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大支撑跨距离心压缩机的分析与结构设计

目前我国石油、化工、制冷、化肥等企业正朝着大型化、集中化、高效化、低成本的方向发展,这样就对化工流程的核心设备,离心压缩机有了更高的要求。这几年为了满足用户对大流量、高压比、级间加气等压缩机的要求,我公司设计了很多大型、高压的压缩机。例如现在的空压机流量基本上都在 36000 ~ 5 2000 Nm ³ /h 范围内 , 叶轮直径基本上都在 900mm ~ 1200 mm 之间。甲醇压缩机在 2006 年时,基本上都是年产 10 万吨甲醇项目 , 而在 2007 年到现在基本上都是年产 20 吨甲醇项目 , 装置年产量翻了一倍。 最近还设计制造乙烯三机即丙烯压缩机、裂解气压缩机、乙烯压缩机,彻底地打破了国外发达国家的垄断,实现了乙烯三机的国产化。这对石油化工的高产化、国产化有着重要的意义,但对于压缩机的本体结构设计和设计计算的难度也越来越大。

1  大支撑跨距压缩机在现实工作中的应用

  大支撑跨距是指压缩机驱动端支撑轴承和非驱动端支撑轴承之间的距离与叶轮最大内孔直径的比值简称 L / D 。这是衡量一台压缩机是否稳定的一个重要指标,是离心压缩机转子动力学分析的一个重要的内容。随着离心压缩机大型化、多级化的发展,这个指标越来越受到人们的重视。它主要是由于压缩机的级数过多而导致压缩机转子过长而产生的。

1.1 气体分子量与压缩机级的关系

  气体的分子量越小越难压缩,比如在氢气压缩机中,一级叶轮的压比大概只有 1.0 ~ 1.12 ,例如,云南云维集团 20 万吨甲醇压缩机 , 氢气的含量为 68% ,平均分子量为 11.55, 气体在压缩机中的总压比为 2.6 ,该压缩机用了 9 级压缩 , 有两个级间冷却器、 1 个防喘振冷却器,机型为 3BCL529 。而在分子量较大的压缩机中气体比较容易压缩,但由于要控制马赫数不能大于 1 ,所以叶轮的周速不能过高。

1.2 叶轮的转速和做功

  同一型号的叶轮做功能力的大小与驱动机能提供的功率和转速有关,足够大功率的作用是为了使主轴能够传递足够的扭矩确保压缩机的正常运行;叶轮的转速越高,叶轮对气体做功越多,即气体的压升越大,但是由于受到驱动机、叶轮周速、材料强度、马赫数等方面的限制。压缩机靠提高转速来提供做功的能力是有限的。

1.3 离心压缩机中常用的叶轮

  叶轮对气体的做功能力与叶轮的工作效率有关,叶轮的效率主要取决于叶轮的气动型线即叶轮的叶片型线。目前常用的叶轮有大三元叶轮、高效二元轮、二元轮。大三元叶轮采用三元叶片,叶轮的出口角角度大,是效率最高的叶轮,其效率在 83% ~ 90% 之间,但是大三元叶轮流量的工作范围较小。二元叶轮的叶片是二元叶片,叶轮的出口角较小,流量的工作范围较大。高效二元轮介于大三元叶轮和二元轮之间。这 3 种叶轮常常搭配使用。为了提高设计工作效率叶轮基本级已经标准化,平均效率已达到 80% 以上,提高的空间很有限。

  通过增加压缩机的级数来提高叶轮的工作转速已成为提高压缩机整机工作压比最有效最直接的方法。于是出现了云南云维的 20 万吨甲醇项目的 3BCL529 、 2MCL609 、 BCL6010 等超长的机组。

2 技术难点分析及设计过程介绍

  产品 2MCL609 是典型的大支撑跨距压缩机。现结合理论与实际,对该产品的技术难点及计算过程简单介绍如下。

  离心压缩机的级数按照文献 [1] 的介绍一般少于 9 级,但将压缩机的级数设计到 9 级甚至 10 级是在提高压缩机转速、提高叶轮的工作效率等办法的基础之上,还无法达到用户要求参数时,而最后采用的一种方法。压缩机的级数越多压缩机的转子越长,驱动端的支撑轴承和非驱动端支撑轴承之间的距离越大,也就是在这里所说的 L / D 。 L / D 的数值一旦超过了规定的数值,压缩机转子的强度分析就成为必须考核的内容。强度分析结果不合格,将导致结构方案乃至气动方案的更改。

  强度分析主要包括单个叶轮的强度分析和转子轴系的动力学分析。单个叶轮的强度分析包括叶轮应力计算、半开式叶轮的轮盘自振频率分析、半开式叶轮的叶片自振频率分析;转子轴系的动力学分析主要是转子的稳定性分析,包括气体激振分析轴和键的强度计算。回转刚体质量、重心、转动惯量计算及轴向推力计算、平衡盘尺寸确定也在其中。

  气体激振是转子动力学分析的关键内容。气体激振是指在压缩机中由于叶轮内部发生旋转脱离而产生的对机器的气体激励。对于大分子量及压力高的的离心压缩机,如化肥装置中的 CO 2 压缩机和合成气压缩机,在方案设计中需要考虑此类问题。自激振动是指压力高、分子量较大的气体在通过平衡盘等密封时,由于压比高而有可能达到音速进而诱发对转子的气体激振。

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