離心式真空機(jī)的擴(kuò)容研究及改造

沙朝建，楊東洋

(江蘇蘇鹽井神股份有限公司第三分公司，江蘇淮安 223000)

真空機(jī)是純堿制造企業(yè)重堿過濾工序的重要設(shè)備，是出堿液固液分離的真空動(dòng)力源設(shè)備。蘇鹽井神三分公司(下稱三分公司)濾過工序擁有2臺(tái)法國(guó)RPA公司生產(chǎn)的真空水平帶式濾堿機(jī)(下稱帶濾機(jī))，自投產(chǎn)以來，由2臺(tái)D630-31離心式真空機(jī)提供真空，該真空機(jī)有著結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定、周期長(zhǎng)以及檢修工作量少等優(yōu)點(diǎn)。2017年三分公司計(jì)劃新增1臺(tái)帶濾機(jī)，原有2臺(tái)真空機(jī)打氣量將無法滿足3臺(tái)帶濾機(jī)同時(shí)運(yùn)行需求。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備布置情況，三分公司決定對(duì)現(xiàn)有真空機(jī)進(jìn)行擴(kuò)容改造，增加吸入流量，提高真空度，滿足生產(chǎn)的需要。

1 D630-31離心式真空機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能

D630-31離心式真空機(jī)本體采用單吸入三級(jí)雙支撐結(jié)構(gòu)，由定子、轉(zhuǎn)子、底座、軸承、多級(jí)密封等構(gòu)成，見圖1結(jié)構(gòu)圖。輔助裝置包括潤(rùn)滑系統(tǒng)、增速箱、電機(jī)等設(shè)備。該真空機(jī)匹配900 kW高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過增速箱和膜片聯(lián)軸器連接，氣體進(jìn)出口位于定子兩端，方向垂直向下，機(jī)殼從中間垂直和水平方向分成4瓣，平時(shí)檢修只需拆裝水平剖分面的上機(jī)殼即可更換轉(zhuǎn)子和軸瓦。該真空機(jī)不需要中間冷卻器，吸入氣體通過三級(jí)壓縮后直接排空。

圖1 D630-31離心式真空機(jī)結(jié)構(gòu)圖

基本工作原理為：當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪吸氣室內(nèi)的氣體也跟著旋轉(zhuǎn)，并在離心力的作用下被高速甩出，氣體溫度、速度和溫度都得到提高。進(jìn)入擴(kuò)壓器后氣體流速下降而壓力提高，接著經(jīng)過彎道和回流器被下一級(jí)葉輪吸氣室吸入，氣體再次被高速甩出，再被壓縮。以此類推，最終通過排氣口排出氣體。葉輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)，濾過尾氣被不斷的吸入。由于濾餅覆蓋在濾布上使得氣相管線形成相對(duì)封閉空間，最終形成一定的真空度。但物料在過濾、洗滌、干燥階段一直伴隨著空氣的滲透，便形成濾過尾氣。帶濾機(jī)的真空度越大，濾餅層上下的壓差就越大，對(duì)降低鹽分和水分越有利。所以，真空機(jī)要有足夠的打氣能力維持生產(chǎn)所必需的真空度。

離心式真空機(jī)也有一些缺點(diǎn)。比如：操作區(qū)間小，只適合在大中流量情況下使用，在生產(chǎn)減量或關(guān)小進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥時(shí)，則容易進(jìn)入喘振區(qū)，需要開啟吸空閥避免喘振；對(duì)氣體的介質(zhì)成分要求比較高，工況下尾氣中會(huì)夾帶少量的NH3、CO2以及水，如不除去，則會(huì)在葉輪上形成結(jié)疤破壞轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡，導(dǎo)致振動(dòng)值升高直至停機(jī)檢修。三分公司的濾過尾氣經(jīng)過了氣液分離器、尾氣洗滌塔、汽水分離以及尾氣總管導(dǎo)淋排水四個(gè)步驟凈化，幾乎除去了全部的水汽和氨氣，以保證真空機(jī)的穩(wěn)定持久運(yùn)行。

D630-31型離心式真空機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 真空機(jī)改造前后的技術(shù)參數(shù)

2 擴(kuò)容改造的要求

由于系統(tǒng)中的管道、洗滌塔等會(huì)產(chǎn)生阻力降，為了給帶濾機(jī)提供足夠的真空度，真空機(jī)入口真空應(yīng)保證70 kPa以上，以盡可能的降低重堿水分。根據(jù)設(shè)備資料得知，氣液分離罐真空度60 kPa，帶濾機(jī)的透氣量為25 000 m3/h。通過計(jì)算得知，2臺(tái)真空機(jī)帶2臺(tái)帶濾機(jī)運(yùn)行時(shí)，透氣余量只有約206 m3/min(吸入狀態(tài))，無法滿足3臺(tái)帶濾機(jī)同時(shí)運(yùn)行的生產(chǎn)要求。真空機(jī)需要擴(kuò)容至少345 m3/min(吸入狀態(tài))的抽氣量才能保證3臺(tái)帶濾機(jī)的同時(shí)運(yùn)行。

3 擴(kuò)容改造的方案選擇

三分公司的2臺(tái)真空機(jī)長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行，沒有備用機(jī)組，此次擴(kuò)容改造利用停產(chǎn)檢修機(jī)會(huì)實(shí)施，改造時(shí)間要求一個(gè)星期內(nèi)。另外，本次改造預(yù)算較少，將利用公司閑置的一臺(tái)1 250 kW高壓電機(jī)。

常見的壓縮機(jī)擴(kuò)容方案有：

1)重新選用一臺(tái)滿足擴(kuò)容要求的機(jī)組替代原有機(jī)組或新增一臺(tái)規(guī)格相當(dāng)?shù)臋C(jī)組進(jìn)行多機(jī)并聯(lián)；

2)提高進(jìn)口壓力或增加前置段；

3)高壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速，提高壓縮機(jī)軸功率；

4)局部改造，提高流通部件尺寸或幾何角度。

方案優(yōu)選：

首先，受限于公司原機(jī)組配置、工藝要求、現(xiàn)場(chǎng)位置以及費(fèi)用等因素，新增機(jī)組替換、并聯(lián)或增加前置段的方案無法實(shí)現(xiàn)。其次，增加轉(zhuǎn)速受多方面條件限制，一是臨界轉(zhuǎn)速限制了允許工作轉(zhuǎn)速的范圍，該真空機(jī)的一階臨界轉(zhuǎn)速2 134 r/min，二階轉(zhuǎn)速為10 750 r/min。根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速規(guī)定，工作轉(zhuǎn)速n為1.3n1

根據(jù)該真空機(jī)預(yù)期性能曲線得知，如圖2所示，在抽氣量小于設(shè)計(jì)值時(shí)，隨著流量不斷增大，真空機(jī)入口真空基本保持不變，軸功率逐漸上升；但是，當(dāng)抽氣量超過設(shè)計(jì)值后，真空機(jī)的入口真空度則顯著下降，軸功率基本不再增加。所以只加大電機(jī)功率的方案是不可取的。

圖2 D630-31真空機(jī)預(yù)期性能曲線圖

最后，三分公司考慮對(duì)真空機(jī)的轉(zhuǎn)子部分和流通組件進(jìn)行局部改造的方案，達(dá)到擴(kuò)容目的。經(jīng)過與設(shè)備廠家的溝通和分析，確認(rèn)了D630-31真空機(jī)具備良好的擴(kuò)容改造條件，通過局部改造，可以實(shí)現(xiàn)吸入流量從原來655 m3/min提高至950 m3/min，能力提高45%，基本上可以滿足生產(chǎn)的要求。該方案有著費(fèi)用低、改造時(shí)間短、設(shè)備效率高、技術(shù)可靠、見效快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以利用上閑置的舊電機(jī)。最終，公司決定采用此方案對(duì)其中的一臺(tái)真空機(jī)進(jìn)行擴(kuò)容改造。

4 局部改造的理論簡(jiǎn)介

葉輪是離心式壓縮機(jī)的核心氣動(dòng)部件，是唯一對(duì)氣體做功的部件。葉輪內(nèi)部流動(dòng)的好壞直接決定著整機(jī)的性能和效率。葉輪內(nèi)部的流動(dòng)受到葉輪旋轉(zhuǎn)、葉片形狀、葉頂間隙等諸多因素的影響，是一種非常復(fù)雜的粘性、三元、可壓縮、非定常的流動(dòng)，內(nèi)部流場(chǎng)很難直接求解出來。我國(guó)曾先后經(jīng)歷了一元流、二元流和三元流的理論設(shè)計(jì)階段。D630-31離心式真空機(jī)源于上世紀(jì)70年代末的意大利新比隆技術(shù)，受當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的條件所限，只能采用二元?dú)鈩?dòng)設(shè)計(jì)，葉輪為二元葉輪。這樣的好處是葉片造型簡(jiǎn)單，制造工藝簡(jiǎn)單，但葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)精度不高，流動(dòng)效率較低，穩(wěn)定工作范圍較窄。隨著我國(guó)生產(chǎn)制造水平不斷提高以及計(jì)算機(jī)水平的飛速發(fā)展，葉輪設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)由過去簡(jiǎn)單的一元流動(dòng)模型發(fā)展為現(xiàn)在更加科學(xué)的三元流動(dòng)理論設(shè)計(jì)。可以通過氣動(dòng)計(jì)算結(jié)果直接對(duì)葉輪、擴(kuò)壓器和回流器進(jìn)行電腦三維建模，并通過專業(yè)軟件對(duì)葉輪、擴(kuò)壓器和回流器進(jìn)行CFD流場(chǎng)分析計(jì)算，確保葉輪符合設(shè)計(jì)要求；葉輪加工技術(shù)也由過去的傳統(tǒng)放樣加工轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的高精度五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工。三元流加工出來的葉片在空間上是扭曲的，與氣體的實(shí)際流場(chǎng)邊界更加匹配，流動(dòng)損失降到最低，所以相比傳統(tǒng)二元葉輪效率得到了大幅提高，整機(jī)效率可達(dá)83%以上。

5 真空機(jī)擴(kuò)容改造的主要內(nèi)容

葉輪是轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵部件，直接關(guān)系到氣體流量大小和效率的高低。經(jīng)過三元流動(dòng)設(shè)計(jì)的葉輪，在葉輪出口寬度、進(jìn)口寬度、進(jìn)口直徑和葉片的形狀、角度等方便均有優(yōu)化。從現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比來看，葉輪進(jìn)、出口寬度更寬，葉輪進(jìn)口直徑更大，葉片有較大的扭曲度，葉輪軸向方向整體更寬?？傊?，葉輪內(nèi)部流道顯得更加寬闊順暢。轉(zhuǎn)子組上其他部件包括主軸、軸套、密封套、平衡盤、推力盤等未進(jìn)行改動(dòng)。轉(zhuǎn)子經(jīng)過氣動(dòng)計(jì)算、葉輪強(qiáng)度計(jì)算以及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，確保改造后的轉(zhuǎn)子既達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，又有足夠的強(qiáng)度。

隔板是構(gòu)成氣流通道的主要定子件，葉輪改動(dòng)后，隔板上的擴(kuò)壓器、彎道、回流器、口圈密封等尺寸也相應(yīng)做出了調(diào)整。

由于主軸尺寸未改變，所以原有的機(jī)殼、油封、軸瓦、級(jí)間密封、聯(lián)軸器等均可以利用，在各零部件完好的情況下，只需更換轉(zhuǎn)子組、隔板、葉輪口圈密封即可，所以改造過程簡(jiǎn)單快捷。關(guān)鍵在于舊隔板拆除，需要特制重錘才能從機(jī)殼上將隔板打出。真空機(jī)的舊隔板經(jīng)過八年連續(xù)使用，各部位情況很好，隔板拆除也較輕松，改造前后只用了3天時(shí)間。

擴(kuò)容后的真空機(jī)軸功率上升到998 kW。拆除原900 kW電機(jī)，安裝上了1 250 kW的閑置舊電機(jī)。

增速箱原功率為900 kW。因?yàn)樵鏊傧湓O(shè)計(jì)功率本身留有了較大的富裕量，綜合公司同系列增速箱改造后的實(shí)際使用情況，我們認(rèn)為該增速箱完全可以繼續(xù)在擴(kuò)容后的真空機(jī)上使用，所以未進(jìn)行更換。油站及管路也保留使用。

6 改造后的使用效果

在真空機(jī)擴(kuò)容改造完成后，三分公司對(duì)改造的真空機(jī)進(jìn)行了168 h運(yùn)行考核，考核結(jié)果如表2。機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)均屬正常，達(dá)到了擴(kuò)容預(yù)期。

表2 擴(kuò)容改造后真空機(jī)參數(shù)

真空機(jī)改造后，滿足了3臺(tái)帶濾機(jī)的生產(chǎn)需求，達(dá)到了預(yù)期擴(kuò)容效果。但由于真空機(jī)擴(kuò)容后的吸氣能力提高，根據(jù)離心真空機(jī)的特性曲線，穩(wěn)定工況區(qū)和喘振區(qū)均發(fā)生了右移，改造后真空機(jī)更適合在大氣量的工況下運(yùn)行，操作時(shí)應(yīng)注意避免生產(chǎn)波動(dòng)造成真空機(jī)喘振。