高效硝酸尾气膨胀机的研制

陈　勇　张先裕

(中国船舶重工集团公司第七一一研究所　上海201108)



高效硝酸尾气膨胀机的研制

陈勇张先裕

(中国船舶重工集团公司第七一一研究所上海201108)

0前言

通过对国内多家硝酸生产企业的空气压缩机机组进行调研，发现普遍存在由于硝酸尾气膨胀机回收功率不足而导致空气压缩机机组低转速运行、硝酸产量下降的问题，因此，提高硝酸尾气膨胀机回收功率的工作亟待解决。

国内某化工企业拥有多条硝酸生产线，其中5#生产线为550 t/d高压法硝酸生产装置。该生产线中的空气压缩机机组由硝酸尾气膨胀机、轴流式空气压缩机、离心式空气压缩机和汽轮机组成，其中硝酸尾气膨胀机为英格索兰多级轴流式膨胀机(五级)，已使用多年，效率大幅降低，回收功率不足，导致空气压缩机机组无法按照设计转速运行，进而硝酸产量大幅降低；同时，还存在尾气泄漏等问题，影响操作人员人身安全。

1设计参数及设计要求

设计参数：流量66 520 m3/h(标态)，进口温度610 ℃，进口压力0.77 MPa，出口压力0.10 MPa，转速8 350 r/min，功率8 150 kW。

设计要求：①提高硝酸尾气膨胀机效率，使空气压缩机组能够达到原来的设计转速；②解决漏气问题。

2气动设计

对硝酸尾气膨胀机设计参数进行分析，结合目前透平设计级焓降水平，使用三级透平完全能够满足要求。经过一维特性计算、S2流面计算、叶片造型及计算流体动力学(CFD)流场仿真，并与可靠性分析过程相互迭代，完成了硝酸尾气膨胀机的气动设计。

在进行级的焓降分配方面，从减小排气损失的角度出发，末级应分配较小的焓降，使出口气气流接近轴向；同时，前面级焓降大，则温度降低也多，对后面级的强度有利；但随着叶片高度的增加，级做功能力也有所增加。综合以上几个方面考虑，确定了硝酸尾气膨胀机的焓降分配，末级动叶出口气流接近轴向，余速损失较小。

采用CFD计算软件CFX进行三维流场仿真，观察硝酸尾气膨胀机流道内部的流动细节。计算中考虑了叶片叶顶间隙等因素，对间隙区域内的网格进行了特殊处理，使计算尽可能贴近实际情况，以确保计算结果的准确性。

3结构设计

考虑到与用户现场的管道配合，硝酸尾气膨胀机的总体结构借鉴了原国外硝酸尾气膨胀机的结构，采用上进下出的结构形式，并在此基础上进行局部优化。结构设计中采用三维建模软件对所有零部件进行建模，利用三维建模软件的特征驱动功能，能够快速修改设计，并转化为工程图，同时也为CFD计算、临界转速分析等提供了依据。

3.1壳体设计

原有的尾气膨胀机采用了进气蜗壳的设计，尾气从蜗壳进入，经导向环将气流转为轴向，再进入叶片流道。蜗壳位于进气壳体内部，中间敷设保温层，此种结构带来的好处是有利于降低壳体温度；但由于蜗壳进口直径与进口管道直径存在一定差异，部分硝酸尾气会进入蜗壳与进气壳体之间的空腔，进而形成流动死区。进气端蜂窝密封、静叶壳体高压部分固定在蜗壳上，转子从蜗壳内穿过，转子从壳体内拆解出来时需连同蜗壳等零件一并起吊，蜗壳及蜂窝密封等零件质量均由主轴承担，易损伤主轴，特别是与蜂窝密封配套的密封齿极易被压塌或倾倒，使密封性能降低甚至失效。

在综合分析了原有结构的优缺点之后，取消了进气蜗壳的设计，气流由径向转为轴向，导向功能由静叶壳体来实现。此种设计简化了结构，提高了可靠性，安装和维修更方便。

3.2转子设计

转子采用两端支撑的形式，提高了运行稳定性。主轴采用整体锻件，刚度强，确保整个转子为刚性转子，降低了启、停机时过临界转速的操作难度。原来使用的膨胀机为五级，经重新气动设计后，减至三级即可满足要求，轮盘与主轴采用花键传递扭矩。考虑到推力盘经长期使用后可能出现损坏，为便于维修，推力盘与主轴为分体结构，过盈配合。转子上设有测位移盘，运行中通过位移传感器对转子的位移进行实时监测，并带有联锁，一旦轴位移超过监控系统中设定的停机值，控制系统将自动对机组进行停机操作。动叶与轮盘采用枞树形榫头连接，叶片榫头及轮盘榫槽应力小，强度裕度大，可靠性高。

3.3密封设计

在工业透平中，迷宫密封由于结构简单、成本低廉而得到广泛应用。随着蜂窝密封加工成本的下降以及机械行业对密封的要求越来越高，其使用范围不断扩大。在硝酸尾气膨胀机中，轴端、级间都需要进行有效密封。虽然蜂窝密封效果较好，但仍无法做到完全密封，因此，在进气端采用了蜂窝密封与碳环密封相结合的形式，可提高密封效果。级间采用蜂窝密封，避免大量尾气从级间间隙内泄漏而造成下游流场的紊乱。

4可靠性分析

为了保证膨胀机能够长周期稳定运行，必须对膨胀机的关键零部件进行详细的可靠性分析，包括强度校核、振动分析和临界转速分析。

4.1强度校核

动叶和轮盘之间采用枞树形榫头进行连接，在工作情况下需承受高温热应力、离心载荷及气动载荷，必须保证足够的强度裕度。强度校核采用有限元分析软件ANSYS进行应力计算，在进行网格划分时特别针对叶片根部和榫头部位进行网格加密处理，力求更准确地反应叶片应力分布情况。动叶应力分布示意见图1，轮盘榫槽处应力分布示意见图2。

图2　轮盘榫槽处应力分布示意

从强度计算结果来看：动叶和轮盘应力分布均较为均匀，动叶最大应力位于榫头部分，轮盘最大应力位于榫槽处；动叶和轮盘的强度安全系数分别达到3.0和2.5，均大于许用安全系数，说明叶片和轮盘的强度是安全可靠的。

4.2振动分析

分别对各级叶片进行振动分析，可计算得到叶片静频和动频，以及叶片的各阶振型。利用坎贝尔图分析叶片在工作情况下产生振动的可能性，一旦叶片在工作条件下存在共振的可能，就需要对叶片进行修改，调整其频率，以避开共振频率，确保安全可靠。动叶一弯振型示意见图3，动叶一扭振型示意见图4。

图3　动叶一弯振型示意

图4　动叶一扭振型示意

4.3临界转速分析

进行转子临界转速计算时，在保证不影响计算结果的前提下，对模型进行适当简化。转子网格示意见图5，转子一弯振型示意见图6。

图5　转子网格示意

图6　转子一弯振型示意

由计算结果可知，转子临界转速9 960 r/min，而工作转速为8 350 r/min，属于刚性转子；振动裕度较大，可确保转子在运行中不发生共振。

5热态机械运转试验

为了检验产品的设计、制造和装配质量，进行了整机热态机械运转试验，为此，专门搭建了硝酸尾气膨胀机试验台。该试验台由变频电机作为动力，经变速箱驱动硝酸尾气膨胀机。试验转速在400～8 400 r/min，完全覆盖膨胀机的工作转速。试验台配备了独立的润滑油站，布置在试验台旁地下室，流量为160 L/min，并分别对膨胀机、变速箱进油温度、回油温度、进油压力及流量进行监测。膨胀机进口与出口通过管道连接，形成闭路循环，机壳及管道外进行保温。在电机的驱动下，膨胀机内空气温度逐步升高，机壳和转子逐步膨胀，模拟膨胀机真实运行工况。在机壳及轴承箱处架设百分表，观察膨胀机在高温下各部位的热膨胀情况；对轴承温度、转速、振动、轴位移等进行监测，信号接入监控系统，并进行联锁。试验取得了膨胀机在不同转速、不同温度下的运行参数，经分析，膨胀机各项性能指标均达到设计要求，为该设备在用户现场的运行提供了可靠保障。

6现场运行

由于膨胀机仍然采用原有的膨胀机支座，给机组的安装找正工作带来了一定的困难。经细致调试，机组开车成功，膨胀机各项性能指标均大大优于原有机组，硝酸系统产量由360 t/d增加至420 t/d，增幅达16.7%；系统副产蒸汽由13 t/h增加至20 t/h，大大降低了生产成本。由于膨胀机转子的平衡精度高，机组对中好，更换硝酸尾气膨胀机后，不仅膨胀机振动值由原来的60 μm左右降低至20 μm以下，还带来整套空气压缩机组振动的大幅下降，整套空气压缩机组最大振动值低于40 μm。

7结语

在该硝酸尾气膨胀机的研制中，采用了一些新的结构，在热态机械运转试验及现场运行中均得到检验，证明是行之有效的。在开发过程中，也曾遇到一些问题，特别是在装配阶段，暴露出个别零件吊装不便、螺栓扳手空间不够等问题，但最终都得到了妥善的解决。这些问题和解决问题的过程都成为宝贵的经验，在将来的设计中需更加注意细节的设计。随着硝酸生产装置的大型化，还将进一步开发更大型号的尾气膨胀机，该硝酸尾气膨胀机的开发也为此打下了良好的基础。

(收稿日期2016-01-12)