高效硝酸尾氣膨脹機(jī)的研制

陳　勇　張先裕

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所　上海201108)

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高效硝酸尾氣膨脹機(jī)的研制

陳勇張先裕

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所上海201108)

0前言

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)多家硝酸生產(chǎn)企業(yè)的空氣壓縮機(jī)機(jī)組進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)普遍存在由于硝酸尾氣膨脹機(jī)回收功率不足而導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)機(jī)組低轉(zhuǎn)速運(yùn)行、硝酸產(chǎn)量下降的問(wèn)題，因此，提高硝酸尾氣膨脹機(jī)回收功率的工作亟待解決。

國(guó)內(nèi)某化工企業(yè)擁有多條硝酸生產(chǎn)線，其中5#生產(chǎn)線為550 t/d高壓法硝酸生產(chǎn)裝置。該生產(chǎn)線中的空氣壓縮機(jī)機(jī)組由硝酸尾氣膨脹機(jī)、軸流式空氣壓縮機(jī)、離心式空氣壓縮機(jī)和汽輪機(jī)組成，其中硝酸尾氣膨脹機(jī)為英格索蘭多級(jí)軸流式膨脹機(jī)(五級(jí))，已使用多年，效率大幅降低，回收功率不足，導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)機(jī)組無(wú)法按照設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速運(yùn)行，進(jìn)而硝酸產(chǎn)量大幅降低；同時(shí)，還存在尾氣泄漏等問(wèn)題，影響操作人員人身安全。

1設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)參數(shù)：流量66 520 m3/h(標(biāo)態(tài))，進(jìn)口溫度610 ℃，進(jìn)口壓力0.77 MPa，出口壓力0.10 MPa，轉(zhuǎn)速8 350 r/min，功率8 150 kW。

設(shè)計(jì)要求：①提高硝酸尾氣膨脹機(jī)效率，使空氣壓縮機(jī)組能夠達(dá)到原來(lái)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速；②解決漏氣問(wèn)題。

2氣動(dòng)設(shè)計(jì)

對(duì)硝酸尾氣膨脹機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合目前透平設(shè)計(jì)級(jí)焓降水平，使用三級(jí)透平完全能夠滿足要求。經(jīng)過(guò)一維特性計(jì)算、S2流面計(jì)算、葉片造型及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)流場(chǎng)仿真，并與可靠性分析過(guò)程相互迭代，完成了硝酸尾氣膨脹機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)。

在進(jìn)行級(jí)的焓降分配方面，從減小排氣損失的角度出發(fā)，末級(jí)應(yīng)分配較小的焓降，使出口氣氣流接近軸向；同時(shí)，前面級(jí)焓降大，則溫度降低也多，對(duì)后面級(jí)的強(qiáng)度有利；但隨著葉片高度的增加，級(jí)做功能力也有所增加。綜合以上幾個(gè)方面考慮，確定了硝酸尾氣膨脹機(jī)的焓降分配，末級(jí)動(dòng)葉出口氣流接近軸向，余速損失較小。

采用CFD計(jì)算軟件CFX進(jìn)行三維流場(chǎng)仿真，觀察硝酸尾氣膨脹機(jī)流道內(nèi)部的流動(dòng)細(xì)節(jié)。計(jì)算中考慮了葉片葉頂間隙等因素，對(duì)間隙區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行了特殊處理，使計(jì)算盡可能貼近實(shí)際情況，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到與用戶現(xiàn)場(chǎng)的管道配合，硝酸尾氣膨脹機(jī)的總體結(jié)構(gòu)借鑒了原國(guó)外硝酸尾氣膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)，采用上進(jìn)下出的結(jié)構(gòu)形式，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用三維建模軟件對(duì)所有零部件進(jìn)行建模，利用三維建模軟件的特征驅(qū)動(dòng)功能，能夠快速修改設(shè)計(jì)，并轉(zhuǎn)化為工程圖，同時(shí)也為CFD計(jì)算、臨界轉(zhuǎn)速分析等提供了依據(jù)。

3.1殼體設(shè)計(jì)

原有的尾氣膨脹機(jī)采用了進(jìn)氣蝸殼的設(shè)計(jì)，尾氣從蝸殼進(jìn)入，經(jīng)導(dǎo)向環(huán)將氣流轉(zhuǎn)為軸向，再進(jìn)入葉片流道。蝸殼位于進(jìn)氣殼體內(nèi)部，中間敷設(shè)保溫層，此種結(jié)構(gòu)帶來(lái)的好處是有利于降低殼體溫度；但由于蝸殼進(jìn)口直徑與進(jìn)口管道直徑存在一定差異，部分硝酸尾氣會(huì)進(jìn)入蝸殼與進(jìn)氣殼體之間的空腔，進(jìn)而形成流動(dòng)死區(qū)。進(jìn)氣端蜂窩密封、靜葉殼體高壓部分固定在蝸殼上，轉(zhuǎn)子從蝸殼內(nèi)穿過(guò)，轉(zhuǎn)子從殼體內(nèi)拆解出來(lái)時(shí)需連同蝸殼等零件一并起吊，蝸殼及蜂窩密封等零件質(zhì)量均由主軸承擔(dān)，易損傷主軸，特別是與蜂窩密封配套的密封齒極易被壓塌或傾倒，使密封性能降低甚至失效。

在綜合分析了原有結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)之后，取消了進(jìn)氣蝸殼的設(shè)計(jì)，氣流由徑向轉(zhuǎn)為軸向，導(dǎo)向功能由靜葉殼體來(lái)實(shí)現(xiàn)。此種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了可靠性，安裝和維修更方便。

3.2轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子采用兩端支撐的形式，提高了運(yùn)行穩(wěn)定性。主軸采用整體鍛件，剛度強(qiáng)，確保整個(gè)轉(zhuǎn)子為剛性轉(zhuǎn)子，降低了啟、停機(jī)時(shí)過(guò)臨界轉(zhuǎn)速的操作難度。原來(lái)使用的膨脹機(jī)為五級(jí)，經(jīng)重新氣動(dòng)設(shè)計(jì)后，減至三級(jí)即可滿足要求，輪盤與主軸采用花鍵傳遞扭矩?？紤]到推力盤經(jīng)長(zhǎng)期使用后可能出現(xiàn)損壞，為便于維修，推力盤與主軸為分體結(jié)構(gòu)，過(guò)盈配合。轉(zhuǎn)子上設(shè)有測(cè)位移盤，運(yùn)行中通過(guò)位移傳感器對(duì)轉(zhuǎn)子的位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并帶有聯(lián)鎖，一旦軸位移超過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)定的停機(jī)值，控制系統(tǒng)將自動(dòng)對(duì)機(jī)組進(jìn)行停機(jī)操作。動(dòng)葉與輪盤采用樅樹形榫頭連接，葉片榫頭及輪盤榫槽應(yīng)力小，強(qiáng)度裕度大，可靠性高。

3.3密封設(shè)計(jì)

在工業(yè)透平中，迷宮密封由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉而得到廣泛應(yīng)用。隨著蜂窩密封加工成本的下降以及機(jī)械行業(yè)對(duì)密封的要求越來(lái)越高，其使用范圍不斷擴(kuò)大。在硝酸尾氣膨脹機(jī)中，軸端、級(jí)間都需要進(jìn)行有效密封。雖然蜂窩密封效果較好，但仍無(wú)法做到完全密封，因此，在進(jìn)氣端采用了蜂窩密封與碳環(huán)密封相結(jié)合的形式，可提高密封效果。級(jí)間采用蜂窩密封，避免大量尾氣從級(jí)間間隙內(nèi)泄漏而造成下游流場(chǎng)的紊亂。

4可靠性分析

為了保證膨脹機(jī)能夠長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，必須對(duì)膨脹機(jī)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行詳細(xì)的可靠性分析，包括強(qiáng)度校核、振動(dòng)分析和臨界轉(zhuǎn)速分析。

4.1強(qiáng)度校核

動(dòng)葉和輪盤之間采用樅樹形榫頭進(jìn)行連接，在工作情況下需承受高溫?zé)釕?yīng)力、離心載荷及氣動(dòng)載荷，必須保證足夠的強(qiáng)度裕度。強(qiáng)度校核采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)特別針對(duì)葉片根部和榫頭部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，力求更準(zhǔn)確地反應(yīng)葉片應(yīng)力分布情況。動(dòng)葉應(yīng)力分布示意見圖1，輪盤榫槽處應(yīng)力分布示意見圖2。

圖2　輪盤榫槽處應(yīng)力分布示意

從強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果來(lái)看：動(dòng)葉和輪盤應(yīng)力分布均較為均勻，動(dòng)葉最大應(yīng)力位于榫頭部分，輪盤最大應(yīng)力位于榫槽處；動(dòng)葉和輪盤的強(qiáng)度安全系數(shù)分別達(dá)到3.0和2.5，均大于許用安全系數(shù)，說(shuō)明葉片和輪盤的強(qiáng)度是安全可靠的。

4.2振動(dòng)分析

分別對(duì)各級(jí)葉片進(jìn)行振動(dòng)分析，可計(jì)算得到葉片靜頻和動(dòng)頻，以及葉片的各階振型。利用坎貝爾圖分析葉片在工作情況下產(chǎn)生振動(dòng)的可能性，一旦葉片在工作條件下存在共振的可能，就需要對(duì)葉片進(jìn)行修改，調(diào)整其頻率，以避開共振頻率，確保安全可靠。動(dòng)葉一彎振型示意見圖3，動(dòng)葉一扭振型示意見圖4。

圖3　動(dòng)葉一彎振型示意

圖4　動(dòng)葉一扭振型示意

4.3臨界轉(zhuǎn)速分析

進(jìn)行轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算時(shí)，在保證不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。轉(zhuǎn)子網(wǎng)格示意見圖5，轉(zhuǎn)子一彎振型示意見圖6。

圖5　轉(zhuǎn)子網(wǎng)格示意

圖6　轉(zhuǎn)子一彎振型示意

由計(jì)算結(jié)果可知，轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速9 960 r/min，而工作轉(zhuǎn)速為8 350 r/min，屬于剛性轉(zhuǎn)子；振動(dòng)裕度較大，可確保轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中不發(fā)生共振。

5熱態(tài)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和裝配質(zhì)量，進(jìn)行了整機(jī)熱態(tài)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，為此，專門搭建了硝酸尾氣膨脹機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)由變頻電機(jī)作為動(dòng)力，經(jīng)變速箱驅(qū)動(dòng)硝酸尾氣膨脹機(jī)。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速在400～8 400 r/min，完全覆蓋膨脹機(jī)的工作轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)臺(tái)配備了獨(dú)立的潤(rùn)滑油站，布置在試驗(yàn)臺(tái)旁地下室，流量為160 L/min，并分別對(duì)膨脹機(jī)、變速箱進(jìn)油溫度、回油溫度、進(jìn)油壓力及流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。膨脹機(jī)進(jìn)口與出口通過(guò)管道連接，形成閉路循環(huán)，機(jī)殼及管道外進(jìn)行保溫。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，膨脹機(jī)內(nèi)空氣溫度逐步升高，機(jī)殼和轉(zhuǎn)子逐步膨脹，模擬膨脹機(jī)真實(shí)運(yùn)行工況。在機(jī)殼及軸承箱處架設(shè)百分表，觀察膨脹機(jī)在高溫下各部位的熱膨脹情況；對(duì)軸承溫度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、軸位移等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，信號(hào)接入監(jiān)控系統(tǒng)，并進(jìn)行聯(lián)鎖。試驗(yàn)取得了膨脹機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、不同溫度下的運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)分析，膨脹機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為該設(shè)備在用戶現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行提供了可靠保障。

6現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行

由于膨脹機(jī)仍然采用原有的膨脹機(jī)支座，給機(jī)組的安裝找正工作帶來(lái)了一定的困難。經(jīng)細(xì)致調(diào)試，機(jī)組開車成功，膨脹機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)均大大優(yōu)于原有機(jī)組，硝酸系統(tǒng)產(chǎn)量由360 t/d增加至420 t/d，增幅達(dá)16.7%；系統(tǒng)副產(chǎn)蒸汽由13 t/h增加至20 t/h，大大降低了生產(chǎn)成本。由于膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡精度高，機(jī)組對(duì)中好，更換硝酸尾氣膨脹機(jī)后，不僅膨脹機(jī)振動(dòng)值由原來(lái)的60 μm左右降低至20 μm以下，還帶來(lái)整套空氣壓縮機(jī)組振動(dòng)的大幅下降，整套空氣壓縮機(jī)組最大振動(dòng)值低于40 μm。

7結(jié)語(yǔ)

在該硝酸尾氣膨脹機(jī)的研制中，采用了一些新的結(jié)構(gòu)，在熱態(tài)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中均得到檢驗(yàn)，證明是行之有效的。在開發(fā)過(guò)程中，也曾遇到一些問(wèn)題，特別是在裝配階段，暴露出個(gè)別零件吊裝不便、螺栓扳手空間不夠等問(wèn)題，但最終都得到了妥善的解決。這些問(wèn)題和解決問(wèn)題的過(guò)程都成為寶貴的經(jīng)驗(yàn)，在將來(lái)的設(shè)計(jì)中需更加注意細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)。隨著硝酸生產(chǎn)裝置的大型化，還將進(jìn)一步開發(fā)更大型號(hào)的尾氣膨脹機(jī)，該硝酸尾氣膨脹機(jī)的開發(fā)也為此打下了良好的基礎(chǔ)。

(收稿日期2016-01-12)