CENTAC壓縮機效率分析及修復對策

陳法祥

(中國石化儀征化纖有限責任公司PTA生產中心，江蘇儀征　211900)

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設備改造

CENTAC壓縮機效率分析及修復對策

陳法祥

(中國石化儀征化纖有限責任公司PTA生產中心，江蘇儀征211900)

摘要：CENTAC空氣壓縮機的主要作用是為氧化反應器提供反應所需要的氧氣，該壓縮機長期在PTA裝置環境下(酸性、粉塵)運行，空壓機的葉輪、擴壓器以及葉輪背板被腐蝕及沖刷磨損嚴重，導致這些過流部件使用壽命較短，壓縮機的效率下降嚴重，僅為原設計能力的70%左右。筆者分析PTA裝置空壓機的各項故障及設備效率嚴重降低的原因，對比了原有空壓機的設計思想、依據及標準等，找出其優點和不足，針對PTA空壓機原有設計所存在的缺陷，通過新技術、新材料進行修復解決，實現空壓機的長周期穩定運行。

關鍵詞：空壓機恢復性能

離心式壓縮機是透平式壓縮機的一種。它除了用于壓縮空氣外，還可用來壓縮和輸送化工生產中的多種氣體。離心壓縮機由于其處理量大、體積小、結構簡單、運轉平穩、維修方便等特點，在石化行業得到廣泛使用。

CENTAC空壓機為齒輪式多軸離心式壓縮機，該機型主要由動力機驅動大齒輪，再由大齒輪帶動小齒輪軸，每根小齒輪軸上分別有一葉輪。由于每根小齒輪軸的轉速不同，多軸壓縮機可以實現葉輪與轉速的良好匹配，能獲得較高的單級壓縮比。CENTAC壓縮機組系1998年裝置增容時投用，共A和B兩臺，其作用是為了解決增容后原大空壓機組空氣供給能力不足的問題，與原空壓機并聯運行，以下簡稱小空壓機。其性能參數見表1及表2。

表1　CENTAC空壓機性能參數表

表2　CENTAC空壓機齒輪及葉輪參數

1工作流程及運行狀況

1.1工作流程

壓縮機工作流程：空氣→空氣過濾器→入口調節閥→第一級壓縮→擴壓器→第一級中冷器→除霧器→第二級壓縮→(依次類推)→第五級壓縮→擴壓器→氧化反應器或排空，如圖1所示。

圖1　空壓機組裝配及主要零部件示意圖

1.2運行狀況

近年來，兩臺小空壓機性能呈下降趨勢，兩臺小空壓機夏季氣體的入口總流量2007年為32.8t/h，2008年為28.4t/h，2009為25.1t/h，同比下降了13.4%和11.6%。而B臺較A臺的能力更低，即使在冬季運行狀況也不理想，入口氣體流量從19.67t/h下降到12.98t/h，效率僅為設計流量的69.85%，其間雖然對部分中冷器和轉子進行了清洗和更換，但流量下降的趨勢未能得到有效的遏制，如圖2所示。

圖2　小空壓機單臺及雙臺三年流量分布圖

2壓縮機效率降低原因分析

從小空壓機臺解體檢修的過程中，發現機組存在以下情況：

情況一：除第一級葉輪情況稍好外，壓縮機其它各級葉輪均存在流量角磨尖現象，如圖3所示，以第三、第四級最為嚴重。

分析：葉輪除了被含有酸性成分的空氣腐蝕，擴壓器腐蝕后表面脫落的粉末及中間連接管(碳鋼)有大量的鐵銹粉末，隨氣流沖刷葉輪并引起葉輪的棱角磨損，氣流進入葉輪的進口角和出口角發生較大的變化。同時葉輪與擴壓器的配合間隙也隨之加大，無用功增加，表現在流量不足，電流下降。

圖3　小空壓機葉輪腐蝕狀況圖

情況二：第三、四級葉輪背板、擴壓器腐蝕嚴重，葉輪與型環的間隙超標，葉輪背板也發生變形，如圖4所示。

分析：由于小空壓機的空氣中含有一定的酸性成分，腐蝕了擴壓器及導流片(鑄造鋁合金)，加上鋁合金強度相對較低，長期被強氣流沖刷導致沖刷磨損，使擴壓器進氣流道曲面和葉輪曲面的配合間隙逐步加大，超過間隙標準，導致空壓機葉輪做功后壓力損失加大，引起氣體流量嚴重減小。

圖4　小空壓機擴壓器腐蝕狀況圖

情況三：中冷器堵塞較為嚴重，約有10%已經堵塞，如圖5所示。通常情況下，超過5%廠家就建議清洗或更換。

分析：空壓機組共有四個中冷器，由于列管間排列緊湊，采用的是螺旋式內翅片管，在熱空氣作用下，殼程中的鈣離子和碳酸根離子形成碳酸鈣垢層，影響了中冷器的換熱效果。管程中因設備本體腐蝕的大量鐵屑堵塞翅片管，導致翅片管流道減小，影響了空壓機的空氣流量。

圖5　小空壓機中冷器堵塞狀況圖

3機組供氣能力評價

根據專業廠家的評價報告，該壓縮機如需恢復原設計能力，需對壓縮機的主要部件(葉輪、擴壓器、背板、中冷器等)進行更換，單臺檢修及備件費用約為512萬元，過于昂貴。但考慮到夏天空氣溫度高、密度低，空壓機的吸入能力和出氣能力方面會進一步下降，現有流量能否滿足工藝要求，需對空壓機的出氣能力與工藝需求進行評估。

3.1氧量需求情況

裝置生產過程中氧化反應器對空氣的需求量為3 600t/天，即每小時需要150t的空氣供給量。空氣主要來源于自然空氣和富氧(約2 000m3/h)，經大空壓機和小空壓機(A/B)壓縮后供給氧化反應器。按夏季空氣含氧量為21%計算，即每小時所需氧氣量為：150×0.21=31.5t。

3.2氧量供給情況

圖6　空壓機及富氧供給工藝圖

空壓機及富氧供給工藝如圖6所示。大空壓機流量為93 000～98 000m3/h(出口干氣流量)。小空壓機由于葉輪腐蝕及擴壓器磨損等原因，出口流量維持在設計流量的70%左右，如表3所示。

表3　三臺壓縮機設計流量和實際流量比照表

由于空氣的密度與溫度有很大的關系，參考理想氣體狀態方程式公式[1]：

3.2.1第一種情況：維持現狀，且無富氧供應

夏季：空氣溫度高、密度低，空壓機無論從吸入能力和出氣能力方面都有所下降，三臺空壓機的供氧量約為(93 000+12 000+13 000)×1.2×0.21=29 736(kg/h)，與31.5t/h至少有1.764t的缺口。

冬季：由于空氣氣溫低且密度的提高，大空壓機的輸出流量最大可達到98 000m3/h，三臺空壓機供氧量約為(98 000+12 000+13 000)×1.3×0.21=33 579(kg/h)，可有2.079t/h的富余空間。

3.2.2第二種情況：維持現狀，有2 000m3/h的富氧供應

冬季：大空壓機最高可達98 000m3/h的供應量，如再加一臺小空壓機13 000m3/h。空壓機的空氣含氧量約為：

二臺空壓機最大供給量可達到：

(98 000+13 000)×1.3×0.226=32 612(kg/h)，可以滿足31.5t/h的需求量。

3.2.3第三種情況：有2 000m3/h的富氧，修復1臺小空壓機流量達到設計值的90%

夏季：當富氧的供給量達到2 000m3/h時，大空壓機和一臺修復的小空壓機輸出的總流量為：

93 000+17 179×0.9=108 461(m3/h)。

系統中空氣的含氧量約為：

二臺空壓機的供氧量為：

(93 000+15 461)×1.2×0.2242=29 180(kg/h)，不能滿足31.5t/h要求，必須開三臺空壓機。

3.2.4第四種情況：無富氧供應，修復1臺小空壓機流量達到設計值的90%

夏季：三臺空壓機的供氧量為

(93 000+15 461+13 000)×1.2×0.21=30 608(kg/h)，與31.5t/h的需求量相近，但仍不能達到平均用量。

綜上所述：夏季，在有富氧的情況下，三臺空壓機都必須運行，才能滿足裝置的負荷要求。如果空分裝置故障不能提供富氧，即出現上述第四種情況，三臺空壓機必須全部運行，且其中一臺小空壓機的流量達到設計值的90%，勉強滿足裝置的負荷要求。因此，必須對小空壓機進行檢修，且其修后流量達到設計值90%以上，方能滿足第四種情況下的負荷要求。

4壓縮機低碳修復策略

過去的幾十年，按照傳統的檢修方式，對于齒輪式多軸離心壓縮機的檢修，絕大多數依靠更換零部件的方法達到恢復使用性能的目的。注重資源節約和合理利用是時代對低碳檢修的基本要求。再制造技術就是一種支持可持續發展的技術，是對設備的整體、部分、零件，或者材料進行再循環利用的系統工程。再循環就是利用原有零部件再成型，包括對設備整體或者部件的修復，使之重新恢復原有精度和性能，達到環境污染最少、資源利用率最高、投入費用最少的目的。由于葉輪和擴壓器的失效是造成壓縮機性能降低的主要原因，而磨損又是葉輪和擴壓器失效的主要形式，如何使原葉輪和擴壓器發揮作用，需從結構上加以分析。

4.1葉輪

美國英格索蘭公司生產的CENTACC110MX5機型的葉輪為三元葉輪，其設計理論應是采用的CFD(計算流體力學)軟件設計，該軟件采用完全N-S方程解法，對流體內部定常、非定常，可壓縮、不可壓縮紊流流動進行高精度數值分析。通過對三維流場數值的模擬，對葉輪流道回轉面的總壓分布、葉輪回轉面的相對壓力分布和葉輪流道橫截面的絕對馬赫數分布進行分析而設計成型[2]。雖然葉輪的外徑及輪角出現磨損，但葉輪的基本尺寸及流道未形成破壞，從理論上來分析，完全可以通過焊接手段復原其被磨損部分，再通過機械加工的方法恢復其外形尺寸。

4.2擴壓器

本機組的擴壓器材質為鋁合金，其磨損面主要是導流板及與葉輪相配的型線面，由于擴壓器體積相對較大，磨損部分只是局部，從理論上來講，可以通過將磨損部分挖去，重新嵌入導流片和型環，將其尺寸恢復如圖7所示。

圖7　第一級葉輪裝配圖及擴壓器嵌型面示意圖

4.3修復方案

根據對眾多壓縮機使用單位和壓縮機修復單位的調研，最終確定對小空壓機B臺實施性能回復性檢修。儀化公司與檢修單位就CENTAC離心壓縮機葉輪和擴壓器的修復方案進行了多次研討和論證，確定了最終檢修方案。

4.3.1葉輪修復對策

首先，通過3D檢測葉輪與擴壓器的曲線貼合情況，對檢測數據進行分析研究，確定需補焊的主要部位。其次，對各級葉輪進行三維檢測，建立修復部位的三維模型并做逆向分析，以期恢復原有尺寸。再次，對葉輪材質進行分析，選用激光仿形熔覆技術，恢復葉輪磨損尺寸，同時保證恢復部分抗拉強度不小于原來強度的90%。在加工過程中注意控制溫升在80 ℃以內。對熔覆部分進行探傷檢測，保證沒有氣孔、夾砂及裂紋。最后，對成型后的葉輪進行全面檢測，包括尺寸精度和熔焊質量情況；對整體轉子進行動平衡校驗，校驗精度達到G0.4以上。葉輪修復前后情況如圖8所示。

圖8　葉輪修復前后比照圖

4.3.2擴壓器修復對策

(1) 將鑄鋁材質擴壓器磨損部分切除，根據3D檢測葉輪的線型尺寸，加工擴壓器的型環部分，材質改用SS304。采用過盈配合，將加工件鑲嵌到擴壓器基體上，并且用螺釘從背面緊固保護，確保兩部分連接可靠，如圖9所示。

圖9　第一級擴壓器修復前后比照圖

(2) 將第二級、第三級擴壓器進氣流道曲面和導流片整體切除，根據3D檢測葉輪的線型尺寸，用304材料整體加工第二級、第三級擴壓器進氣流道曲面和導流片，將加工好的部件分別鑲嵌到鑄鋁基體上，并且用螺釘從背面緊固保護，確保兩部分連接可靠。

(3) 第四級及第五級導流片與背板相連，因為變形量較大，直接加工更換，如圖10所示。

圖10　第四、五級背板修復前后比照圖

5實際效果

修復回裝后，出口流量計顯示小空壓機B臺的出口流量為14 500m3/h(干氣流量)。顯然該流量明顯高于檢修前的流量值，但該流量是否達到檢修合同的考核要求，現計算如下。

5.1機組技術資料中相關參數[3]

表4　CENTAC空壓機入口氣體參數

5.2入口空氣標準流量

P1為設計壓力，V1為設計流量，T1為設計溫度，P0為標壓，V0為標態下的流量，T0為標態的溫度。

5.3干氣量計算

因入口流量中含水蒸汽的流量，需將其算成干氣流量，計算公式為：

RH為相對濕度(82%)，P1為空氣中實際所含水蒸汽分壓，P2為同溫度下飽和水蒸汽分壓，V1為水蒸汽體積流量，V0為標態下的流量，V2為干空氣體積流量。

查表[4]得：35 ℃下飽和水蒸汽分壓為5 623.81Pa。

P1=RH×P2=82%×5 623.81=4 611.5(Pa)

V2=V0-V1=15 039-705.8=14 333.2(m3/h)

5.4檢修后效率

小空壓機B臺檢修后流量計的流量顯示為13 939m3/h，而設計流量17 719m3/h(入口)折算成出口流量為14 333.2m3/h，故修復后的流量值為設計值的97.2%。

6結束語

總體來說，本次小空壓機的檢修取得了預期的效果。檢修后，小空壓機B臺的出口流量達到設計流量的97.2%，提升了約27個百分點。再制造技術的應用，節約修理費約332萬元，不但為低碳檢修帶來了可觀的經濟效益，而且還有很好的社會效益，為今后處理類似的設備缺陷拓寬了思路，積累了經驗。當然，葉輪的焊接也帶來強度的部分削弱，這將依賴于焊材和焊接工藝的技術進步逐步加以改進。

參考文獻：

[1]陳敏恒.化工原理(上)[M]．北京：化學工業出版社，2000：121-124．

[2]吳德榮．化工工藝設計手冊(上)[M]．北京：化學工業出版社，2009：978-987．

[3]崔高峰，陳玉春，鄭志明．離心式壓縮機組特性研究[J]．石油化工設備，2008，37(3)：13-15．

[4]顧永泉．石油化工用離心式壓縮機的效率及選取[J]．華東石油學院學報，1981(2)：61-70．

Efficiency analysis and reparation for CENTAC air compressors

ChenFaxiang

(PTA Production Center of Sinopec Yizheng Chemical Fibre L.L.C.,Yizheng Jiangsu 211900,China)

Abstract:The CENTAC air compressor was used to provide oxygen for the oxidation reactor. In PTA devices, the compressors had to work for a long term in an environment with acid gas and dust, leading to both serious corrosion of diffuser pressure devices and erosion wear of impeller backplanes, which made a short life and a serious efficiency decline for the compressor with only about 70% of its original design capacity. With a better understanding of the original air compressor design ideas, basis and standards, etc, causes of troubles and factors of efficiency decline were discussed for the compressors in PTA devices, and new technology and novel materials were used for compressor reparation to realize its long-term-stable operation.

Key words:air compressor; reparation; performance

收稿日期：2016-04-18

作者簡介：陳法祥(1978-)，江蘇鹽城人，工程師，主要從事PTA裝置設備技術及管理工作。

中圖分類號：TH16

文獻標識碼：B

文章編號：1006-334X(2016)02-0047-05