楊樹華 太興宇 張 勇 孫玉瑩

（1.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司；2.大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院；3.清華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

工業(yè)壓縮機(jī)產(chǎn)品的綠色制造?

楊樹華1,2太興宇1,3張 勇1孫玉瑩1

（1.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司；2.大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院；3.清華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

綠色制造是對傳統(tǒng)制造業(yè)的一次升級，在保證機(jī)械制造標(biāo)準(zhǔn)的前提下，通過資源環(huán)?？刂评砟?，加強(qiáng)資源效率的管理，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的和諧發(fā)展。壓縮機(jī)作為工業(yè)生產(chǎn)中的核心設(shè)備，與綠色制造是緊密相關(guān)的。在壓縮機(jī)產(chǎn)品設(shè)計、材料技術(shù)、加工制造、運(yùn)行維護(hù)和節(jié)能改造等方面通過技術(shù)升級以及新產(chǎn)品的開發(fā)，來實(shí)現(xiàn)綠色制造，最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

綠色制造；壓縮機(jī)；經(jīng)濟(jì)效益；社會效益

0 引言

綠色制造，又稱環(huán)境意識制造、面向環(huán)境的制造等。它是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源效益的現(xiàn)代化制造模式，其目標(biāo)是使產(chǎn)品從設(shè)計、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報廢處理的整個生命周期中，廢棄資源和有害排放物最小，符合環(huán)境保護(hù)要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，節(jié)約資源和能源，使資源利用率最高，能源消耗最低[1]。綠色制造是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在制造業(yè)中的體現(xiàn)，也就是說，綠色制造是現(xiàn)代制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展模式。

中國制造業(yè)總量已超過美國，居世界第一。但是，工業(yè)裝備運(yùn)行故障多、效率低是影響中國制造業(yè)大部分企業(yè)效益的重要原因之一。我國不能總是依靠擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模來實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的，必須落實(shí)安全生產(chǎn)和節(jié)約優(yōu)先的方針，充分發(fā)揮現(xiàn)有裝備的作用，實(shí)施工業(yè)裝備全壽命綠色化和智能化工程科技發(fā)展戰(zhàn)略快速增長[2]。壓縮機(jī)特別是工業(yè)用壓縮機(jī)作為提供壓縮氣體的高效節(jié)能設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。以離心壓縮機(jī)（圖1）為例，在重大化工裝置、氣體輸送和液化等領(lǐng)域，離心壓縮機(jī)都是最關(guān)鍵的核心設(shè)備之一，已經(jīng)成為體現(xiàn)國家裝備制造業(yè)水平的一個標(biāo)志[3-5]。在壓縮機(jī)的制造過程中實(shí)現(xiàn)綠色制造，是未來發(fā)展的一個必然趨勢，通過綠色制造，可以促使企業(yè)不斷開發(fā)高性能、高可靠性的壓縮機(jī)產(chǎn)品，積極開發(fā)和應(yīng)用綠色材料；同時，應(yīng)用綠色加工技術(shù)來提高材料的利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，減少加工過程中對環(huán)境的污染；努力發(fā)展綠色再制造技術(shù)，降低能源消耗，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

圖1 離心壓縮機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the compressor

本文從壓縮機(jī)的設(shè)計、材料、加工制造、運(yùn)行維護(hù)以及節(jié)能改造等方面，對綠色制造在壓縮機(jī)產(chǎn)品中的應(yīng)用進(jìn)行了多方面的闡述。在總結(jié)了現(xiàn)有技術(shù)的同時，也展望了今后壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，為今后綠色制造在壓縮機(jī)產(chǎn)品中更好地應(yīng)用指明了方向。

1 產(chǎn)品設(shè)計

1.1 節(jié)能高效

大型機(jī)組的耗功向10萬kW等級發(fā)展，如果機(jī)組效率能夠提高一個百分點(diǎn)，耗功指標(biāo)就會減少1 000kW，用戶每年就會多出幾百萬元的利潤，所以節(jié)能降耗是企業(yè)的生存之本，同時也是提高企業(yè)自主創(chuàng)新能力的基本著力點(diǎn)。站在壓縮機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)的角度，需要考慮最大限度地減少流動損失、漏氣損失、機(jī)械損失等各類損失。而為了減少這些損失，則需要從多方面努力，才能達(dá)到壓縮機(jī)的節(jié)能高效。

1）模型級開發(fā)方面

為了提高效率，減少機(jī)組功率消耗，為用戶節(jié)約運(yùn)行成本，需要增加模型級的“密度”，減少模型級系列在流量系數(shù)變化的步長，從而使壓縮機(jī)的每一級都能選到高效率基本級，進(jìn)而提高整機(jī)的計算效率；不只開發(fā)通用模型級，還要針對從輕到重不同分子量的介質(zhì)、不同的機(jī)組類型開發(fā)不同的專用模型級，使模型級的效率優(yōu)勢發(fā)揮到極致；通過拓寬模型級曲線范圍，使壓縮機(jī)機(jī)組具有更寬廣的操作范圍，使得機(jī)組在變工況下運(yùn)行時效率水平不發(fā)生明顯的降低，提高機(jī)組多工況運(yùn)行的適應(yīng)能力。

2）靜止部件優(yōu)化

通過對流道中各靜止部件的優(yōu)化，減少因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導(dǎo)致額外增加的流動損失、分離損失，從而減少額外的功率消耗。其中包括：進(jìn)氣蝸殼、排氣蝸殼、加氣蝸殼、抽氣蝸殼、管路變徑、彎道整流、以及支撐、筋板等結(jié)構(gòu)件對流動的影響。

3）關(guān)注級間影響的研究

對于一臺完整的壓縮機(jī)組來說，如果相鄰兩級的性能匹配不好，就不可能做到整機(jī)的高效率。所以對于模型級葉輪，不能僅僅考慮單級性能，要考慮級與級的連接對整機(jī)性能的影響。尤其要考慮上一級出口流場品質(zhì)對下一級產(chǎn)生影響的程度，盡量將不均勻性降到最小。

4）機(jī)組氣動方案優(yōu)化

一臺壓縮機(jī)產(chǎn)品的氣動選型方案不是唯一的，需要通過周密的綜合考慮，為用戶提供能耗最低、成本最小的解決方案：

a.等溫壓縮時壓比分配與冷卻次數(shù)的設(shè)定及成本對比研究；

b.不同機(jī)型方案功耗與成本對比研究；

c.同種機(jī)型時應(yīng)用不同模型級匹配方案的對比研究；

d.同種機(jī)型不同級數(shù)方案成本對比及轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性研究；

方案優(yōu)化可以通過利用設(shè)計者的經(jīng)驗(yàn)，對不同方案對比來得到，也可以通過選型軟件的優(yōu)化算法自動得到。

5）降低泄漏損失

密封泄漏與壓縮機(jī)機(jī)組氣動方案、結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化一樣，也是影響離心壓縮機(jī)機(jī)組效率的關(guān)鍵因素。與眾多影響因素比較而言，采用先進(jìn)密封技術(shù)，通過降低密封泄漏量來提高效率是最直接也是最有效的手段[6]。

a.工程塑料密封

工程塑料密封(如圖2所示)的應(yīng)用將迷宮密封從金屬材料時代跨入非金屬材料時代，采用工程塑料，并通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可使密封的性能得到顯著提升。利用工程塑料的低硬度、高彈性及強(qiáng)度適中的特點(diǎn)，密封間隙較軟,金屬密封間隙進(jìn)一步降低。該密封最大的優(yōu)點(diǎn)是密封間隙的維持，即當(dāng)梳齒與轉(zhuǎn)子碰撞時，塑料梳齒可發(fā)生暫時的彈性變形，然后恢復(fù)到原有的幾何狀態(tài)，這樣梳齒和轉(zhuǎn)子不會被磨損，間隙得以維持。性能對比測試結(jié)果顯示，利用工程塑料密封，單級效率可提高0.5%～1%。

圖2 工程塑料密封圖Fig.2 Engineering plastics seal

b.機(jī)械用碳密封

機(jī)械用碳密封是以改性機(jī)械用碳材料作為密封功能材料的一種密封，密封采用金屬與機(jī)械用碳一體的方式制作。利用機(jī)械用碳材料的低硬度、自潤滑性能實(shí)現(xiàn)密封的低間隙運(yùn)轉(zhuǎn)，減少氣體泄漏量。利用金屬材料的強(qiáng)度保證密封的整體剛性。機(jī)械用碳密封的泄漏量遠(yuǎn)低于普通梳齒密封。

6）降低機(jī)械損失

機(jī)械損失也是影響整機(jī)效率的因素之一，降低機(jī)械損失可以從多個方面入手，以軸承為例，可以從以下幾個方面來達(dá)到節(jié)能降耗的目的：

a.注重?zé)o油綠色軸承的應(yīng)用

電磁軸承(圖3)和動壓氣體軸承(圖4)均屬于非機(jī)械接觸式軸承，具有不需油潤滑、綠色環(huán)保無污染、損失小等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前這兩類軸承在小功率的鼓風(fēng)機(jī)方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

b.改進(jìn)傳統(tǒng)軸承結(jié)構(gòu)，減小潤滑油量，降低功耗

通過開發(fā)節(jié)油軸承系列，改進(jìn)軸承進(jìn)油和噴油方式，改善了軸承的散熱條件，降低了軸承的潤滑油量，減少了功率損失，降低了軸瓦溫度。例如沈鼓集團(tuán)目前應(yīng)用的節(jié)油軸承，與傳統(tǒng)軸承相比，其潤滑油量可減少25%～35%，功率損失可減少30%～40%，推力軸承的瓦溫下降最高可達(dá)15℃。

圖3 電磁軸承圖Fig.3 Magnetic bearing

圖4 氣體軸承圖Fig.4 Gas bearing

1.2 安全可靠

從綠色制造的概念里可以看出，產(chǎn)品的功能和質(zhì)量是綠色制造的前提和基礎(chǔ)。一個無法保證安全平穩(wěn)運(yùn)行的產(chǎn)品談不上綠色環(huán)保。設(shè)備能夠安全可靠的運(yùn)行不僅能夠降低維修成本，延長產(chǎn)品的使用周期，更是提升了安全指數(shù)，避免惡性事故的發(fā)生。可以說，只有在保證了設(shè)備的安全可靠，才能真正的實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的共同提升。

API標(biāo)準(zhǔn)[7]中要求，離心壓縮機(jī)產(chǎn)品（包括輔助設(shè)備）的設(shè)計和構(gòu)成應(yīng)確保其最短使用壽命為20年，不間斷連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時間至少為5年。一般來說，在生產(chǎn)流程里離心壓縮機(jī)是唯一的動力設(shè)備，一旦壓縮機(jī)有故障，整個生產(chǎn)裝置不得不停產(chǎn)[8]。

壓縮機(jī)的安全可靠體現(xiàn)在兩個方面：一是安全，要保證機(jī)組的服役周期和使用壽命；二是平穩(wěn)，要保證機(jī)組振動等一系列動力學(xué)指標(biāo)限制在一定水平之下。為了達(dá)到這樣一個目標(biāo)，除了借助于產(chǎn)品設(shè)計運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以外，相應(yīng)的分析驗(yàn)證不可忽略。在壓縮機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計過程中，在安全可靠性分析方面需要關(guān)注的問題大致可分為兩個方面：

1）關(guān)鍵零部件完整性評估

葉輪、機(jī)殼、管路等壓縮機(jī)關(guān)鍵零部件需要進(jìn)行強(qiáng)度和變形分析以滿足其強(qiáng)度和剛度要求。對于這部分分析，在具備成熟的一般性分析技術(shù)的同時，也需要不斷開發(fā)新的分析技術(shù)，以滿足不同機(jī)組的運(yùn)行要求、滿足解決新問題的特定要求。

目前，CAE軟件在工程和產(chǎn)品設(shè)計過程中得到了廣泛的應(yīng)用，壓縮機(jī)各零部件在常規(guī)載荷下的動力學(xué)和靜力學(xué)特性可以比較容易得到，包括：應(yīng)力、變形、彈塑性、固有頻率等一系列結(jié)果[9-12]。不同的壓縮機(jī)企業(yè)，依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，確定相應(yīng)的判別校核準(zhǔn)則：通過校核，進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計工作；若不能通過，再次進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，直至通過為止。

圖5 葉輪強(qiáng)度分析Fig.5 Strength analysis of the impeller

上述分析能夠滿足壓縮機(jī)的基本運(yùn)行要求，但隨著能源化工以及其它相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，常規(guī)分析已經(jīng)不能滿足壓縮機(jī)的安全性分析。對于大型化和高參數(shù)化的壓縮機(jī)組，與以往傳統(tǒng)壓縮機(jī)相比，在安全可靠性方面呈現(xiàn)兩個顯著特點(diǎn)：一是靜力學(xué)和動力學(xué)特性發(fā)生了變化；二是結(jié)構(gòu)場、溫度場、流場、聲場等多場耦合效應(yīng)表現(xiàn)更為突出。這也帶來了有關(guān)機(jī)組服役壽命方面的新的問題，這些問題并不僅僅出現(xiàn)在個別壓縮機(jī)企業(yè)，而是全世界范圍內(nèi)的行業(yè)共性難題。比如：在流固熱耦合作用下以及寬運(yùn)行工況下的葉輪/葉片這樣核心做功部件的疲勞損傷問題[13-15]；在流聲固耦合作用下的管路的振動問題[16-17]，等等。

圖6 高頻管路振動Fig.6 High frequency pipe vibration

2）轉(zhuǎn)子振動分析

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動問題可能有如下的幾種表現(xiàn)形式：

a.一般性振動：無法避免，可以抑制；

b.共振，包括：彎曲振動、扭轉(zhuǎn)振動以及彎扭耦合振動。這類振動在轉(zhuǎn)子設(shè)計時是應(yīng)該避免的；

c.動力失穩(wěn)：轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性是指轉(zhuǎn)子在受到某種擾動后能否恢復(fù)到原來狀態(tài)的能力[18]。轉(zhuǎn)子振動異常并不僅僅變現(xiàn)為振動幅值的加大，還會產(chǎn)生轉(zhuǎn)定子碰磨、軸承損壞、連鎖停機(jī)以及轉(zhuǎn)子疲勞破壞等嚴(yán)重后果。

對于轉(zhuǎn)子振動分析，在理論分析的同時加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于成熟的轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性分析軟件，在設(shè)計階段即可預(yù)測轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性；同時采用包括阻尼軸承[19]、阻尼密封、阻旋柵[20-21]、反旋流裝置[22-23]等技術(shù)手段可以有效提高轉(zhuǎn)子的運(yùn)行穩(wěn)定性。

1.3 減振降噪

圖7 轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)圖Fig.7 Rotor unbalance response

圖8 阻旋柵和反旋流裝置Fig.8 Swirl brakes and anti-prerotation devices

噪聲是壓縮機(jī)的排放物之一，它不能避免，但可以抑制。透平機(jī)械的噪聲是體現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力的重要指標(biāo)。

一般情況下，一個完整的聲學(xué)系統(tǒng)由聲源、傳播介質(zhì)、接收者三個部分組成。為了降低透平機(jī)械噪聲，需要進(jìn)行以下三個方面研究工作：

“源”，即深入研究透平機(jī)械噪聲產(chǎn)生的機(jī)理。

“傳”，即深入研究透平機(jī)械噪聲傳播的機(jī)理。

“控”，在深入了解“源”和“傳”機(jī)理的基礎(chǔ)上有針對性的提出降噪措施。

圍繞這三方面研究工作，重點(diǎn)提高低噪聲設(shè)計、制造工藝和測試分析技術(shù)水平。通過整機(jī)和關(guān)鍵部件聲學(xué)計算與仿真技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能設(shè)計與減振降噪基礎(chǔ)理論相結(jié)合，提高設(shè)備低噪聲設(shè)計水平。

2 材料技術(shù)

材料的使用對于制造技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)綠色制造而言是非常關(guān)鍵的，這是因?yàn)椴牧献鳛楫a(chǎn)品的物質(zhì)基礎(chǔ)，其特性是要跟隨產(chǎn)品的整個使用循環(huán)周期的。只有通過對高性能、低成本新材料開發(fā)的不斷探索，才能更大限度的增大綠色制造技術(shù)的生態(tài)效益。

2.1 低成本高性能材料的開發(fā)和應(yīng)用

1）高強(qiáng)鋁合金葉輪材料

高強(qiáng)鋁合金材料用于離心葉輪的制備具有如下的優(yōu)勢：

a.葉輪質(zhì)量輕，在大部分情況下可有效改善轉(zhuǎn)子的動力學(xué)特性；

b.尺寸相同時，鍛件成本低;

c.加工性好，加工成本低;

d.超高比強(qiáng)度，葉輪可用于更高的周速;

e.抗氫脆效果好。

在壓縮機(jī)產(chǎn)品上的應(yīng)用，確實(shí)起到了降低成本、減小消耗的作用；

2）耐腐蝕新材料研究

腐蝕介質(zhì)（如含濕硫化氫）下的機(jī)組通流部分性能保證，必須通過耐腐蝕材料的應(yīng)用來得到解決。腐蝕會顯著降低金屬材料的強(qiáng)度、塑性、韌性等力學(xué)性能，破壞金屬構(gòu)件的幾何形狀，縮短裝置的使用壽命，甚至造成災(zāi)難性事故。據(jù)統(tǒng)計，發(fā)達(dá)國家每年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約占國民生產(chǎn)總值的2%～4%，每年由于金屬腐蝕造成的鋼鐵損失約占當(dāng)年鋼產(chǎn)量的10%～20%，美國每年因腐蝕要多消耗3.4%的能源。我國作為發(fā)展中國家，這一情況顯然會更加嚴(yán)峻。

低成本耐腐蝕材料的應(yīng)用可以在不加大材料成本的前提下，有效降低腐蝕誘發(fā)的風(fēng)險，避免損失。

3）超高強(qiáng)度鋼的研究和應(yīng)用

高強(qiáng)度材料具有更好的承載性能，該材料用于葉輪制造上，可進(jìn)一步提高葉輪周速，提高單級壓比，也使得壓縮機(jī)機(jī)組減少級數(shù)、縮小尺寸、降低成本成為可能。

2.2 材料制備新工藝的開發(fā)與應(yīng)用

在大型及超大型金屬部件毛坯料制備過程中，如果采用傳統(tǒng)冶煉工藝，水口和冒口部分質(zhì)量差無法使用，每一個鋼錠水冒口均屬廢除部分。但是采用構(gòu)筑成型法[24](圖9)就可以完全避免該問題，使材料利用率提升25%～30%。

2.3 涂層技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用

圖9 構(gòu)筑成型法流程圖Fig.9 Flow diagram of construct-molding method

涂層可以保護(hù)材料基體不受傷害，延長產(chǎn)品的使用壽命和運(yùn)行穩(wěn)定性，是一種彌補(bǔ)材料基體性能劣勢的有效手段。它可以在不增加原材料成本的基礎(chǔ)上將材料的使用壽命和性能得到進(jìn)一步提升，提高資源利用率，是綠色制造概念不可缺少的表面改性方法。

耐腐蝕防結(jié)垢涂層(圖10)。具有良好的耐腐蝕性，優(yōu)異的抗污垢能力，它能使金屬表面特別光滑，不粘性可以降低有機(jī)/無機(jī)附著物的粘結(jié)，非常有利于保證產(chǎn)品的氣動性能和機(jī)械性能。

耐磨涂層。表面強(qiáng)化耐磨涂層技術(shù)是提高材料耐磨、耐沖刷性的一個重要方法。根據(jù)不同介質(zhì)以及不同的使用要求?？梢杂卸鄠€涂層方案供選擇。有效降低粒子沖刷對葉輪葉片的磨損。

圖10 葉輪的涂層效果圖Fig.10 Effect of impeller coating

3 加工制造

3.1 加工工藝升級

不斷改進(jìn)原有的生產(chǎn)工藝，將過去高耗能、高污染的工藝進(jìn)行改良和替換，在產(chǎn)品制造過程中最大限度地減少環(huán)境污染，降低能耗，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

以三元閉式葉輪為例，采用整體加工工藝（葉輪整體銑制和電火花加工），與傳統(tǒng)的兩件焊接的葉輪相比，所用的鍛件材料僅為兩件焊接葉輪的一半。同時在加工效率、加工質(zhì)量以及后續(xù)的葉輪性能保證等方面都具有絕對優(yōu)勢。有效控制了產(chǎn)品的成本。

近些年，3D打印技術(shù)迅速崛起并逐漸在制造業(yè)中顯露頭角。美國《時代》周刊也將3D打印列為“美國十大增長最快的工業(yè)”[25]。3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)的“減材制造”相比，從原理上它就貫徹了綠色制造的概念，基本實(shí)現(xiàn)了材料的零損耗，避免了傳統(tǒng)加工工藝因切削、成型而需要附加的成本和能源消耗，用料只有傳統(tǒng)工藝的1/3～1/2，制造速度卻快了3～4倍[26]，實(shí)現(xiàn)了省材、節(jié)能、環(huán)保的目標(biāo)。圖11為采用3D打印技術(shù)制造的葉輪。

圖11 3D打印葉輪圖Fig.11 Impeller with 3D printing

3.2 工藝仿真技術(shù)

采用工藝模擬技術(shù)將數(shù)值仿真、物理模擬、實(shí)驗(yàn)測試和專家系統(tǒng)相結(jié)合，確定最佳工藝參數(shù)、確定最優(yōu)工藝方案，預(yù)測不同工藝過程中可能產(chǎn)生的異常問題，找到有效的控制措施，將隱患消滅在計算機(jī)模擬加工的反復(fù)試驗(yàn)過程當(dāng)中。就能有效控制和保證加工工件的質(zhì)量，達(dá)到綠色制造的目的。

數(shù)值仿真方法在規(guī)律性、趨勢性的研究方面具有準(zhǔn)確高效的優(yōu)勢。目前在材料制備、材料熱處理、焊接、切削加工等多個工藝過程中應(yīng)用了數(shù)值仿真手段。它對解決部件尺寸的大型化，縮短研究周期、減少材料使用、減少實(shí)驗(yàn)消耗、減少經(jīng)費(fèi)開銷會起到極為關(guān)鍵的作用。

圖12 澆注時間結(jié)果圖Fig.12 Result of pouring time

4 運(yùn)行維護(hù)

壓縮機(jī)組各類性能的實(shí)際表現(xiàn)要看現(xiàn)場運(yùn)行的具體狀態(tài)，一個機(jī)組既要有優(yōu)良的先天的設(shè)計性能，又要有不打折扣的后天的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)表現(xiàn)。一旦壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常或發(fā)生突發(fā)故障，將導(dǎo)致生產(chǎn)線或生產(chǎn)設(shè)備停機(jī)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重的甚至造成爆炸，對企業(yè)的人員和設(shè)備造成嚴(yán)重破壞后果。因此，對關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和故障診斷一直備受重視[27]。

圖13 沈鼓集團(tuán)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控服務(wù)圖Fig.13 Remoteonline monitoring service of SBW

對于機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的評估至少可以從兩個方面著手：一個是通過結(jié)構(gòu)動力學(xué)的指標(biāo)來評估機(jī)組是否在健康狀態(tài)運(yùn)行；二是通過熱力學(xué)參數(shù)來評估是否發(fā)揮了最大的效能。

4.1 設(shè)備健康狀態(tài)在線監(jiān)控及故障診斷

壓縮機(jī)的機(jī)械性能故障主要表現(xiàn)為異常的響聲、振動及過熱等?？赡艿漠a(chǎn)生原因有：轉(zhuǎn)子不平衡，半速渦動及油膜振蕩、轉(zhuǎn)子不對中、共振、部件松動、轉(zhuǎn)子與定子摩擦、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)缺陷與裂紋、軸承缺陷等[27]。

通過遠(yuǎn)程在線故障檢測，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)、信息共享。由數(shù)據(jù)驅(qū)動，機(jī)組事件觸發(fā)服務(wù)行動，再經(jīng)過事件篩查、分析診斷、專家會診、生成解決方案、實(shí)施方案等服務(wù)環(huán)節(jié)，為用戶提供集成化、一站式服務(wù)。

4.2 壓縮機(jī)熱力性能監(jiān)測與調(diào)節(jié)

壓縮機(jī)的熱力性能故障，如排氣量不足、壓力不正常、溫度異常等，比機(jī)械性能故障發(fā)生的更為頻繁，這也是壓縮機(jī)的故障診斷與旋轉(zhuǎn)機(jī)械相比所特有的一面。關(guān)于這方面的問題，已經(jīng)得到了包括壓縮機(jī)用戶、壓縮機(jī)生產(chǎn)企業(yè)、專家學(xué)者等在內(nèi)的方方面面越來越多的關(guān)注，通過壓縮機(jī)熱力性能遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與調(diào)節(jié)無疑是一條重要的解決途徑。

圖14 熱力性能監(jiān)測圖Fig.14 Performance monitoring diagram

以沈鼓集團(tuán)的在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)可以通過監(jiān)測機(jī)組現(xiàn)場運(yùn)行的熱力性能參數(shù)，通過預(yù)置的特定算法，在線對機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析評估，判斷機(jī)組是否在高效區(qū)運(yùn)行，同時給出如何提升機(jī)組運(yùn)行效能的解決方案，根據(jù)實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)，推薦最佳效率工況，為系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)。

5 節(jié)能改造

壓縮機(jī)市場經(jīng)過多年長期的發(fā)展，增量市場增速已經(jīng)明顯放緩，作為壓縮機(jī)制造企業(yè)，不論是從企業(yè)生存發(fā)展角度，還是從節(jié)能降耗的戰(zhàn)略角度，都必須高度重視存量市場，把近些年來的新技術(shù)應(yīng)用于已有機(jī)組的節(jié)能改造。

目前，大多數(shù)企業(yè)對節(jié)能改造技術(shù)重視不夠，特別是關(guān)鍵機(jī)組無備臺，節(jié)能改造風(fēng)險較大。而有些企業(yè)則對效率低下的機(jī)組成功進(jìn)行了綠色再制造，均在當(dāng)年回收成本，節(jié)能效果十分明顯。

節(jié)能改造案例一：某公司乙烯裝置擴(kuò)容改造，從64萬噸/年到74萬噸/年的擴(kuò)容改造，改造后的壓縮機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，整機(jī)效率照比原來現(xiàn)場運(yùn)行工況提高了約6%，估算壓縮機(jī)改造后可以節(jié)省約1 700kW，年運(yùn)行成本節(jié)省約952萬元，節(jié)能效益顯著。

節(jié)能改造案例二：某公司進(jìn)口機(jī)組改造，機(jī)組改造成功后，壓縮機(jī)軸功率可以節(jié)省約3 200kW,年運(yùn)行成本節(jié)省約1 792萬元，其節(jié)能效益十分可觀。改造前后性能對比如表1所示。

表1 機(jī)組改造前后壓縮機(jī)能耗對比表Tab.1 Comparison of compressor energy consumption between before and after modification

6 總結(jié)和展望

對綠色環(huán)保的追求是沒有止境的，對于機(jī)械行業(yè)來講，未來幾十年的最大的發(fā)展趨勢就是綠色制造，這是挑戰(zhàn)，更是機(jī)遇。

壓縮機(jī)行業(yè)應(yīng)繼續(xù)秉承綠色制造的理念，結(jié)合國家的政策要求，持續(xù)開展與重大技術(shù)裝備相關(guān)的綠色制造核心關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，加快綠色制造技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的速度。在今后，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下三個發(fā)展方向：

1）不斷推出節(jié)能高效的綠色產(chǎn)品。這是維系企業(yè)生存和發(fā)展需要永恒追求的目標(biāo)；

2）持續(xù)加強(qiáng)綠色制造技術(shù)創(chuàng)新。將綠色制造的理念落實(shí)到產(chǎn)品制造的每一個環(huán)節(jié)，不斷開發(fā)新的技術(shù)；

3）大力擴(kuò)展產(chǎn)品在綠色環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用。關(guān)注國家的政策方針，不斷加強(qiáng)產(chǎn)品在新能源開發(fā)、清潔能源開采、能量回收以及綠色再制造等各類環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用。

[1]劉瑞素，郭蘭申，王陽，等.綠色設(shè)計和綠色制造是機(jī)械行業(yè)的發(fā)展趨勢[J].江蘇機(jī)械制造與自動化,2001(4)：8-13.

[2]高金吉，楊國安.流程工業(yè)裝備綠色化、智能化與在役再制造[J].中國工程科學(xué),2015，17(7):54-62.

[3]Ludtke K H.Process centrifugal compressors:basics,function, operation,design,application[M].Berlin:Springer,2004.

[4]Bloch H P,Soares C.Process Plant Machinery[M].USA:Butterworth Heinemann，1998.

[5]Bloch H P.A practical guide to compressor technology[M].USA: Wiley-Interscience Hoboken，2006.

[6]李燕坡，王吉鵬，曹彥恒，等.離心式壓縮機(jī)密封技術(shù)的應(yīng)用綜述[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2011（6）:58-62.

[7]API Standard 617.Axial and centrifugal compressors and expandercompressors for the petroleum chemical and gas industry,eighth Edition[S].2014.

[8]王學(xué)軍，葛麗玲，譚佳健.我國離心壓縮機(jī)的發(fā)展歷程及未來技術(shù)發(fā)展方向[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2015（3）:65-77.

[9]何奕為，黨冰潔，王彤.基于Solidworks軟件的閉式葉輪強(qiáng)度分析[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2017（2）:43-47.

[10]王躍方，劉艷，郭婷.離心式壓縮機(jī)葉輪非定常流動特性及動力響應(yīng)研究進(jìn)展[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2016（5）:81-87.

[11]冀春俊，高亞威，孫琦.基于ANSYS的離心風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2016（6）:49-52.

[12]郭婷，王睿，趙曉娜，等.基于反應(yīng)譜法的離心式壓縮機(jī)抗震分析[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2016（4）:28-33.

[13]陳海霞，祁文軍，王良英，等.基于流固耦合的風(fēng)機(jī)葉輪疲勞特性研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2015（12）:31-34.

[14]Kim Deok Su,Jung Won Young,Jung Jintai.Stress analysis of the blade joint for a small wind turbine[J].Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers,2012,36(1):117-124.

[15]栗玉領(lǐng)，徐勝利，楊樹華，等.非典型氣動載荷下壓縮機(jī)葉輪疲勞強(qiáng)度分析[J].機(jī)械工程學(xué)報,2015,51(9):82-89.

[16]王胤龍，全紅飛，李慧峰，等.葉輪與葉片擴(kuò)壓器耦合引起管路振動分析[J].中國設(shè)備工程,2014（8）:48-50.

[17]謝舜敏.壓縮機(jī)出口管路振動故障分析及減振措施[J].壓縮機(jī)技術(shù),2005（5）:35-39.

[18]楊國安.旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷實(shí)用技術(shù)[M].北京：中國石化出版社，2012.

[19]辛海濤.可傾瓦阻尼軸承的開發(fā)和應(yīng)用[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2017（2）: 71-75.

[20]孫丹，王雙，艾延延，等.阻旋柵對密封靜力與動力特性影響的數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)研究[J].航空學(xué)報,2015,36(9):3002-3011.

[21]Toshiya Kimura,Satoshi Kawasaki,Mitsuru Shimagaki,etal.Effects of swirl brakes on the leakage flow between the casing and the shroud of a centrifugal impeller[C].Proceedings of theASMEJSME-KSME 2011 Joint Fluids Engineering ConferenceAJKFluid 2011.

[22]E.A.Memmott.Stability analysis and testing of a train of centrifugal compressors for high pressure gas injection[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,1999,121(3):509-514.

[23]孫丹，肖忠會，孟繼綱,等.反預(yù)旋密封動力特性實(shí)驗(yàn)研究[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2016（1）:29-34.

[24]孫明月，徐斌，夏立軍，等.用于金屬構(gòu)筑成形制造工藝的制造系統(tǒng)[P].中國專利,CN105537749A,2016-05-04.

[25]李小麗,馬劍雄,李萍，等.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢[J].自動化以表,2014,35(1):1-5.

[26]曾光，韓志宇，梁書錦，等.金屬零件3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究[J].中國材料進(jìn)展,2014,33(6):376-382.

[27]吳文莉.壓縮機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷技術(shù)研究[J].控制技術(shù), 2012（5）:31-36.

Green Manufacturing of Industrial Compressor Products

Shu-hua Yang1,2Xing-yu Tai1,3Yong Zhang1Yu-ying Sun1
(1.Shenyang Blower Works Group Corporation 2.School of Energy and Power Engineering,Dalian University of Technology 3.School of Mechanical Engineering,Tsinghua University)

Green manufacturing is an upgrade of traditional manufacturing.With an ensured machinery manufacturing standard,the enterprise economic profit is increased by enhancing the efficiency of the resource management and by a resource-environmental protection control concept.As a core equipment of industrial process,the compressor is closely connected to green manufacturing.Green manufacturing is realized by technology upgrading and development of new products in the compressor design,material technology,processing and manufacturing,operating maintenance and energy conservation. The connection between enterprise economic profit and the social benefit with the coordination and optimization of green manufacturing are shown in this paper.

green manufacturing,compressor,economic profit,social benefit

TH452；TK05

1006-8155-(2017)04-0060-08

A

10.16492/j.fjjs.2017.04.0010

遼寧省博士啟動基金（201501081），《天然氣液化用大型混合冷劑壓縮機(jī)研制》項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝[2014]500號)

2017-04-05 遼寧 沈陽 110869