蝸殼終止在出口連接處，由于導向鍵的限制，出口蝸殼不會由于熱膨脹及收縮而橫向移動。（3）靜葉有兩種型式—可調靜葉及固定靜葉。第一套葉片是可調入口導葉，它給進來的空氣以預先的流向，下面四套葉片同樣為可調靜葉。所有可調靜葉及入口導葉通過調節機構連續可調，調節角度為-30°～8°。為了便于安裝，把圍帶分成8 瓣，5 ～12 級靜葉是固定的，第12 級靜葉后部是出口導葉；這些導葉消除殘余的渦流速度，使氣流形成軸向排放。

1.2 定子運行現狀

二催化軸流機的定子組件主要包括三部分：入口段、靜葉承缸（可調靜葉、靜葉、靜葉持環、執行機構等）、出口段。

1.3 定子改造方案

軸流機定子改造設想兩種方案：

（1）方案一，利舊轉子，把中間定子組件全部由陜鼓按原尺寸測繪制造的，并更換陜鼓的靜葉執行機構。（2）方案二，保留出入口方箱，把轉子和定子全部換成陜鼓制造，保證中心高，軸頭間距，保證現場的安裝尺寸。

1.3.1 靜葉結構不同

陜鼓軸流壓縮機靜葉與英格索蘭的不同，沒有這種葉頂圍帶結構，這種結構復雜、尺寸單薄，陜鼓無法進行測繪加工。靜葉承缸對比見圖1。

圖1 英格索蘭（左）和陜鼓（右）靜葉承缸對比

1.3.2 靜葉調節機構設計方式不同

英格索蘭軸流壓縮機可調靜葉是圓周調節，而陜鼓壓縮機的是軸向調節。英格索蘭軸流壓縮機軸向空間不夠，無法換成陜鼓調節缸及其調節驅動液壓油缸。在保留出入口方箱情況下，就算轉子和定子全部更換成陜鼓設計，軸向距離也無法滿足可調靜葉調節缸的安裝。如果是整機按照國產設計更換，AV 系列風機尺寸剛度明顯要大于META-1512，中心高和軸頭距離都無法保證，由此可見，英格索蘭靜葉承缸國內并不具備制造條件。調節機構區別見圖2。

圖2 調節機構區別

2 軸流壓縮機轉子改造

2.1 英格索蘭轉子結構的特點

2.1.1 葉片結構形式不同

陜鼓AV 系列軸流風機轉子為等內徑結構，便于加工，轉子整體結構剛度強。動葉片采用的是美國NACA 的原始葉型的基礎上，做了少量的修改，葉片表面沒有涂層而是經過拋光噴砂處理，提高抗疲勞強度，動葉沿圓周方向安裝，葉根形式為縱樹型，隔葉塊定位，每級最后安裝的兩個動葉片之間用鎖緊隔葉塊定位鎖緊，有時候也會采用填隙片將葉片鎖緊。

英格索軸流風機各轉盤的直徑相同，動葉采用美國NASA 葉型，葉片表面噴涂耐磨、防銹涂層，葉根形式為燕尾型，可以單個更換并有柔性裝配的特點。

2.1.2 英格索蘭軸流風機葉片特殊結構

催化裂化裝置的主風機的流量是經常變化的，可調靜葉需要頻繁調節，因此，軸流風機前五級動葉的負荷隨著可調靜葉角度的變化時刻在變化，前五級動葉長期處于交變載荷作用下易磨損，甚至斷裂，而斷裂的原因往往是由于振動，尤其是共振引起的葉片的疲勞斷裂。由于軸流壓縮機第一級動葉片的工作環境最惡劣，因此，為了減小動葉片振動，需要對風機動葉片進行調頻，使葉片運行頻率遠離共振頻率。同時，META-1512 采用葉片松裝的形式減小轉子的振動。

（1）葉片調頻。葉片在靜止狀態下振動的自振頻率稱為葉片的靜頻率。常用等截面自由葉片切向振動的靜頻率的計算公式為：

式中，E 為葉片材料的彈性模數；ρ 為葉片材料密度；L 為葉片工作部分的長度；A 為葉片的橫截面積；I為葉片橫截面的慣性矩；kl 為葉片頻率方程的根。

①由上式看出葉片的自振頻率f 與葉片的質量m 成反比。因此，軸流風機一級和三級采取了葉片頂部鉆孔減小葉片質量的方式來提高葉片的自振頻率。

②葉片的自振頻率與葉片高度L2成反比，葉片越短，自振頻率越高。在檢查再用轉子時，發現第5 級動葉葉頂間隙時達到了2.5mm，遠遠超出設計最大值1.22mm，其他級無此現象。這就是因為調頻原因才將第五級葉片變短，最終決定按照原尺寸進行加工。

（2）葉片松裝結構。風機葉片為軸向插裝的燕尾型葉根，葉片并采用了松裝的方式,葉片在氣流力擾動下葉根和承輪緣載接觸面間產生相對滑動和摩擦,消耗葉片振動的能量,有效地減小和降低了葉片振動,提高了葉片的安全可靠性。葉片結構及安裝形式見圖3。

圖3 軸向插裝的燕尾型葉根及葉頂開孔

2.2 轉子現狀

（1）主風機葉片減薄嚴重，部分葉頂存在凹痕，葉片的磨損會使得風機全壓下降，效率顯著降低，同時，葉片的強度也無法保證，因此需要更換全部葉片或整套轉子。（2）動葉及靜葉結垢較為嚴重，遇到陰雨天氣，風機的效率下降極為明顯。

2.3 改造方案

軸流機轉子改造設想兩種方案。

（1）方案一：利舊庫存轉子，對葉片高度按照在用轉子葉片長度和高度切割，根據再用風機葉頂間隙標準及往年葉頂間隙的實測值確定備用轉子葉頂間隙，并盡量減小葉頂間隙，以保證風機效率。（2）方案二：要由陜鼓測繪制，按照陜鼓轉子形式造新轉子。

陜鼓轉子和在用定子存在干涉。

因為陜鼓轉子動葉葉根槽與英格索蘭的不同，造成最后一級動葉葉根處，轉子與機殼之間干涉，導致轉子無法國產化。因此只能執行方案一，對庫存舊轉子葉片進行切削。干涉情況見圖4。

圖4 轉子和定子之間干涉

2.4 轉子改造

由于陜鼓的轉子結構設計及加工工藝與英格索蘭的區別較大，為保證轉子更換的可靠性并減少投資成本，最佳方案就是對庫存舊轉子進行性能改造，因此，需要對備用轉子及動葉片進行拆檢、切割動葉葉頂，在保證裝配尺寸的前提下，減小葉頂間隙，提高風機效率。

（1）動葉片進行測繪。再用轉子與備用舊轉子經測量，各軸向距離、動葉片弦長均相同，動葉高度、動葉葉長不同。因兩個轉子動葉葉身均有不同程度磨損，無法對葉型準確比對，綜合考慮，決定將庫存舊轉子葉片按照方案一進行切削。

（2）對主軸進行跳動、瓢偏測量,電不圓度檢測，檢查主軸不存在彎曲。

（3）動葉拆卸、探傷、切割、組裝。備用轉子動葉表層為涂層而并非硬膜防銹油，攜帶涂層的動葉片無法進行著色、磁粉這種常規的表面探傷，考慮到該涂層較為完好，若對涂層進行清理可能會損傷葉片。同時，射線探傷但對厚度小于8mm 葉片，進行超聲波檢測檢驗則存在困難。因此，決定對所有葉片進行拆卸進行X 射線探傷，探傷完成后，按照在用葉片尺寸進行切割。

（4）動葉測頻。由于轉子采用了松裝葉片的結構，故無法測量葉片動頻率。如需測量，則必須拆除動葉固定裝卡后方可測量。但是該轉子表面有涂層，測量葉片頻率只能作為參考。綜合考慮，舊轉子運行30 年無斷葉片和裂紋情況，且該涂層較為完好，因此最終決定取消轉子測頻的工作。

（5）轉子葉頂車削。葉頂車削需先進行粗車削，然后再進行多次精車，每次車削完成后，復測葉頂間隙。但是因為葉片為松裝形式，車削葉片的時候葉片需要用楔子固定。

（6）轉子高速動平衡。軸流壓縮機屬于撓性轉子，需要進行高速動平衡(6329r/min)，轉子高速動平衡在真空環境下進行。轉子振動評價標準依據《GB/T 6557-2009 撓性轉子機械平衡的方法和準則》，其中動平衡試驗設備要求滿足JB/T 13220-2017。

3 軸流風機運行情況

3.1 軸流壓縮機性能和效率提高

主風機2020 年8 月1 日投用正常，試機工況下，風機出口壓力能夠達到0.28MPa（設計0.3MPa），出口風量能保持1800Nm3/min。較上周期開工初期的最高出口壓力0.235MPa，出口風量1800m3/min 的能力有所提高，效率有所提高。

3.2 軸流壓縮機流量平穩

機組在夏季（30℃），機組靜葉開度維持在55%～65%之間出口流量能滿足夠工藝要求的1700Nm3/min，入口流量能夠保持在2000Nm3/min，達到了風機改造的要求，且靜葉調節還有余量，連續運行近一年后，機組出口風量滿足要求，效率無明顯下降。

3.3 經濟效益提升明顯

（1）英格索蘭主風機改造方案費用1400 萬，最終國內改造費用150 萬，大大節約成本。（2）四機組正式投產后，因主風機效率提高，四機組電動發電機由用電500kW 狀態轉為發電狀態，最高發電功率高達3000kW，大幅度降低能耗，每天節約電費6 萬元。（3）處理量提高，優化了產品分布，實現了裝置滿負荷、高質量生產。2021 年較2019 年將增效1.5 億元，取得了較好的改造效果。

4 結語

通過本次風主機改造，我們認識到英格索蘭META 系列軸流風機和國內陜鼓AV 系列風機在結構上有著明顯的差異，通過對靜葉的拆按、清理、無損檢測、更換石墨軸承確保了靜葉的可靠性。對庫存大尺寸轉子解體測繪、檢查，車削動葉片葉頂的方式，在保證裝配尺寸前提下適當減小葉頂間隙來提高風機效率，不但消除了原動葉片因磨損減薄帶來的安全可靠性下降的隱患，更重要的是解決了風機流量不足的問題，為催化裂化裝置創造了良好的經濟效益，也為軸流壓縮機改造及國產化積累了經驗。