乙烯裝置透平膨脹機主機國產化探討

郭善忠

(中國石化中原石油化工有限責任公司，河南濮陽 457000)

1 機組簡介及國產化原因

中國石化中原石油化工有限責任公司使用的透平膨脹機為美國MAFI-TRENCH公司的EC2型系列產品，于1996年投用，該機型是20世紀90年代初期的產品，共三段，分三段膨脹和三段壓縮。每段均由膨脹端作為驅動端帶動壓縮端葉輪旋轉對氣體進行壓縮，末級壓縮端氣體在獲得一定壓力后最終進入燃料氣系統。

透平膨脹機是乙烯裝置分離冷分裝置的關鍵機組，該機組起著回收系統冷量和調節冷箱壓力的雙重作用，工藝地位至關重要。機組自1996年投入運行，已運行10年以上，備件儲備量不能滿足正常設備檢維修的需要，但國外備件采購周期長，價格昂貴，經過對國內膨脹機發展情況和使用效果的了解，最終決定對透平膨脹機主機組件進行國產化。

2 設計、制造的難點和重點

機組性能設計上，應用先進的CFD-ACE軟件和COMSOL軟件對膨脹—壓縮機組的主機氣體流通部件如葉輪流道等進行綜合性能分析，并對流道進行優化設計，確保主機效率接近國外同類機組的運行效率。

2.1 轉子

轉子兩端分別裝有膨脹機葉輪和壓縮機葉輪。轉子是本主機最為重要組件之一，加工最為復雜、精度要求最高，加工、檢測設備多為進口設備，設計加工均采用進口軟件，零件嚴格按照詳細的工藝規程進行加工而成。

本套機組的主機要適應不同的設計工況和核算工況，機組在每種工況下運轉都是同樣的轉子，只是轉速不同。為了保證機組在每種工況下運轉都有較好的效率和很高的運轉可靠性，本主機的轉子設計為一剛性轉子，其運轉時的最高轉速都遠低于它的一階臨界轉速。這樣，機組在任何工況下運轉操作都很容易，運轉也安全可靠。

主軸是空心軸，材料為40Cr，材料性能與國外進口膨脹機主軸材料性能一致，經過多次熱處理后，具有良好的機械性能和加工性能。

2.2 葉輪

首先用軟件對葉輪進行初步設計，再利用CFD等黏性流場分析軟件和ANSYS有限元分析軟件進行分析后，對葉輪進行修正計算。并從整個流場進行分析和優化，提高膨脹機的效率。

膨脹輪、壓縮輪設計出的葉片是空間扭曲葉片，通過型線方程或形成的三元流道，工藝制造專家用NREC加工模塊編程，再導入五軸聯動數控銑床銑制葉片，用三座標測量儀檢測與設計數據對照合格后進入下一工序。每件膨脹輪和壓縮輪產品均需要三件同樣的毛胚同時加工，第一件用于做機械性能試驗，第二件由于葉輪葉片的試切，待機械性能和葉片的輪廓誤差在設計要求范圍內時，第三件用于產品成品加工。為確保葉輪的加工精度，使葉輪葉型的輪廓誤差小于0.1 mm，選用德國進口的五坐標數控銑床進行精密加工，采用瑞士進口的三坐標測量機進行檢測，其加工精度達到國外先進水平。膨脹輪:與可調噴嘴、膨脹機蝸殼和擴壓管一起進行流場分析，利用進口軟件(ASPEN)計算物性參數及熱力學計算，導入進口美國的NREC專業軟件中的TURBINE模塊和CFD軟件進行流場分析。膨脹輪的輪蓋、輪盤和葉片進行了有限元分析，使其振動影響最小。

壓縮輪與無葉擴壓器和壓縮機蝸殼一起進行流場分析，利用NREC進行三元流設計。壓縮輪的輪盤和葉片進行了有限元分析，使其振動影響最小。

2.3 軸承

膨脹端和壓縮端的軸承均為徑向推力聯合式軸承，由供油系統供給清潔而充足的潤滑油，使轉子能長期穩定運轉，采用雙支鎧裝鉑熱電阻溫度計測量軸承溫度。

軸承材料采用錫青銅及巴氏合金襯里，這種襯里不會黏在軸上或造成軸的損壞。其軸向和徑向油鍥型面復雜，精度要求高，采用進口的五軸聯動數控銑床加工，從而使軸承具有高的承載能力(線速度可達90 m/s)和檢修時的互換性。

2.4 密封盤

在靠近膨脹機葉輪和壓縮機葉輪的軸上各設置有一迷宮密封盤。在靠近膨脹機的密封盤內充入常溫密封氣(此密封氣壓力比膨脹輪輪背壓力高0.05 MPa)以阻止流經膨脹機的低溫氣體外泄而跑“冷”，同時也控制潤滑油進入膨脹端和增壓端的管道;壓縮端的密封盤在油泵啟動前也應充入常溫密封氣，壓縮端在機組正常運行時可自行密封，為了進一步減少密封氣耗量，在壓縮端的密封管線上設置了一個單向閥，此單向閥可使機組在啟動和緊急停車時保證機組壓縮端對潤滑油的密封，同時在機組正常運行時阻止密封氣在壓縮端的耗量。

膨脹端和壓縮端的密封盤均采用迷宮密封，其材料采用制造方與四川大學高分子材料研究所聯合研制的材料制造，此材料的性能與國外先進機組的密封盤材料性能一致。這樣使密封盤可更換，同時維護簡便，磨損少，密封氣耗量低。

2.5 轉子動平衡

膨脹機葉輪、壓縮機葉輪和主軸都單獨進行動平衡試驗;葉輪在超速試驗臺位上進行130%的超速試驗，并在固頻試驗臺位進行固頻測試。膨脹機葉輪和壓縮機葉輪與主軸復合成轉子，轉子在動平衡機(德國申克)上進行轉子動平衡試驗。

3 運行效果

3.1 第一次試運行

2010年7月30日停運進口膨脹機，并將主機拆卸下來，更換國產化主機。調節各處間隙，將主機組裝到位。啟運國產膨脹機，機組運行5 h，膨脹機溫降、效率達到機組使用要求。但當轉速接近30 000 r/min時，振動由8 μm開始逐漸增加，當轉速達到40 000 r/min時增加至20 μm左右，并呈近似正弦波狀維持運行約1 h后，振動躍升至23 μm并呈近似正弦波狀維持運行約2 h，此后0.5 h內振動出現兩次大幅度增加，分別至27 μm和最高35 μm后，回落到29 μm，振動超過報警。然后換回進口主機機身部分重新運行，振動有點偏高但在正常范圍內。

機組停運后對國產膨脹機進行拆檢，發現軸承徑向磨損超標，前后軸承間隙由5 μm分別磨損至8 μm(前軸承)、12 μm(后軸承)。根據現場運行情況，機組轉子本身的動平衡能滿足運行要求，機組運行轉速也遠遠低于軸承所能承受的線速度(約90 m/s)，此次運行的最高線速度未超過70 m/s，而出現振動增加時，其軸承線速度僅不到50 m/s。在與進口機組運行振動值比較后發現，機組振動都存在一個周期性變化。轉子本身的原始不平衡量應該是一個相對穩定的振幅，而周期性變化應該是有一個周期性變化的不平衡量對振動的疊加。結合現場機組情況，C段膨脹機出口壓力約0.1 MPa，時常出現一定范圍內的振幅變化，其出口管道用手能明顯感覺到氣流的不穩定流動，與B段出口比較能感覺到較大區別。

分析認為，固定瓦軸承本身雖然能夠滿足機組的運行要求，但其抗干擾能力、自調節性和自修復性較差，造成機組振動的逐步升高，軸承徑向磨損。氣流的不穩定對轉子具有較大的沖擊，會對轉子和軸承造成非常大的損害，現場所表現出的現象與喘振非常近似。

最終決定固定瓦軸承改為可傾瓦軸承，以提高軸承的抗干擾能力和自調節性，使機組的運行更加穩定可靠。對機身進行更換，根據安裝現場遇到的問題，調整部分接口角度和尺寸，確保氣流穩定。

3.2 第二次試運行

在將固定瓦軸承改為可傾瓦軸承并更換機身后，國產膨脹機主機于2011年大修期間再次安裝調試，開始啟動運行，機組運轉穩定，振動值＜14 μm以下，軸承溫度＜66℃以下，介質溫降18℃以上，運行效果良好，滿足了工藝和機械性能要求，達到了設計要求。

表1 運行參數

4 結論

透平膨脹機國產化機組，其振動、轉速、溫降均達到設計要求，目前已累計平穩運行兩年有余，說明這次國產化是成功的。而且國產化的經濟效果顯著，國產化主機價格不足國外件價格的1/3，在采購周期方面，國外備件采購周期需7個月，國內備件采購周期為3個月，資金占用時間短，大大降低了采購成本。透平膨脹機的國產化不僅解決了我公司的生產難題，也為其他單位透平膨脹機的國產化積累了技術和經驗，提供了借鑒和參考。