小流量高压比离心式硫化氢压缩机的设计与制造

沈忠仁 张彩霞 佟玲/中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司

小流量高压比离心式硫化氢压缩机的设计与制造

沈忠仁 张彩霞 佟玲/中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司

0 引言

离心式硫化氢压缩机用于蛋氨酸生产线上压缩硫化氢气体，以满足蛋氨酸生产的需要。近年来，国内外市场对蛋氨酸的需求逐年增长，特别是国内市场，多年来国产饲料用蛋氨酸远远不能满足市场需求，每年都要从国外大量进口，现已成为我国化学原料进口的大宗产品，每年进口量高达20万吨。我国原有的蛋氨酸生产线均为由国外进口的往复式压缩机，设备运行成本高，气体输出压力不稳定。而离心式压缩机具有高效节能、运行稳定等特点，所以离心式硫化氢压缩机的研制符合国内外市场的需求趋势，市场前景广阔。

1 离心式硫化氢压缩机的设计

1.1 设计参数

气体组分：H2S 96.43％，CS21.0％，CH41.0％，H21.0％，COS 0.05％，N20.5％，O20.01％，H2O≤100PPM。

入口压力：0.25MPa（G），入口温度：303K；

出口压力：1.5MPa（G），温度：不要求；

排气量：3 300Nm3/h。

1.2 结构设计

由以上参数要求，初步选定压缩机为二段五级结构，第一段共三级，第二段共二级。

第一段共三级，第1级采用入口导流器+叶轮+叶片扩压器；第2级采用叶轮+叶片扩压器+串列回流器；第3级采用串列回流导流器+叶轮+无叶扩压器。

第二段共二级，每一级：叶轮+无叶扩压器+单叶回流器。

离心式硫化氢压缩机主要由缸体、隔板、转子、气封和前后轴承等部分组成。压缩机整体结构为垂直剖分形式，单缸二段五级结构。气体经一级和二级压缩后经弯道及回流器进入三级叶轮，在三级出口经由蜗壳及出口进入气体冷却器，冷却后进入四级及五级，最后经五级出口蜗壳排出。为了避免缸体泄漏，缸体结构设计成整体筒形垂直平分结构型式。

1.3 对硫化氢压缩机各级进行优化设计

为了实现小流量高压比又节能的离心式硫化氢压缩机的设计，对压缩机转子、扩压器及导流器主要进行如下的气动优化设计：

1.3.1 叶轮设计，采用了轮盖流道侧有2°倾角，提高叶轮效率；子午面型线对小流量系数基本级性能影响很大，宽度较窄的叶轮堵塞效应更严重，因此采用较宽的子午通道宽度对提高小流量系数离心基本级性节能效果明显。

1.3.2 尽量减小扩压器出口直径，有效减小气流在扩压器中的摩擦损失，提高级效率。

1.3.3 在前二级中采用了低稠度叶片扩压器（如图1），将叶片扩压器布置在D3=530mm处，可以减小叶轮出口不稳定气流对叶片扩压器的影响，又能提高效率。这是最新研究成果。

图1 低稠度叶片扩压器图

1.3.4 由于硫化氢压缩机流量很小，为了扩大流量调节范围防止喘振，回流器采用串列结构回流器（见图2）。

图2 串列回流导流器图

通过以上技术设计总体提高压缩机效率，优化级与级和段与段之间的耦合匹配，提高压缩机整机效率，实现了小流量高压比的离心式硫化氢压缩机的设计工作。

2 离心式硫化氢压缩机的制造

离心式硫化氢压缩机是高速转动机械，工艺介质为有毒有害的硫化氢气体，流量为3 300Nm3，工作压力为1.5MPa,工作温度达255℃，属于高压比、小流量机型，机组流道非常窄小，给加工带来了一定难度。离心压缩机级中流道内，气体流动是很复杂的，在运转过程中总会有一定的能量损失，这些损失大致分为：摩阻损失、分离损失、冲击损失、二次涡流损失和尾迹损失等；在压缩机的结构设计已经确定后，无论是加工质量还是装配质量对机器性能及效率都有很重要的影响。

2.1 转子的加工

转子是离心式压缩机的做功原件，转子的加工精度直接影响机组的性能指标。此机组转子由主轴、五个叶轮、推力盘、平衡盘及轴套组成，叶轮由轮盘和轮盖组成，采用闭式铣制叶片焊接结构，叶片铣在轮盖上，轮盘铣制塞焊槽后与轮盖焊接为一体；材料为OCr17Ni4Cu4Nb，此材料属于沉淀硬化马氏体不锈钢，它具有高强度、硬度和耐腐蚀等特性，但机械性能要通过热处理后才能实现。由于此机组属于高压比、小流量机型，这样叶轮的流道口宽度很窄，尤其是第五级流道出口宽度为3.3mm，叶轮加工后流道修复很困难，为了减少磨擦损失，叶轮内表面进行高精度加工，即全部采用数控机床加工，表面精度很高。此钢种在焊接及热处理过程中变形很大且容易表面氧化，针对这一点，我们主要采取了以下措施：

①轮盘、轮盖加工后，用叶轮研磨胎研磨轮盘、轮盖贴合部分，使研后自由状态下间隙为0.1mm；②轮盘和轮盖焊接时在叶道内加入变形防止剂和表面整形剂，防止焊接变形，提高表面光洁度；③用叶轮组焊胎将轮盘、轮盖固定，焊接前预热，焊后进行消除应力处理；④叶轮整体调质处理，为防止叶轮在调质过程中变形，先不要去除叶轮在焊接过程中填充在流道内的变形防止剂和表面整形剂；⑤为防止表面氧化，叶轮焊后均采用真空热处理。

2.2 隔板的加工

隔板由扩压器和回流器组成。隔板的加工精度对压缩机的性能有很大的影响。

隔板的制造过程分为四个阶段：（1）叶片和隔板体等的加工；（2）叶片与隔板体的接合；（3）隔板部的加工；（4）强度试验和检验。整个制造过程，其中心工作是叶片与隔板体的结合，隔板上下两半的接合，以及随后的机械加工。为了保证隔板的精度要求，我们通过工装定位，保证了各接合处间隙以及隔板轴向、径向定位基准面的精度；利用数控机床加工叶片及流道，保证加工表面质量；装配时用工装保证隔板各进出口处定圆与隔板中心线同心；各零件组合拼装后精加工达图纸设计要求。

2.3 转子的装配

离心式硫化氢压缩机工作转速达12 500r/min，转子装配质量对机组性能有很重要的影响。转子有三种装配方法：压套、烘套和冷套。压套的过盈量为轴颈的0.07～0.08％；冷套需用液氮等制冷剂来冷缩主轴轴颈，目前很少使用；烘套是将叶轮加热，以使孔径胀大，然后套装到轴上，见图3。离心式硫化氢压缩机转子主要由主轴、叶轮、止推盘及轴套组成，五个叶轮与主轴的过盈量为0.34～0.40mm，转子采用烘套的装配方法更为可行。

加热温度取决于工件尺寸和过盈量：

图3 离心式硫化氢压缩机转子

式中i为直径最大过盈量，μm；△为套装时所需间隙，μm；△=（0.5～1.0）i；d为孔的名义直径，mm；t0为室温，℃；k为材料的线膨胀系数。

测量时采用内径量规，其尺寸应等于d+i+△。也可在加热时直接测量孔径，使其大于轴径0.15～0.2mm。

烘套时要保证所规定的热间隙，可在烘套时在端面之间放若干张0.1mm厚的薄纸，待工件冷却后把薄纸除去。热间隙在圆周方向的四个相对位置用塞尺检验。零件烘套到轴上之后，用压缩空气使其迅速冷却，此时应保证套合零件不产生位移，待完全冷却后才烘套下一零件。

转子装配过程中注意要先将定位工装装好，用机床加工定位面保证定位要求，首先组装三、四级间叶轮定位套，再组装三、四级两个叶轮及相邻轴套，装好后，在车床上测量振摆合格后做动平衡，动平衡合格后再依次装其余叶轮及其它零件，每装一个叶轮都要重复上序过程，直到整个转子装配完成后，做转子整体几何精度检测并做动平衡，保证达到转子技术要求。

3 离心式硫化氢压缩机现场运行结果

经过优化设计后的机组于2014年6月在用户现场开车成功，与计算结果基本一致，运行数据如表1所示：

硫化氢压缩机的流量：3 300Nm3/h，压缩机实际运行功率约425kW。

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为了提高硫化氢压缩机运行的经济性和可靠性，根据技术参数及加工制造经验，对小流量高压比离心式压缩机转子、扩压器和导流器进行了气动优化设计，优化级与级和段与段之间的耦合匹配；在机组加工制造中，主要介绍了关键特殊部件的加工解决方案，如由于叶轮出口比较狭窄，在叶轮焊接上采取了填充变形防止剂和表面整形剂防止焊接变形，叶轮焊后均采用真空热处理来防止氧化；通过工装定位及数控加工保证了隔板的加工精度。压缩机实际运行功率约425kW，实现了节能的小流量高压比的离心式硫化氢压缩机的设计与制造。

离心压缩机；硫化氢；结构设计；优化设计；转子装配；转子加工

Design and Manufacture of Centrifugal Hydrothion Compresser with Low Flow and High Pressure Ratio

Shen Zhongren，Zhang Caixia，Tong Ling/ AVIC Liming Jinxi Chemical Machinery (Group)Co.,Ltd

centrifugalcompressor；Hydrothion；structural design；optimization design；rotor assembly；rotor manufacture

TH452；TK05

A

1006-8155（2015）06-0049-04

10.16492/j.fjjs.2015.06.0121

2015-03-24辽宁省葫芦岛市125001

Abstract:In order to increase economy and reliability of hydrothion compressor in operation,theaerodynamicoptimization designofcompressorrotor，diffuser andfluid director was carried out，and also includethecoupling-matchingbetween stage and section.In the manufacture of compressor,themanufacturemethodof important and special parts was introduced. Such as using deformation prevention agent and surface shaping agent inimpeller welding to prevent welding distortion；To prevent oxidation after impeller welding we usingvacuumheattreatment;The machining accuracy of the separators were ensured by the means of locating and NC machining.The actual operating power of the compressor was about 425kW,So that an energy-saving hydrothion centrifugal compressor was realized by using these design and manufacture methods.