化肥裝置高壓壓縮機軸向推力的優化設計

李津津

(沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869)

在化肥項目中，合成氨裝置的合成氣壓縮機組和尿素裝置的二氧化碳機組壓力高、壓比大、分子質量大，不同程度地影響壓縮機軸向推力，因此，準確地計算出壓縮機軸向推力對于壓縮機廠家是一個巨大挑戰。機組滿負荷運行時也印證了這一點，無論進口還是國產機組都出現過推力瓦溫過高的情況。壓縮機組一般采用等壓力軸向推力計算法，計算所得的殘余軸向推力為推力軸承許用最大推力的15%左右，但現場運行時推力瓦溫遠超設計值。因此，目前急需從多角度來研究分析推力軸承溫升高的原因，并提出解決方案，且在實踐中將之不斷完善。

1 研制內容

1.1 計算分析

雖然葉輪進口處充滿了葉輪進口壓力P1下的氣體，但是由于葉輪的蓋盤和軸盤與隔板間形成的空腔已被出口壓力P2下的氣體充滿，因此每個葉輪都會受到軸向推力的影響。

單級葉輪的推向推力計算公式：

式中，D1為葉輪外圓直徑，dm為葉輪口圈直徑，dj為隔套直徑。

圖1 葉輪軸向受力分布圖

對于超高壓、大壓比的機組，僅僅考慮葉輪的軸向推力，往往與現在機組實際運行情況有差距，大多數高壓機組現場運行瓦溫較高，因此，須系統地分析影響壓縮機軸向推力的因素。能影響殘余軸向推力的因素有平衡系統和推力軸承，因此，從這兩個方面進行系統地分析并加以改進。

1.2 平衡系統結構改進

壓縮機一次平衡系統是指由平衡盤后腔體(平衡盤密封與軸端密封之間的空間)及連通壓縮機平衡腔與入口的通道組成。一次平衡系統的作用是維持壓縮機平衡盤后壓力與入口壓力一致，保證機組設計時推力計算所采用的平衡盤后壓力與實際情況接近，避免機組設計推力與實際運行不符。

為滿足一次平衡系統(見圖2)的功能要求，按機組實際功能可分為兩個區域：平衡腔區(紅色區域)、一次平衡連通區(綠色區域)。

圖2 一次平衡系統

平衡腔區是由平衡盤密封與軸端密封之間形成的空間區域，其作用是讓經過平衡盤密封泄漏的介質有充足的緩沖空間，以保證平衡盤密封后壓力穩定。

一次平衡連通區是指連通平衡腔與壓縮機入口的介質流通通道，其作用是將平衡腔內的介質以相對最小的壓力損失排到壓縮機入口，保證平衡腔內壓力持續穩定。

1.2.1平衡腔結構要求

為實現平衡腔功能，保證泄漏介質有充足的緩沖空間，平衡腔軸向截面積(見圖2中紅色面積)不小于最大平衡氣孔截面積，在結構充裕機組中可盡量加大平衡腔體積。

1.2.3 Transwell實驗 以50 mg/L Matrigel 1∶8稀釋液包被Transwell小室底部膜的上室面，4℃風干。將制備好的細胞懸液200 μL加入Transwell小室，24孔板下室加入500 μL含FBS的培養基。在37℃、5%CO2的孵箱中常規培養24 h，用棉簽擦去上室內的細胞，4%多聚甲醛固定15 min，清洗、染色后置于倒置顯微鏡下觀察，拍攝和細胞計數。

1.2.2一次平衡連通區結構改進

分析不同平衡管徑及平衡管數量方案時，平衡腔及平衡管內的壓力分布。

圖3所示為壓縮機平衡盤密封及平衡腔子午圖，為評估平衡管內徑及數量對平衡盤兩側壓力的影響，在保持平衡盤密封及平衡腔結構相同的條件下，分別確定平衡管內徑為30 mm，數量為1根；內徑為25 mm，數量為2根；內徑為25 mm，數量為4根。3種不同方案分別簡稱為方案一、方案二、方案三。

圖 3 平衡盤密封及平衡腔子午視圖

平衡系統計算結果見表1。由表1可以看出，隨著平衡管通流面積的增加，在平衡盤低壓側的壁面靜壓逐漸降低，并接近于平衡管出口壓力。可見在現有方案中增加平衡管通流面積可以提高平衡管泄壓能力，降低平衡盤低壓腔壓強。同時，隨著平衡管通流面積的增加，通過平衡管的氣體泄漏量逐漸增加可知，增加平衡管通流面積將增加壓縮機的內泄漏損失。

表1 平衡系統計算結果

圖4為平衡管入口靜壓分布，可以看出，在平衡管通流面積增加后，作用在平衡盤低壓側的壓力及平衡管入口的靜壓均逐漸下降。

圖4 平衡管入口靜壓分布

因此，增加平衡管通流面積，提升平衡管的泄壓能力，平衡盤的低壓側壁面靜壓隨平衡管通流面積的提升而下降，在平衡氣流速為27.85 m/s時，平衡腔壓力基本接近平衡氣管出口壓力。

為實現一次連通區功能，應快速排出泄漏到平衡腔中的介質，保證平衡腔壓力穩定。為保證平衡腔壓力盡可能接近壓縮機入口壓力，減少管道中的流通損失，一次平衡氣管的流速越小越好，考慮空間限制，若一路平衡管道無法滿足流速要求，可增加多路平衡管道。

1.2.3平衡系統增設取壓點

為保證和檢測一次平衡系統的正常工作，平衡腔取壓是從端蓋外部連通平衡腔的取壓孔，可實時監測平衡腔壓力，監控一次平衡系統是否正常工作。

1.2.4平衡氣管增設調壓裝置

部分合成氣機組和二氧化碳機組出現副推力瓦溫高的情況，這是由于計算軸向推力為負值(反向推力)，加上氣動條件、平衡系統、軸承等因素影響，使得機組軸向反向推力增大，導致副推力瓦溫高。

在平衡氣管上設置閘閥。通過控制閘閥的開度，來影響平衡氣管流速和平衡盤低壓側壓力，使得平衡盤反向推力變化，然后轉子軸向推力發生變化，從而控制推力軸承的瓦溫。

1.3 軸承改進

1.3.1推力軸承瓦塊材質的選用

流經推力軸承瓦塊表面的油形成對瓦塊的剪切力，并產生熱量，使得這一區域的瓦溫較其他區域高。 這樣瓦塊上便出現了熱量梯度，過高的熱量導致了溫度升高，并使負載能力降低。

碳鋼的熱傳導率為46.7 W/m·K，銅鉻合金的熱傳導率為323.6 W/m·K，銅鉻合金的熱傳導率約為鋼7倍。相比于碳鋼，鉻銅合金具有高的熱傳導性，可以降低熱量梯度。它還可以將 “熱點”的溫度消散，平均分配到瓦塊表面的其他部分。

分別制造26.67 cm(10.5英寸)碳鋼瓦塊和銅鉻合金瓦塊的推力軸承，在不同比壓、不同轉速下進行試驗，測得40組數據，繪制出比壓-轉速-溫度兩種推力軸承的曲線(見圖5)。

圖5 10.5英寸推力軸承比壓-轉速-溫度曲線注：為碳鋼瓦塊LEG型推力軸承比壓2.07MPa曲線，為碳鋼瓦塊LEG型推力軸承比壓3.45MPa曲線，為銅鉻合金瓦塊LEG型推力軸承比壓2.07MPa曲線，為銅鉻合金瓦塊LEG型推力軸承比壓3.45MPa曲線。

根據試驗的4組曲線，在比壓2.07MPa、轉速相同條件下，銅鉻合金推力軸承比碳鋼推力軸承瓦塊溫度低9～10℃；在比壓3.45MPa、轉速相同條件下，銅鉻合金推力軸承比碳鋼推力軸承瓦塊溫度低12～14℃。因此在相同條件下，銅鉻合金推力軸承比碳鋼推力軸承熱傳導更好，瓦塊溫度低10℃左右。

根據統計結果，樣本庫中合成氣和二氧化碳機組采用的推力軸承瓦塊材質均為碳鋼。為減小軸向推力不確定的影響，機組換用銅鉻合金瓦塊推力軸承可有效降低瓦溫。

1.3.2推力軸承瓦塊加工工藝改進

通過選取6塊推力軸承瓦塊體、安裝銷，使用不同力度沖死銷，通過瓦塊接觸情況，檢查變形情況。檢查后發現，正常力度沖死后，瓦塊接觸面變形；稍小力度沖死后，瓦塊接觸面情況良好。

因此，沖死的力度很大程度上影響了瓦塊的變形量，還影響了推力軸承的承載力，這是導致機組在推力正常情況下推力瓦溫高的重要原因。

為解決瓦塊變形的問題，調整瓦塊加工工藝方案。瓦塊體與銷組裝完成后，利用特制夾盤，加工瓦塊工作面，去除瓦塊工作面變形量；裝配推力軸承后，增加推力軸承瓦塊研接觸面積工序、推力軸承厚度測量工序，確保軸承裝配質量合格。

2 機組運行驗證

某化肥裝置二氧化碳壓縮機高壓缸首次運轉時，壓縮機出口壓力13.347MPa(g)，推力溫度達到104.5℃，無法繼續提高負荷到設計值；對機組進行改造，平衡氣管擴大管徑；增加平衡氣管數量；推力軸承瓦塊材料改為銅鉻合金，并采用新工藝加工瓦塊。采用新結構后，機組第二次開車，出口壓力達到設計值15 MPa(g)，推力瓦溫為67.5℃。經過機組現場運行驗證，在新結構方案作用下，推力瓦溫降低近40℃，效果顯著。

3 結語

軸向推力的準確計算是一個難題，曼透平公司和GE公司分別在2014年、2015年的透平機械展上公布了其軸向推力研究的文章，認為精確確定轉子軸向推力是一個挑戰。針對高壓機組只考慮等壓力面的軸向推力，不能有效反映真實推力。

該項目所做的葉輪軸向推力的計算則考慮了氣體從葉輪出口向進口和從回流流道向葉輪出口的泄漏產生的“二次效應”；考慮了葉輪的形式、葉輪的直徑、葉輪轉速、葉輪高效點的流量系數、葉輪工況點、口圈密封及級間密封以及介質種類的影響等氣動方面影響；又考慮了平衡管流速、平衡腔面積、推力軸承等結構方面的影響，考慮因素更全面，預期計算分析精度更高。