| 单词 | 大化肥透平压缩机组的发展趋势 |
| 释义 | 【大化肥透平压缩机组的发展趋势】 中国从20世纪70年代开始引进大化肥装置。大化肥透平压缩机组的特点是：(1)输送的工艺气体多样化，多数气体易燃、易爆、剧毒。(2)运行参数宽广，一般出口压力0．5～32．0MPa，输气量为20～400t／h，工作转速为5000～15000r／min，驱动功率为3000～30000kW。(3)由蒸气轮机驱动，型式多样。(4)驱动用蒸汽轮机(或燃气轮机)与压缩机多通过齿轮联轴器直接连结，个别机组中间设置齿轮增速器，形成一个由3～6个气(汽)缸所组成的多缸串联机组。(5)机组具有一定的自动控制系统和安全保护监测系统。(6)机组能力大，外形尺寸小，重量轻。供气均匀连续，不用缓冲器。(7)机组投资大，动力消耗多。(8)驱动蒸汽轮机(或燃气轮机)带负荷启动(低负荷)，按规定的升速升压曲线升速、升压、加负荷。(9)机组多采用变转速调节，调速范围为80%～105%，以适应生产工艺的需要，负荷调整范围为80%～105%。(10)机组无气阀、填料函和活塞环等零部件，易损件少，不需要经常维修，运转率高。 大化肥装置现役透平压缩机组使用情况基本良好，但也存在主要问题：(1)多缸串联，系统复杂。机组常为多缸(3～6缸)串联，使机组的轴向尺寸较长，给安装调整带来一些困难，使转子轴系的临界转速问题复杂化，平稳运行受到干扰，容易发生机组的超差振动。另外，机组的辅助系统多，阀门多，管道长，使机组显得庞大。(2)转子系统动力性能较差。机组的转子系统，一般只做临界转速的计算，动平衡试验多采用多次低速动平衡，故转子系统的动力性能较差，振动的敏感性较强，特别是当输送的工艺气体和动力蒸汽的质量较差时，转子上出现少许结垢，容易发生超差振动。(3)振动监测系统不健全。现用机组振动监测系统比较简单，一般只能测量、显示振动的幅值，当达到一定极限值就报警、停机，不能在线监测机组振动的各种参数，更无法进行振动故障的诊断，很难为“预知维修”提供必要的数据。(4)自动控制水平较低。某些参数达到一定极限值时只会报警或联锁停机，但只能起到保护作用，不能做到控制和善后处理。另外，现用自控系统仪表本身质量较差，故障多，极易造成联锁误动作引起跳车。(5)机组启动缓慢。整个机组有许多辅助系统，驱动用工业汽轮机又是一种热力动力机械，启动前需要暖管、暖机、排液；需要首先启动油系统、汽封系统和真空系统；启动中还要按升速升压曲线逐步增加负荷，这样消耗的时间比较长。(6)机组效率较低。现用机组，特别是前十几套装置的各机组，多变效率多在0．75～0．80之间。(7)低负荷运行有困难。大机组低负荷运行时，除了效率有所降低外，压缩机还容易发生喘振。为了防止喘振的发生，低负荷时气体就得打回流，浪费了大量的能源，既不经济，又不安全。(8)机组的故障较多。各类机组的故障率不一，合成气压缩机和二氧化碳压缩机最高，空压机次之，原料气和氨压机最低。机组的故障主要是压缩机的结垢与喘振，汽轮机工作动叶片、铆钉头、围带和拉金的损坏，机组的振动超差以及轴承和油系统的故障。(9)机组噪声大。在无隔声装置的情况下，距离机器1m处的噪声一般都在90～110dB范围内，与国际标准化组织要求的工业区不得大于85dB还有很大的距离。(10)故障危害严重。大化肥用大机组为单系列、单机组，无备机，一旦发生故障，必将严重影响整个装置的生产，轻者造成泄漏，污染环境，引起中毒、烧伤或着火；重者引起停机，甚至发生爆炸，使人身、设备和厂房遭受大损失。近期发展趋势：(1)性能多样化。大化肥的生产由于原料路线、生产规模、工艺系统、输送介质和技术参数等技术特性不一，要求透平压缩机组的性能参数、规格型号多样化，从而满足各种类型装置的需要。(2)结构系统简单化。减少机组的气(汽)缸数目，从3～6个缸向2～3个缸的方向发展。尽量取消齿轮变速器，压缩机与驱动机直联，缩小机组的轴向尺寸。双缸压缩机，驱动机可置于两缸之间，既简化结构系统，又便于维修。(3)采用先进的设计方法。透平压缩机过去广泛采用和建立在“三化”基础上的按结构系列进行积木式的组合设计法，设计制造周期短、成本低，在安全、性能上能够满足用户的要求。但是这样设计的通流尺寸及其零部件并不一定是最佳的，往往是牺牲效率满足“三化”的要求。现在应当逐步采用最先进的优化单机参数的“现代设计法”，在保证用户各项要求的前提下设计出安全可靠、性能最佳、效率高、能耗低、成本低的机组。目前在设计中被广泛采用的方法有：优化分析法(如整机气动性能、结构设计方案、装置设计方案、三元流动叶轮流场以及级中各元件之间匹配关系等优化分析)；可靠分析法(如气缸和叶轮的应力、强度和变形的有限元分析、疲劳设计、稳定性分析、管道分析、转子轴系弯曲与扭转临界转速和不平衡响应分析、机械振动故障诊断以及断裂力学分析等)；动态分析法；相似分析法；逻辑分析法；模拟分析法；计算机辅助设计等。(4)高速化。机组的工作转速将由10000r／min提高到20000r／min，并向更高的方向发展。转速的提高要选用优质的钢材，可缩小零部件尺寸，提高效率，节约原材料。但是，随着转速的提高，对气体流动的理论以及噪声、振动等问题，必须给以解决。(5)减少级数。改善气体动力性能，合理分配压缩比，提高单级压缩比，减少级数，简化结构，提高制造加工工艺，便于维修。(6)采用高效率的工作时轮。透平压缩机叶轮中的流动是十分复杂的，目前仍不能用数学的方法进行准确的计算。必须配合三元理论叶轮的计算进行一些实际流动的模型试验，两者结合在一起才能设计出符合实际情况的高效工作叶轮，使其多变效率达到0．86～0．88以上，并且扩大稳定运行的范围。(7)选用先进的叶轮结构和加工工艺。目前先进的叶轮结构有：全焊型、铣焊型、塞焊型、钎焊型和锻造整体叶轮；先进的叶轮焊接工艺有钨极脉冲气体保护焊、氩弧焊以及正在开发研究中的真空扩散焊接和真空电子束焊接。制造加工中要减少叶轮的变形，提高叶轮的强度和安全可靠性，节约钢材，缩短制造加工周期。(8)提高转子轴系的稳定性。设计中要对单缸转子和轴系进行详细的振动计算(包括横向和扭转临界转速以及不平衡响应计算)，转子组装后进行高速动平衡试验和不平衡响应试验，使其临界转速远离工作转速区，振动值小于允许值，并留有一定的安全裕量，确保转子在高速运转中的稳定性。(9)选用先进的焊接机壳。逐步采用钢板焊接机壳代替铸造、锻造机壳。水平剖分机壳承压可达6．0MPa，筒型机壳承压可达10．0MPa，并逐步提高机壳的承压水平。这种机壳的制造周期短，成品率高，重量轻。机壳的焊接按压力容器规范进行，采用自动或半自动电弧焊，焊后热处理消除内应力，焊缝进行磁粉探伤和X光射线探伤，组装后进行水平试验。(10)选用焊接隔板。逐步采用焊接隔板代替铸造隔板，钢板精细机械加工后焊接成形，提高强度和刚度，减少变形，提高尺寸加工精度和表面光洁度；提高气体流动性能和防喘性能，减少流动损失。(11)选用先进的密封。提高密封效果，压缩机的不同密封部位选用不同的新型密封，叶轮轮盖密封和级间密封可选用耐磨迷宫密封，密封齿可用合金钢，密封套用耐磨材料，如复合石黯和氟塑料。静态时有0．025～0．05mm的间隙，动态时由于热变形则间隙降为零，静动密封件发生接触既不产生火花，也不影响机组的临界转速和振动，可使内泄漏减少50%，级效率提高4%～5%，整机功率消耗减少3%。平衡盘密封可选用蜂窝式迷宫密封，并在相对应的壳体上镶有巴氏合金的套筒，避免磨损缸体。在平衡盘密封进口前设置旋流控制器，即在平衡盘上钻有倾斜的旋转气流控制孔，将叶轮出口压力的气体从叶轮旋转的相反方向引入，抑制平衡盘气体的泄漏，削弱造成转子振动的旋流。高速高压下的轴端密封可选用阻尼油膜浮环密封(即浮环密封腔内带有阻尼环的可倾瓦)，其效果相当于在原有的两个支撑轴瓦之间又设置了两个阻尼轴承，提高了转子系统的刚性和临界转速并削减了转子的振动。近年来迅速发展着一种新型的气体机械密封(螺旋槽干气密封)，将逐步取代迷宫密封和油膜浮环密封。这种密封的结构型式与普通的机械密封相似，但在旋转的硬密封环上有多个深度为0．0025～0．01mm的螺旋槽。密封介质不是液体油，而是经过过滤的干净的工艺气体，其压力比被密封的气体的压力高0．1～0．3MPa。在运转中密封端面脱开不相接触，形成气体密封间隙，摩擦小，磨损小，气体泄漏很少。(12)选用减振轴承。高速轻载转子的径向轴承可采用带有阻尼油膜的可倾瓦，承载能力大，减振能力强。止推轴承仍以米切尔式或金斯伯雷式双面止推为主，冷凝式汽轮机驱动的压缩机组，必须设置转子去磁接地装置，避免发生轴承的电流腐蚀损坏，是很有发展前途的一种轴承。(13)选用挠性联轴器。高速大功率透平机械宜选用挠性联轴器，当前国内外逐步推广采用鼓膜式挠性联轴器(金属膜盘式挠性联轴器)。它是一种通过极薄的双曲线型面的挠性盘来传递扭矩的装置，输入和输出轴之间的相对位移由膜盘材料的挠性来吸收，膜盘可以是单个的，也可以是多个的。这种联轴器结构简单，体积小，重量轻，无油润滑，弹性好．运转平稳，振动噪声小，使用寿命长，传递扭矩均匀，承受不对中能力强，安全使用维护简单，能在恶劣的环境下工作，适于高速度、大扭矩。缺点是鼓膜较薄，与套筒的焊接采用电子束焊接，制造加工比较复杂。(14)选用适宜的驱动机。近年来，天然气型大化肥采用燃气轮机驱动空压机，是一个新趋向。它是将燃气轮机排出的燃作为一段转化炉的燃烧气，其综合热效率高于蒸汽轮机。国外还出现了高转速可变速电动机，现用功率以500～5000kW，转速以8000～12000r／min者居多，目前仍处于开发阶段，很快就要大量投入市场。(15)选用变转速调节。采用汽轮机或燃气轮机驱动的透平压缩机，宜采用汽变转速调节，系统简单，调节方便，调节范围广，效率高。(16)开发完善的安全保护系统。安全保护系主要包括：温度保护，如气缸温度、段间气体温度、冷却水温度、轴承温度和润滑油温度的监测；压力保护，如气缸压力、冷却水压力和油系统压力等的监测；机械保护，如轴向推力、轴向位移和机械振动等的监测；转速保护；防喘振防逆流；运行工况电视屏幕显示系统，将压缩机运行特性曲线、管网特性曲线以及压缩机运行工况点显示在电视屏幕上，便于操作人员及时观察机组运行工况的变化趋势，发现运行工况点向喘振区方向移动，可及时采取措施进行工况调整，确保机组运行工况远离喘振区和阻塞区；在线振动监测故障诊断系统，随时监测记录机组振动状态，出现异常可以通过专家诊断系统进行故障诊断，为机组的安全稳定运行和“预知维修”提供可靠数据。(17)控制自动化。压缩机的喘振和轴向推力的增加等微小的变化都可能造成严重的事故，而且事故的发生与发展往往是迅速而猛烈的，单靠人力维护控制是措手不及的，应当采用电子计算机技术实行远距离自动控制，逐步实现自动开停车和变工况负荷调节，确保安全生产。(18)高效率运转。改善通流部分空气动力学性能，采用三无理论高效率工作叶轮，优化结构，提高制造加工质量实现效率运行，使机组的总效率从80%向85%的方向发展。(19)降低机组的噪声和少振动。改进压缩机通流部分的设计和结构，减少噪声源，降低噪声强度，采用进出口消声器、放空消声器以及隔声罩，使机组的噪声逐步达(ISO)建议的工业区噪声不超过85dB的水平。设计合理的结构，优化气动参数，提高转子轴承系统、管道和机器基础的振动性能，保证零部件的制造安装精度，降低机组的机械振动，使之小于规定值。(20)提高机组的安全可靠性。改进设计，提高制造加工水平，延长零部件的使用寿命，降低故障率，增加机组连续运转时间，尽快达到连续运行3a以上，使用寿命达到20a以上。(吉化公司化肥厂丁振亭撰) |
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