王建華，劉建國，董尚志，楊汝蕓

(1.金川集團(tuán)股份有限公司 建設(shè)分公司，甘肅 金昌 737100;2.金川萬方實(shí)業(yè)公司，甘肅 金昌 737102;3.金川集團(tuán)有限公司 化工廠，甘肅 金昌 737104)

1 引言

冶煉煙氣制酸工藝中二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)是煙氣輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，它是煙氣克服高效洗滌塔和干燥阻力、增強(qiáng)轉(zhuǎn)化塔負(fù)壓、調(diào)節(jié)進(jìn)入轉(zhuǎn)化塔煙氣流量、維持轉(zhuǎn)化塔內(nèi)外技術(shù)參數(shù)指標(biāo)正常的核心設(shè)備。也正是由于它承擔(dān)的職責(zé)眾多，加上二氧化硫和三氧化硫的腐蝕性和其他諸多原因，在煙氣制酸過程中，二氧化硫風(fēng)機(jī)經(jīng)常會出現(xiàn)各種故障［1-6］，眾多工程技術(shù)人員對其故障和排除措施做了研究［7-14］。對于從國外引進(jìn)的風(fēng)機(jī)，使用的廠家不但要根據(jù)引進(jìn)設(shè)備的相關(guān)特性將其合理配置在全套工藝中，還要對其進(jìn)行日常運(yùn)行維護(hù)，因此要付出更多的工作［15］。本文研究對象是金川集團(tuán)股份有限公司化工廠一臺已經(jīng)使用了13年的SEL -16A型德國進(jìn)口風(fēng)機(jī)，2009年3月因處理風(fēng)量14萬Nm3/h 風(fēng)量滿足不了原系統(tǒng)擴(kuò)產(chǎn)后18萬Nm3/h 的要求，被保護(hù)性拆除后閑置了半年多，2009年底被用于處理氣量為14萬Nm3/h 的新建35萬t/a 硫酸系統(tǒng)中，2010年1月21日19 時起該風(fēng)機(jī)徑向推力聯(lián)合軸承的溫度上升造成跳車，經(jīng)分析研究認(rèn)定該風(fēng)機(jī)必須進(jìn)行大修才能可靠運(yùn)行。經(jīng)過了一系列的修舊利廢、修復(fù)、檢測、改造工作，這臺已到報廢期的風(fēng)機(jī)成功地實(shí)現(xiàn)了再利用，經(jīng)測定其使用壽命至少還有5年，性能指標(biāo)得到了提升，盤活了資產(chǎn)，降低了項(xiàng)目投資。這在文獻(xiàn)中未見過報道。

2 風(fēng)機(jī)及輔機(jī)和部件修復(fù)前存在的問題

該風(fēng)機(jī)為德國KKK 公司生產(chǎn)，型號為SEL -16A，基本結(jié)構(gòu)是由風(fēng)機(jī)機(jī)體(包括蝸殼、轉(zhuǎn)子、軸承系統(tǒng)等)、增速器、液力耦合器、電機(jī)、油路系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)及電氣配電系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)如圖1，現(xiàn)場實(shí)物圖見圖2。

圖1 SEL-16A型SO2風(fēng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖

圖2 SEL-16A型SO2風(fēng)機(jī)實(shí)體圖

SEL -16A型SO2風(fēng)機(jī)自1996年投用以來，已連續(xù)運(yùn)行13年，該風(fēng)機(jī)再利用前，化工廠對SEL-16A型SO2風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了全面檢測和分析。通過對該風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)與其性能曲線的比對，其運(yùn)行工況點(diǎn)已低于額定運(yùn)行范圍，且該SO2風(fēng)機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)已接近允許范圍的高臨界點(diǎn)。同時，對風(fēng)機(jī)各部件進(jìn)行了全面的測量，發(fā)現(xiàn)該風(fēng)機(jī)已出現(xiàn)老化、劣化現(xiàn)象。根據(jù)該風(fēng)機(jī)多年來的操作及維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)機(jī)在操作系統(tǒng)、自動控制及高壓配電系統(tǒng)等方面存在不完善之處。具體情況如下:

2.1 轉(zhuǎn)子主軸軸徑尺寸變小

該SO2風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子由兩組滑動軸承支撐，其中后軸承(液力耦合器側(cè))為徑向與軸向組合軸承，前軸承(蝸殼側(cè))為徑向軸承。在測量軸承間隙時，發(fā)現(xiàn)該風(fēng)機(jī)兩組徑向軸承間隙分別為:前軸承間隙為0.491mm，后軸承間隙為0.344mm，而該風(fēng)機(jī)說明書所提供的滑動軸承設(shè)計間隙范圍分別為:前軸承0.42～0.476mm，后軸承0.28～0.329mm，實(shí)測值已超出設(shè)計間隙范圍。因此，我們進(jìn)一步對軸頸尺寸進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)其尺寸公差變小，分別減小了0.015mm。初步分析為SO2風(fēng)機(jī)長期運(yùn)行中主軸軸徑磨損所致，需要對軸頸進(jìn)行技術(shù)處理。

圖3 軸頸測量

2.2 增速機(jī)需校核或檢測

風(fēng)機(jī)的增速機(jī)是在電機(jī)額定轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上增加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的裝置，其結(jié)構(gòu)為一對二級斜齒輪相互嚙合。由于該風(fēng)機(jī)已連續(xù)運(yùn)行13年，每年的連續(xù)作業(yè)時間約為300 天，增速機(jī)內(nèi)齒輪是否接近疲勞強(qiáng)度，是風(fēng)機(jī)能否再利用的關(guān)鍵;且新建35萬t/a 硫酸系統(tǒng)煙氣處理能力大于原硫酸三系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)負(fù)荷將增加，因此需要對增速器齒輪進(jìn)行疲勞強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度的校核。

圖4 增速器齒輪結(jié)構(gòu)圖

該SO2風(fēng)機(jī)的高壓電機(jī)自制酸系統(tǒng)建成投用以來從未做過內(nèi)部機(jī)械平衡及定子絕緣電阻檢測，內(nèi)部絕緣材料是否老化及破損并不清楚，而這些卻是決定電機(jī)能否繼續(xù)長期運(yùn)行的關(guān)鍵因素。因此，需要對電機(jī)做系統(tǒng)性檢測與維護(hù)保養(yǎng)［16］。

2.3 蝸殼位移量超出允許范圍

通過風(fēng)機(jī)的檢測數(shù)據(jù)顯示，蝸殼內(nèi)壁與葉輪之間的間隙δr(見圖5)為18.5mm(冷態(tài))，超出該風(fēng)機(jī)說明書中的允許范圍20～25mm。初步分析，其原因是SO2風(fēng)機(jī)在長期運(yùn)行中蝸殼產(chǎn)生熱變形或地腳螺栓的應(yīng)力釋放造成，需要對蝸殼做定位技術(shù)處理。

該風(fēng)機(jī)這些問題導(dǎo)致了2010年1月21日19時的徑向推力聯(lián)合軸承的溫度上升造成跳車，因此該風(fēng)機(jī)需要進(jìn)行優(yōu)化，各項(xiàng)性能有待提高，以滿足35萬t/a 硫酸系統(tǒng)的工藝需求。

3 SO2風(fēng)機(jī)性能優(yōu)化的可行性分析

針對該SO2風(fēng)機(jī)的現(xiàn)存問題，為使其再利用到35萬t/a 硫酸系統(tǒng)中，化工廠首先從理論方面進(jìn)行了分析研究能否進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)機(jī)性能。

35萬t/a 硫酸系統(tǒng)的工藝是經(jīng)過凈化、干燥、轉(zhuǎn)化、吸收、尾吸等工序，將冶煉煙氣引入制酸系統(tǒng)，直至從尾氣煙囪達(dá)標(biāo)高排等環(huán)節(jié)，主要依靠全流程設(shè)備高性能的配合，SO2風(fēng)機(jī)在整個制酸系統(tǒng)中作為核心設(shè)備起到主要作用，主要是克服制酸系統(tǒng)凈化、干吸及轉(zhuǎn)化工序的阻力，將冶煉煙氣貫通整個制酸系統(tǒng)。

SO2風(fēng)機(jī)對工藝系統(tǒng)的影響主要通過風(fēng)機(jī)風(fēng)量及壓力體現(xiàn)，壓力的影響是將工藝系統(tǒng)的壓力在設(shè)計指標(biāo)控制的范圍之內(nèi);風(fēng)量大小調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)煙氣量，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化器溫度的穩(wěn)定，確保系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到工藝設(shè)計要求。同時，SO2風(fēng)機(jī)前端與后端的系統(tǒng)阻力會影響風(fēng)機(jī)的工況運(yùn)行點(diǎn)，因此，工藝系統(tǒng)的阻力設(shè)計要充分考慮到風(fēng)機(jī)的運(yùn)行性能區(qū)域。

35萬t/a 硫酸項(xiàng)目處理濃度范圍為4%～6%的冶煉煙氣，處理煙氣量為140000Nm3/h，系統(tǒng)設(shè)計總阻力為20kPa，其中凈化總阻力為3kPa，轉(zhuǎn)化、干吸總阻力為17kPa。而該風(fēng)機(jī)原使用過程中正常運(yùn)行風(fēng)量基本在90000～120000Nm3/h 范圍之間，短期運(yùn)行風(fēng)量最高達(dá)到過140000Nm3/h。從風(fēng)機(jī)設(shè)計性能曲線來看，風(fēng)機(jī)出口壓力達(dá)到18kPa 時，其風(fēng)量可達(dá)到140000Nm3/h。從以上數(shù)據(jù)分析來看，制酸工藝系統(tǒng)設(shè)計時，已充分考慮到SO2風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)，因此，只要對SO2風(fēng)機(jī)系統(tǒng)做進(jìn)一步優(yōu)化，即可滿足35萬t/a 硫酸系統(tǒng)的工藝需求，從而達(dá)到工藝與設(shè)備的相互匹配。

4 修復(fù)措施

4.1 轉(zhuǎn)子軸徑修復(fù)的技術(shù)研究

滑動軸承是一種以潤滑油作為中間介質(zhì)的油膜軸承，其工作原理是:在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，由于轉(zhuǎn)動力的作用，迫使轉(zhuǎn)子軸頸發(fā)生移動，油膜軸承中心與軸頸的中心產(chǎn)生偏心，使油膜軸承與軸頸之間的間隙形成了兩個區(qū)域，一個叫發(fā)散區(qū)(沿軸頸旋轉(zhuǎn)方向間隙逐漸變大)，另一個叫收斂區(qū)(沿軸頸旋轉(zhuǎn)方向逐漸減小)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的軸頸把有粘度的潤滑油從發(fā)散區(qū)帶入收斂區(qū)，沿軸頸旋轉(zhuǎn)方向軸承間隙由大變小，形成一種油楔，使?jié)櫥蛢?nèi)產(chǎn)生壓力。油膜內(nèi)各點(diǎn)的壓力沿轉(zhuǎn)動方向的合力就是油膜軸承的承載力。當(dāng)轉(zhuǎn)動力大于承載力時，軸頸中心與油膜軸承中心之間的偏心距增大。在收斂區(qū)內(nèi)軸承間隙沿軸頸旋轉(zhuǎn)方向變陡，最小油膜厚度變小，油膜內(nèi)的壓力變大，承載力變大，直至與轉(zhuǎn)動力達(dá)到平衡，軸頸中心不再偏移，油膜軸承與軸頸完全被潤滑油隔開［17］。從這個角度講最小油膜厚度非常重要。機(jī)械設(shè)備在使用時，潤滑油里會含有一些微小的雜質(zhì)。如果雜質(zhì)顆粒的外形尺寸大于最小油膜厚度，雜質(zhì)顆粒隨潤滑油通過最小油膜層時，就會與金屬接觸，造成軸瓦或軸頸的磨損。

4.2 增速機(jī)齒輪強(qiáng)度研究

斜齒圓柱齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)緊湊、重合度大、嚙合性能好的特點(diǎn)，因此在高速、大功率傳動裝置中應(yīng)用廣泛［18］。該風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中，增速器齒輪箱內(nèi)齒輪承受的扭矩較大，且隨著風(fēng)機(jī)的載荷調(diào)節(jié)潤滑油膜條件也變惡劣，齒面接觸處應(yīng)力受到潤滑條件的限制也不斷增大，這些都會引起齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)運(yùn)行效率變低，最終可能導(dǎo)致齒輪失效。齒輪的失效形式有很多種，常見的失效形式有齒面磨損、輪齒折斷、輪齒塑性變形、齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合等。齒輪無論以何種形式失效，都會影響到風(fēng)機(jī)的性能，降低風(fēng)機(jī)效率，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致增速器報廢。因此，對增速器內(nèi)齒輪進(jìn)行外觀檢查，對輪齒的硬度、內(nèi)部金相組織的檢驗(yàn)是非常必要的。

4.3 風(fēng)機(jī)蝸殼定位的技術(shù)研究

圖5 中(1)是氣體在離心式風(fēng)機(jī)內(nèi)部正常流動過程的示意圖，氣體通過煙道流入葉輪入口，在葉輪內(nèi)獲得能量之后沿徑向從葉輪出口流入風(fēng)機(jī)蝸殼。正常情況下，風(fēng)機(jī)的靜止部件蝸殼與旋轉(zhuǎn)部件葉輪之間保持一定的間隙。而且應(yīng)使風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)壁與葉輪之間間隙δr 保持在允許范圍之內(nèi)，不允許蝸殼發(fā)生軸向位移，一旦δr 超出允許范圍，將導(dǎo)致葉輪前盤與蝸殼間空間不均勻形成渦流和內(nèi)部泄漏，使風(fēng)機(jī)效率下降。同時蝸殼若出現(xiàn)徑向位移，即蝸殼與葉輪輪背產(chǎn)生夾角，如圖5 中(2)，葉輪出口腔內(nèi)的氣流不均均，渦流攪動會增大，大量損耗功率，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)效率下降、風(fēng)機(jī)振動加劇等現(xiàn)象，嚴(yán)重時會導(dǎo)致葉輪與蝸殼產(chǎn)生磨擦，最終破壞葉輪動平衡導(dǎo)致跳車［19］。

圖5 離心式風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動過程的示意圖

蝸殼發(fā)生位移與蝸殼的熱變形及地腳螺栓的應(yīng)力釋放有關(guān)。由于氣體壓縮放熱，蝸殼內(nèi)的溫度最高有90℃，而且由于蝸殼的尺寸較大，結(jié)構(gòu)也不規(guī)則，其熱變形會很不均勻。其次由于風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的熱變形和振動的影響，蝸殼的地腳螺栓會釋放部分預(yù)緊應(yīng)力，也會使蝸殼發(fā)生位移。蝸殼的位移并不是在安裝時造成的，均是在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中造成的。因此，用一套固定裝置使蝸殼定位，防止蝸殼發(fā)生位移是可行的［20］。

5 SO2風(fēng)機(jī)優(yōu)化技術(shù)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用情況

35萬t/a 硫酸系統(tǒng)自從2011年9月份投運(yùn)至今已有8 個多月時間，系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)運(yùn)行正常，實(shí)現(xiàn)了達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)目標(biāo)，表1 為風(fēng)機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行前后的數(shù)據(jù)情況比較。

表1 SEL-16A SO2風(fēng)機(jī)改造前后運(yùn)行效果比較

除對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比較外，我廠技術(shù)人員對SEL-16A SO2風(fēng)機(jī)前、后運(yùn)行狀況與特性曲線也做了對比，硫酸三系統(tǒng)SO2風(fēng)機(jī)運(yùn)行記錄分析，結(jié)果如下:

(1)在12萬Nm3/h 載荷下SEL -16A SO2風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)出入口壓升為76mbar(圖6 中Q -P 曲線中藍(lán)色標(biāo)示)。

(2)SEL -16A SO2風(fēng)機(jī)出入口溫升為49℃(圖6 中Q-T 曲線中藍(lán)色標(biāo)示)，此時風(fēng)機(jī)軸振為3.23mm/s。

風(fēng)機(jī)2011年改進(jìn)優(yōu)化后，在35萬t 新建制酸項(xiàng)目中投用以來，風(fēng)量基本在140000m3/h 左右，SO2風(fēng)機(jī)軸振維持在1.0mm/s 以下。

(3)在14萬Nm3/h 載荷下SO2風(fēng)機(jī)出入口壓升為164mbar(如圖6 中Q-P 曲線中紅色標(biāo)示)。

(4)SEL -16A SO2風(fēng)機(jī)出入口溫升為23℃(如圖6 中Q-T 曲線中紅色標(biāo)示)，此時風(fēng)機(jī)軸振為0.7mm/s。

圖6 SEL-16A SO2風(fēng)機(jī)性能曲線圖

改進(jìn)前后SO2風(fēng)機(jī)性能參數(shù)對比分析結(jié)論:

(1)從SEL -16A SO2風(fēng)機(jī)性能曲線圖中看，SO2風(fēng)機(jī)改進(jìn)前風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)(藍(lán)色標(biāo)示)雖然在性能曲線范圍內(nèi)運(yùn)行，但從Q-T 曲線看，工況點(diǎn)已經(jīng)接近風(fēng)機(jī)性能曲線范圍邊緣;而風(fēng)機(jī)改進(jìn)后工況點(diǎn)(如圖6 紅色標(biāo)示)不僅在性能曲線范圍內(nèi)運(yùn)行，且從Q -P 曲線中看，改進(jìn)后的工況點(diǎn)已經(jīng)非常接近風(fēng)機(jī)高效運(yùn)行區(qū)(圖6 中陰影部分)。改進(jìn)后的SEL-16A SO2風(fēng)機(jī)在接近高效區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，對設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的保證，提高了SO2風(fēng)機(jī)的效率［21］。

(2)SO2風(fēng)機(jī)的壓升由2009年的76mbar 左右提高到了164mbar，溫升由改進(jìn)前的49℃降低到了23℃，根據(jù)熱力學(xué)方程計算SO2風(fēng)機(jī)多變效率的變化如下(k=1.29):

雖然多變效率并不能完全代表SO2風(fēng)機(jī)總效率的變化，但是在此次改進(jìn)過程中，SO2風(fēng)機(jī)的總效率的變化主要變現(xiàn)在其多變效率的變化，由上式計算結(jié)果可以看出SO2風(fēng)機(jī)改進(jìn)后的多變效率高于改進(jìn)前的50%左右，因此改進(jìn)后SO2風(fēng)機(jī)的總效率隨之而大幅度的提高。

(3)SO2風(fēng)機(jī)流量的增大。改進(jìn)后SO2風(fēng)機(jī)流量保持在14萬Nm3/h 左右，基本在風(fēng)機(jī)設(shè)計流量附近運(yùn)行，SO2風(fēng)機(jī)雖然在設(shè)計最大工況下運(yùn)行，但是SO2風(fēng)機(jī)本體及各附屬設(shè)備的運(yùn)行效果非常好，SO2風(fēng)機(jī)軸振在0.7mm/s 左右，殼振亦均在1.0mm/s以下，相比改進(jìn)前的振動數(shù)據(jù)降低了80%。

從SO2風(fēng)機(jī)運(yùn)行效果來看，SO2風(fēng)機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)及效率均有所改進(jìn)，且噪音有所下降，且經(jīng)過本次對該SO2風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)優(yōu)化，延長了該風(fēng)機(jī)的使用壽命，經(jīng)測定，該風(fēng)機(jī)經(jīng)過這次修復(fù)后至少還有5年的使用壽命。同時簡化了啟動操作，優(yōu)化了控制操作，降低了電機(jī)啟動時的電耗，達(dá)到了SEL-16ASO2風(fēng)機(jī)整體性能提高的目的。

6 結(jié)語

SEL-16A 風(fēng)機(jī)自2010年修復(fù)再利用后，至今仍然狀態(tài)良好地在35萬t/a 制酸系統(tǒng)中。金川集團(tuán)股份有限公司化工廠依靠科技進(jìn)步和自主創(chuàng)新，積極開展科研攻關(guān)，從各專業(yè)角度分析了影響SO2風(fēng)機(jī)性能的因素，并利用我廠及國內(nèi)的先進(jìn)技術(shù)水平，提升了利舊SO2風(fēng)機(jī)的性能，為新建35萬t/a硫酸系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。例如轉(zhuǎn)子軸頸的修復(fù)，通過先進(jìn)的技術(shù)手段，不僅解決了風(fēng)機(jī)振動問題，還遏制了磨損惡化導(dǎo)致的主軸報廢問題的發(fā)生。風(fēng)機(jī)在新建35萬t/年硫酸系統(tǒng)中的成功應(yīng)用使已到報廢期的該風(fēng)機(jī)得以升值，避免了新購風(fēng)機(jī)而增加約1 千萬元以上的費(fèi)用。

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