汽輪機驅動組裝式空分壓縮機的研制

(沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869)

沈陽鼓風機集團股份有限公司(以下簡稱沈鼓集團)為了搶占市場先機，開發了一種新型組裝式空氣壓縮機[1]，主要是由汽輪機驅動，是國內首次全新意義的汽輪機驅動組裝式空分壓縮機，為了更好地完成新型組裝式空分壓縮機組的開發研究及試驗工作，沈鼓集團做了大量詳細又富有創新的前期規劃，積極探索、深入研發，應用大量經過試驗驗證的新結構、新技術、新工藝，確保機組各項性能指標均處于國際領先水平。

1 項目背景

空分裝置在煤化工、石油化工等領域應用廣泛，尤其是在煤化工領域，比如煤制氣、煤制油、煤制甲醇、煤制乙二醇、合成氨尿素等，其裝置中都有1套以上的空分裝置，包括乙烯裝置，也至少會配1套空分裝置。空分壓縮機是空分裝置中最為主要的設備，其占地雖然相對較小，但在整個空分裝置中一直牢牢占據著最核心的位置：①其廠房建設成本大；②其價格相當于空分裝置總價的40%左右；③其耗功占整個空分裝置的90%左右，而空分裝置的原料又僅僅是空氣，所以整個空分裝置的運行成本，最主要的就是空分壓縮機的功耗。綜上所述，降低廠房土建成本，降低機組價格和機組軸功率，是空分壓縮機改進的3個最主要方向。

2 項目目的

組裝式空壓機效率高、占地小、質量輕，與傳統的單軸空壓機相比有著先天的巨大優勢，但其結構布置為1級和2級葉輪在一根主軸上，3級葉輪在另一根主軸上，大齒輪連接驅動機。由于結構上兩根主軸對中心距有要求，所以大齒輪直徑非常大，大齒輪加工能力最大達到3.3 m；當大型空分組裝式空壓機對大齒輪直徑的需求超出加工能力時，空壓機中分面還得加惰軸，以便拉大機組中心距。對于電機驅動的機組，為減小大齒輪周速，需采用6級或者8級電機與大齒輪直連；對于汽輪機驅動的機組，由于汽輪機轉速較高，因此需要增加一個減速機或者減速軸，這樣才能和大齒輪傳動(之前汽驅的PTA壓縮機都是采用這種結構)，這種結構一方面增加了成本及故障點，另一方面也增加了機組1%左右的機械損失，以8萬等級的空分空壓機為例，1%的功率損失就是360 kW。因此，如果要將組裝式空壓機應用在汽輪機驅動的機組上，必須進行結構革新。

3 項目內容

3.1 技術路線

通過分析各級壓比分配、葉輪轉速以及沈鼓集團的模型級儲備研發情況，經過大量計算，研究壓縮機與汽輪機功率和轉速的匹配，最終采用第一級葉輪單掛，二、三級葉輪在一根軸上，第一級葉輪的盲端與汽輪機直連的全新布置形式。

3.2 技術優勢

在汽輪機驅動的組裝式空壓機機組上，這種新結構形式的應用取得了巨大的經濟效益和社會效益，并有廣闊的前景。

(1)在汽輪機與壓縮機之間不采用減速機或者惰軸，汽輪機可以與一級葉輪轉子直連，降低了成本，提高了機組效率。

(2)以8萬等級的空分為例，相對于單軸機組，汽輪機轉速為3 700 r/min，而多軸壓縮機的驅動汽輪機轉速可達4 500 r/min，提高了約800 r/min，可以使汽輪機排氣段機型降低一檔，并且提高汽輪機約3.1%的效率，對于用戶來說，不僅降低了汽輪機約200萬元的采購經費，而且一年節約了500萬元以上的蒸汽成本。

(3)汽輪機與第一級葉輪直連，通過第一級軸消耗掉了機組45%的功率，僅僅通過一級齒輪傳遞給大齒輪55%的功率，這樣大大降低了整個齒輪寬度，大大節約齒輪成本，潤滑油量也降低了約24%，而且對于組裝式壓縮機，用戶的壓縮機土建基建成本、廠房建設成本、天車成本也隨之降低。

(4)這種結構的革新也帶來了機組中心距的減小，使汽驅齒輪箱中心距比電驅還要小，成本低、載荷小；同等流量的汽驅組裝式空壓機比電驅組裝式空壓機中心距減少了約300 mm，即齒輪箱重量降低了10%以上。

(5)這種結構的革新也使得機組軸向推力減小、齒輪嚙合損失減小，因此齒輪箱的效率也由97%提高到了97.4%。

綜上所述，汽輪機驅動的組裝式多軸空壓機在結構革新后，其市場競爭力大大增強，尤其在3萬～8萬等級空分裝置中的大型空分機組上，具有傳統單軸空壓機不可比擬的競爭力。大型組裝式空壓機組見圖1。

圖1 大型組裝式空壓機組

3.3 技術創新點

作為全新結構的多軸組裝式空壓機的開發，在其最主要的結構形式確定后，還要進行很多細節的設計與改進，最終達到預期目標。

3.3.1新型半開式模型級開發應用

在氣動設計上，第一級葉輪采用沈鼓集團全新開發的高能頭、高效率的新一代空分專用三元半開式葉輪，葉輪工作線速度可達400 m/s，能保證在460 m/s的跳閘轉速下安全運行。通過導葉調節保證其寬廣的工況范圍。并對整個流道進行氣體流動分析，使定子件的損失降到最小，氣體流動更順暢。此模型級的效率指標完全達到了國際同行曼透平、西門子的水準，此模型級的成功開發，為壓縮機的效率指標奠定了良好的基礎，同時其流量系數大、葉輪強度好等特點也是汽輪機機型降低一檔的關鍵性因素。

3.3.2型環結構改進

半開式葉輪，其最主要的特點就是強度高、流量系數大，但其效率相對閉式葉輪會略低一些，且受型環間隙的影響，實際效率的實現存在風險。因此，本機組在開發過程中，一方面對半開式葉輪的型環間隙，采用詳細的計算方法，確保其準確性，同時在型環上預留一定的噴涂空間和特殊的結構設計，待真實產品機械運轉試驗時，測量其實際的運行間隙，然后重新噴涂型環，保證其間隙在最佳范圍之內。

3.3.3新型閉式模型級開發應用

圖2 391 m/s線速度下閉式葉輪強度計算

由于結構的革新，第三級葉輪的周速相對較低(在340 m/s左右)，傳統的閉式葉輪周速最高可達310 m/s，當介質為空氣時，其馬赫數最大為0.85，本項目通過開發全新的閉式模型級，使其在340 m/s的工作周速下可以安全可靠地運轉，同時馬赫數可以達到1.05，實現了跨音速，而且其效率要高于半開式葉輪，在實際運作中更穩定，其效率指標超越了國際先進同行，也是國內首次在空分組裝式壓縮機上應用閉式葉輪。391 m/s線速度下閉式葉輪強度計算見圖2。

3.3.4擴壓器結構改進

針對組裝式空分壓縮機易出現的管路振動問題，本項目采用了沈鼓集團特有的專利技術，通過特殊計算，在擴壓器端板上依據計算結果，開特殊結構的降噪孔，使機組噪音降低約13個分貝，同時保證了在不影響效率的情況下，機組的管路振動問題得到根本性解決。

3.3.5端齒結構開發應用

由于葉輪質量較大，首級葉輪質量達到了2.6 t，采用傳統的法蘭盤結構會給裝配帶來很大困難，同時，轉子動平衡和試車都很難通過。本項目采用沈鼓集團具備自主知識產權的端齒加工技術(見圖3)，通過端齒(hirth齒)來實現葉輪與主軸的定位及傳遞功率，通過液壓拉伸螺栓來實現葉輪與主軸的把合。端齒傳遞功率大，定位精度高，對于大功率的端齒加工技術，目前世界上只有極少數公司可以設計制造。

圖3 端齒結構

3.3.6新型動平衡技術開發應用

通過專用的擺架和沈鼓集團特有的動平衡技術，對本項目的轉子進行高速動平衡，可大幅度提高轉子的精度，使機組的振幅指標可以按照API617標準執行，而非國際上通用的API672標準。沈鼓集團是國際上唯一一個對組裝式結構雙懸臂葉輪轉子做高速動平衡的廠家，也是唯一一個可以保證齒輪組裝式轉子振幅在25.4 μm以下的廠家，而國際同行類似機組的轉子振幅一般在35～50 μm之間。

3.3.7新型加工工藝開發應用

特殊工藝手段的運用。專門設計10∶1比例的小蝸殼，分別對流道內表面處理、表面固溶、表面拋光等工藝手段做性能對比試驗，從而驗證出在成本增加很小的情況下，蝸殼效率可以提高1%左右；閉式葉輪采用整體銑制，國際上只有3家企業能夠實現，整體銑制葉輪效率比兩件焊接高出0.4%，比三件焊接高0.9%。通過上述工藝手段，使機組的氣動效率在實際生產中得到了有力保證。

3.3.8大功率齒輪箱技術開發

此前，國內最大的齒輪箱為4萬等級空分壓縮機，大齒輪直徑為2 900 mm，對于8萬～10萬大型空分壓縮機，其難度系數要大很多，但通過結構革新，電驅4萬空分上的大齒輪直徑與汽驅8萬空分空壓機的大齒輪直徑在一個數量級，也是2 900 mm，大大降低了齒輪箱的加工制造難度。通過大量計算與驗證，采用全新的節能軸承、優化瓦塊數量與包角角度等措施，不僅完成了大功率齒輪箱的設計，而且其噪音指標、油耗指標等都達到了國際先進水平。并且通過齒箱整體應力分析、臨界轉速計算、扭轉計算(見圖4)等，保證了機組的可靠性。

圖4 齒輪箱應力計算

4 結語

整個機組嚴格執行AP617，API672，API613，API614，API671，API670，API615國際通用技術標準以及AGMA6011，GB151等標準，各項指標均達到國際先進水平。本機組的成功研制，大大提高了大中型空分壓縮機的競爭力，并且成功申請多項國家發明專利，在每年約30億元的國內空分壓縮機市場中一定會有更加優異的表現。