离心式空气压缩机的增产节能技术改造.pdf

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1、1 9 9 7正 大氮肥 D A D A N F E I 第 2 0 卷第 4 期 离心式空气压缩机的增产节能技术改造 。 一 邓忠贺 立 新李 麓 平王 培 兰 ( 化学工业部化工机槭研究院， 甘肃兰州 7 3 0 0 6 0 ) -晓 顶安赵伯林 舡帆槭厂 成都 、 j 一 摘要舟绍云南天然气化工厂离心式空气压缩机增产节脆技术改造的具体措施、 设计计算及加工制造。 经 工 窖 。目 琶 ， 积 孜遵， 和 关 t 调 离 心 式 压 缩 机 增 产 节 盹 技 术 改 造 三 元 叶 轮 软 密 封 阁 己 ， 以 J x j _二 ， V 。 J 云南天然气化工厂是 7 0 年代引进的美

2、荷型 年产 3 0 万t 合成氨和 4 8 万t 尿素装置， 为了提高 台成氨的产量和降低能耗， 决定对限制其生产能 力因素之一的离心式空气压缩机 1 0 1 3 进行增产 节能技术改造， 以消除瓶颈。 在确定了改造原则和 改造方案之后， 进行了三元叶轮设计等设计计算 工作， 井用五轴数控铣床加工三元叶轮， 以保证三 元扭曲叶片的加工精度。 经现场工业考核， 改造后 的压缩机完全满足了云南天然气化工厂增产 l 5 、 节能 5 的改造要求。 l 1 0 l J 改造前的特点 1 1 主要特性参数( 见表 1 ) 衰 I 1 0 1 J 改造前的主要特性t 注： 压缩机整机平均多变效事实潮值为

3、7 1 1 2 主要几何参数( 见表2 ) 1 3 特点 该压缩机总共 l 2 级， 分 2 缸 4 段， 2 缸皆为 水平剖分型， 其中低压缸 5 C K 5 7 分 2段 5级， 呈 二三分配， 高压缸 7 C K 3 1 分 2 段 7 级， 呈三四分 配 1 2 级叶轮采用顺排结构， 其中低压缸第一、 二 级叶轮为半开式三元叶轮， 其余均为一元闭式叶 轮； 叶轮设计主要采用传统的一元设计方法； 级进 口设置有固定的进 口导叶( 进口导流器) ； 级间密 封及轮盖密封采用迷宫密封； 轴端密封采用油膜 密封结构； 采用可倾瓦轴承， 强制给油润滑； 采用 汽轮机驱动， 齿轮增速器增速。 2

4、1 0 1 3 增产节麓技术改造的具体措括硬气动热 力设计计算 2 1 改造原则 根据计算和云南天然气化工厂的实际情况， 确定了以下改造原则： 保持压缩机气缸、 轴承、 轴 端密封、 油系统、 联轴节、 齿轮增速器、 驱动汽轮机 等不变 仅改造压缩机转子、 隔板、 气封等内件l 改 造前后的压缩机内件能成套互换 增产节能技术 改造后， 一方面要增加压缩机的质量流量， 使其能 满足增产合成氨 l 5 要求， 另一方面要提高压缩 机多变效率 5 。 2 2 改造设计条件( 见表 3 ) 2 3 方案计算 根据 1 0 1 J 增产节能技术改造的设计条件， 采 用离心式压缩机方案计算程序0 进行计算

5、， 经过 反复筛选， 最后确定了以下改造方案； 调整各段的压缩比分配， 以调整各段的傲 功能力。 将高压缸第 3 段由3 级增加到 4 级， 井调 整了各段叶轮直径。将压缩机第 l ， 2 ， 3 ， 4 段叶轮 直径 由 8 3 8 2 ， 8 2 5 5 ， 4 5 2 4 ， 4 0 0 ra m分别改为 收稿日期： 1 9 9 7 D 7 一D 3 维普资讯 http:/ 2 5 4 大氮肥 1 9 9 7年第 2 O卷 衰 0 I O l J 改萱设计条件 将原低压缸第 1 段的两级半开式叶轮改为 闭式叶轮， 以消除半开式叶轮叶片间的潜流损失， 并降低叶片与隔板问的泄漏损失。 对高低

6、压缸 l 3 级叶轮全部采用三元流动 理论及其计算方法进行优化设计， 以最大限度地 提高三元叶轮的多变效率和通流能力。 采用新型的小问隙软密封技术， 理论上达 到零泄漏。 采用光滑的气流通道设计， 即扩压器、 弯 道、 回流器等隔板组件均采用钢板焊接结构， 降低 流道表面的粗糙度， 以降低流道的摩擦阻力损失。 加宽了气流通道， 即增加了叶轮、 无叶扩压 器、 弯道、 回流器等的流道宽度。 对压绾机进行优化设计， 合理匹配级与级 之间的气动、 热力、 几何等参数。 改造能在现场完成， 壳体无需做任何改动， 只需将增产节能型内件更换上去即可。并且新旧 内件可以互换， 必要时原内件可以回装上去。 2

7、 4 逐级计算 在方案计算基础上， 采用离心式压缩机逐级 计算程序0 逐级地确定压缩机各级的所有几何 参数。这样， 通过方案计算和逐级计算， 确定了 l O 1 J 改造后的流道几何参数( 见表 4 ) 。 维普资讯 http:/ 第 4 期 陈宗华等 离心式空气压缩机的增产节债技术改造 2 5 5 顿 别 叶轮叶片出口叶片角 ( ) 叶轮外径 n l m 叶轮叶片出口宽度 m m 叶轮叶片进口直径 m m 叶轮叶片进口宽度 t u n 叶轮进出口叶片敷 片 叶轮进 口外径 r m 叶轮进 口内径 m m 叶轮叶片怯向厚度 m m 无叶扩压器出口直径 ra m 无叶扩压器宽度 r m 进口顼旋

8、角 ( ) l 2 3 6 0 51 5 1 8 2 5 5 8 2 5 5 6 92 2 5 8 3 4 5 5 9 6 7 2 3 1 0 6 38 3 2 1 2 6 55 U 4 9 8 2 1 6 1 6 1 6 1 6 1 S l 6 5 3 9 5 4 8 5 7 8 3 9 B 2 9 4 3 0 5 6 2 74 6 8 0 8 0 7 5 1 4 0 1 4 5 1 1 26 6 6 6 3 7 9 3 5 0 0 5 6 7 8 9 lO l1 1 2 1 3 5 1 60 5 1 5 1 5 1 51 蚰4 8 5 6 9 2 2 4 1 2 7 5 4 1 2 7 5

9、 41 2 6 1 2 6 1 2 7 5 1 2 7 5 1 2 7 5 1 2 75 3 2 1 5 3 0 5 6 3 0 5 6 26 5 9 2 3 81 1 3 4 9 l 3 1 11 9 1 9 92 3 4 5 21 5 9 2 3l _ 8 22 8 7 20 9 6 2 0 0 2 0 1 6 20 0 2 0 1 6 6 6 2 6 6 0 6 6 5 4 2 6 4 8 5 7 4 3 ，2 3 6 3 3l ， 3 3 3l ， 7 5 2 7 ， 8 2 1 6 1 6 1 6 1 6 1 6 1 6 1 6 1 6 1 6 1 6 1 6 1 6 l S 1 5

10、 1 S 1 5 1 6 1 5 3 7 7 8 3 2 6 1 1 4 2 6 5 11 2 5 5 5 9 2 3 5 7 2 1 2 7 3 2 2 1 6 4 2 1 7 5 2 1 2 7 3 2 7 ,1 6 1 5 4 1 7 仉 3 1 7 0 3 1 70 3 1 0 3 1 7 0 3 1 7 0 3 1 70 3 5 6 4 4 5 5 5 1 1 2 51 7 2 1 5 7 5 0 5 7 5 6 5 7 9 2 7 5 77 5 7 5 6 61 2 5 6 2 4 2 2 2 , 1 2 0 20 6 5 1 8 25 10 1 1 0 3 2 9 5 3 7 9

11、 0 0 i 2 5 气动热力核算和性能预测 根据压缩机的几何结构、 主要几何参数和进 出 口条件等， 采用离心式压缩机性能预浏程 衰 5 l O I J 序 ， 可以计算压缩机各级特征截面上的气动热 力参数和压缩机的性能特性， 以及时了解压缩机 的性能是否达到设计要求 ， 核算结果见表 5 。 力桩算结果 缸 别 低压缸( 5 1 5 7 ) 高压缸( 8 C K 3 1 ) 显然， 由气动热力核算和性能预测结果可知， 增产节能技术改造后的压缩机完全可以满足云南 天然气化工厂的改造要求 而且该机效率高， 并留 有设计余量。 O 懿 酆 一 龇 肼 一 ， 维普资讯 http:/ 丈氯肥 1

12、9 9 7年第 2 0 卷 2 6 三元叶轮设计 采用三元叶轮设计技术， 是离心式压缩机增 产节能技术改造中的主要措施之一。三元叶轮的 设计采用了国际上先进的三元流动理论及其设计 计算方法， 使设计的三元扭曲叶片的叶面速度分 布或压力分布最佳， 从而将叶轮中的流动损失减 小到最低程度。 具体设计时， 采用离心式压缩机三元叶轮设 计计算程序 2 1 进行设计， 程序框图见图 1 。程序 中采用能量方程、 热力学方程、 动力学方程、 连续 方程和气体状态方程等联立求解， 最后采用流线 曲率法( 速度法) 求出叶片的型面座标及速度分 布。设计过程中， 通过合理选择叶片数、 叶片出口 边角座标( 叶片

13、出口的扭角) 、 叶轮的盘盖形状、 叶 片负荷的分布等设计自由度， 达到同时控制气流 在s 流面( 跨叶片方向) 和 s 2 流面( 跨盘盖方向) 的速度分布。 通过分析 S 流面和s 2 流面( 或叶片 表面) 的速度分布是否最佳， 以便最后确定叶轮的 盘盖型线和叶片的型面座标， 从而达到最大限度 地提高叶轮工作效率的设计 目的。 改造设计由于采用了三元流动理论， 叶轮效 率较高。在 1 3 级叶轮中， 最高叶轮效率为 9 4 ， 衰 最低叶轮效率为 9 2 图 1 离心式压缩机三元叶轮设计计算程序框图 3 加工制造 主轴和叶轮材料： 高低压缸转子的主轴材料 采用 3 4 C r N i 3

14、 M o ， 叶轮材料采用 0 C r l 7 N i 4 C u 4 N b ( 1 7 4 P H) ， 其机械性能见表 6 。 软密封材料： 采用对羟基苯甲酸聚脂( 简称聚 苯脂) 填充云母片、 石棉、 石墨和四氟等模压烧结 而成， 可在 3 0 0 长期使用， 其线膨胀系数约 2 0 1 0 ， 硬度约 H B 5 0 6 0 。 三元叶轮加工： 采用五轴数控铣床将三元叶 片铣在轮盖上， 然后同轮盘相焊接。 叶轮焊接后进 行固溶、 沉淀硬化处理工艺， 以使焊缝机械性能与 本体相同。 叶轮超速试验和转子动平衡试验： 低压缸叶 轮超速试验转速为 7 9 3 5 r ra i n ， 高压缸

15、叶轮超速 试验转速为 1 2 8 8 0 r ra i n ， 时间均不少于2 ra i n 。 高低压缸转子均采用分级组装动平衡试验， 其动平衡精度等级为： 低压缸转子达 S O G O 4 级， 高压缸转子达I S OG O 4 级。 最后， 对转子进行 高速动平衡； 低压缸转子高速动平衡转速 6 8 0 0 r ra i n ， 振值一端为 0 5 5 ra m s ， 另一端为 0 d 盯 n s 高压缸转子高速动平衡转速 1 1 0 0 0 r ra i n ， 振值一 端为 0 3 m m s ， 另一端为 1 0 m m s 。 4 工业考接 压缩机增产节能技术改造的设计工作于

16、1 9 9 4 年6 月开始， 同年 l 0 月设计完成 改造后整 个机组的联动试车于 1 9 9 5年 5 月 2 4日一次试车 成功。单机性能考核则在 1 9 9 6 年 6 月 6日和 l 0 日进行了2 次考核。 按照A P I 6 1 7 、 A S ME P T C 1 0 、 J B 3 1 6 5 8 2等标准， 压缩机的径向振动、 轴位移、 轴承温度等机械性能均在规定的范围内， 其气动 热力性能考核数据见表 7 。改造后的空压机其机 械性能良好， 其气动热力性能也非常好， 完全达到 了增产 l 5 、 节能 5 的改造 目标。 按照日产合成 氨 1 1 7 5 t的 生 产记

17、 录， 该 机 实 际 上 可增 产 1 7 5 。同时， 该机的多变效率提高了6 9 8 。 维普资讯 http:/ 第4 期 陈宗华等 离心式空气压缩机的增产节能技术改造 衰7 l O 1 J 改造后的簟机考掖敷据 缸 别 低压缸( 5 C K 5 7 ) 高压缸( 8 ( K 3 1 ) 段 别 进口压力 M P a ( G) 进口温度 出口压力 M P a ( G) 出口温度 质量流量 k s h 多变效率 轴功率 k w 转 速 r m i n 一 1 2 3 4 0 0 0 3 8 0 1 2 5 0 4 1 5 1 2 1 2 4 3 2 3 1 3 5 m 1 3 5 0 4

18、2 1 2 5 3 3 1 3 2 1 4 2 1 5 5 1 7 3 6 0 2 4 2 1 5 9 3 4 3 0 58 3 8 7 6 5 73 1 9 9 8 1 3 3 7 6 7 1 8 1 6 7 7 2 1 9 1 90 2 8 2 1 8 96 2 7 2 0 5 8 86 2 2 5 8 5 8 6 7 8 4 67 8 4 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 注 压缩机整机平均多变散事实 值为 7 7 9 8 ， 总轴功率 8 4 4 4 4 k W F E l 产合成氨 1 1 7 5 t 。 5 结论 - 离心式压缩机可以通过改造转子、 隔板、 气封等内件( 而机

19、壳、 轴承、 联轴节、 增速器、 驱动 机等不变) 来实现其增产节能改造。一般。 采用此 方案可增产 1 0 2 0 、 节能 3 1 0 左右。 b 改造后的转子和静止元件， 采用三元流动 理论和优化设计方法， 可明显提高压缩机的工作 效率， 降低能耗， 井扩大压缩机的稳定工况范围。 c 改造后的压缩机各级几何尺寸和性能参 数在原机基础上进行适当调整， 忧化匹配以改善 气流的流动， 采用小间隙软密封技术和光滑气流 通道技术， 达到提高效率和输气量的目的。 d 云南天然气化工厂离心式空气压缩机 1 0 1 J 增产节能技术改造采用了一系列先进技术， 如三元叶轮、 小间隙软密封、 光滑气流通道、

20、 优化 设计等先进技术， 整机多变效率高达 7 7 9 8 ， 比 改造前效率实际提高了 6 9 8 ， 其技术水平达到 了 9 0 年代初先进水平。 e 采用新型增产节能转子技术进行离心式 压缩机增产节能技术改造， 既增产又节能， 投资 少， 见效快。 建议国内离心式压缩机用户广泛采用 这一成熟的国产技术。 参考文献 1 化学工业部化工机械研究院 引遗大型化肥装置美、 日型离 心压缩机资料汇编， 1 9 8 2 2 陈宗华 离心式压缩机计算机辅助设计系统 化学工业部化 工机械研究院一 1 9 9 4 3 陈宗华 离心式压壤机方案廿算程序 化学工业部化工机械 研究院， 1 9 9 0 4 陈宗

21、华 离心式压缩机莲踱计算程序 化学工业部化工机械 研究院， 1 9 9 1 5 陈宗华 离心式压缩机性毙璜 程序 化学工业部化工机械 研究院， 1 9 9 1 6 陈宗华 离心式压缩机三元叶轮设计计算程序 化学工业部 化工机械研究院， 1 9 9 0 T ECHNI CAL I M PROVEMENTS OF CENTRI FUGAL AI R COMPRES S OR T0 l NCREAS E P R0DUCr n0N AND SAVE ENERGY C h e n Z o t u a ， D e n g Z h o n g ， H e L l x l n ， L I J la n p i

22、 n g a n d Wa n g P e t l a n ( 脓蝴R e s e m c k肺龇o y如 Mb u a t o y 删l a d a y， I n ， 7 3 0 0 6 0 ) z e I I gXlao f e e ， D e n gD咖a n d Z h a oB o l i n ( 曲蜩H C h e ma 4 Ma c k s e 豫l I 曲r ， C g d u t 6 1 0 3 0 2 ) Ab s t r a c t Th e c o n c r e t e me a s u r e s， d e s i g n c a l c u l a tio n s

23、 a n d ma n u f a c t ur i n g o f t h e t e c h n i c a l i r a p r o v e me n t s o f c e n t r i f u g 1 a i r c o mp r e s s o r t o i nc r e a s e p r o d u c t i o n a n d s a v e e n e r g y i n Yu r ma n Na t u r a l Ga s C h e mi c a l Pl a to we r e p r e s e n t e d C he c k e d a f t e r

24、 t h e i mp r o v e me n t s ， t h e c o mp r e s s o r a c t u a l l y i n c r e a s e d p r o d u c t i o n b y 1 7 5 a n d s a v e d e n e r g y b y 6 9 8 ， t h i s c o mp l e t e l y me t t h e u s e r 9 d e ma r l d s Ke y wo r , s ： c e n t r i f ug 1 c o mp r e s s o r ， i n c r e a s e p r o d u c t i o n， s a v e e n e r g y， t e c h n i c a l i mp r o v e me n t t t h t e e d i me nsi n a l i mp e H e r s o f t s e a l 维普资讯 http:/