汽轮机驱动组装式空分压缩机的研制

(沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869)

沈阳鼓风机集团股份有限公司(以下简称沈鼓集团)为了抢占市场先机，开发了一种新型组装式空气压缩机[1]，主要是由汽轮机驱动，是国内首次全新意义的汽轮机驱动组装式空分压缩机，为了更好地完成新型组装式空分压缩机组的开发研究及试验工作，沈鼓集团做了大量详细又富有创新的前期规划，积极探索、深入研发，应用大量经过试验验证的新结构、新技术、新工艺，确保机组各项性能指标均处于国际领先水平。

1 项目背景

空分装置在煤化工、石油化工等领域应用广泛，尤其是在煤化工领域，比如煤制气、煤制油、煤制甲醇、煤制乙二醇、合成氨尿素等，其装置中都有1套以上的空分装置，包括乙烯装置，也至少会配1套空分装置。空分压缩机是空分装置中最为主要的设备，其占地虽然相对较小，但在整个空分装置中一直牢牢占据着最核心的位置：①其厂房建设成本大；②其价格相当于空分装置总价的40%左右；③其耗功占整个空分装置的90%左右，而空分装置的原料又仅仅是空气，所以整个空分装置的运行成本，最主要的就是空分压缩机的功耗。综上所述，降低厂房土建成本，降低机组价格和机组轴功率，是空分压缩机改进的3个最主要方向。

2 项目目的

组装式空压机效率高、占地小、质量轻，与传统的单轴空压机相比有着先天的巨大优势，但其结构布置为1级和2级叶轮在一根主轴上，3级叶轮在另一根主轴上，大齿轮连接驱动机。由于结构上两根主轴对中心距有要求，所以大齿轮直径非常大，大齿轮加工能力最大达到3.3 m；当大型空分组装式空压机对大齿轮直径的需求超出加工能力时，空压机中分面还得加惰轴，以便拉大机组中心距。对于电机驱动的机组，为减小大齿轮周速，需采用6级或者8级电机与大齿轮直连；对于汽轮机驱动的机组，由于汽轮机转速较高，因此需要增加一个减速机或者减速轴，这样才能和大齿轮传动(之前汽驱的PTA压缩机都是采用这种结构)，这种结构一方面增加了成本及故障点，另一方面也增加了机组1%左右的机械损失，以8万等级的空分空压机为例，1%的功率损失就是360 kW。因此，如果要将组装式空压机应用在汽轮机驱动的机组上，必须进行结构革新。

3 项目内容

3.1 技术路线

通过分析各级压比分配、叶轮转速以及沈鼓集团的模型级储备研发情况，经过大量计算，研究压缩机与汽轮机功率和转速的匹配，最终采用第一级叶轮单挂，二、三级叶轮在一根轴上，第一级叶轮的盲端与汽轮机直连的全新布置形式。

3.2 技术优势

在汽轮机驱动的组装式空压机机组上，这种新结构形式的应用取得了巨大的经济效益和社会效益，并有广阔的前景。

(1)在汽轮机与压缩机之间不采用减速机或者惰轴，汽轮机可以与一级叶轮转子直连，降低了成本，提高了机组效率。

(2)以8万等级的空分为例，相对于单轴机组，汽轮机转速为3 700 r/min，而多轴压缩机的驱动汽轮机转速可达4 500 r/min，提高了约800 r/min，可以使汽轮机排气段机型降低一档，并且提高汽轮机约3.1%的效率，对于用户来说，不仅降低了汽轮机约200万元的采购经费，而且一年节约了500万元以上的蒸汽成本。

(3)汽轮机与第一级叶轮直连，通过第一级轴消耗掉了机组45%的功率，仅仅通过一级齿轮传递给大齿轮55%的功率，这样大大降低了整个齿轮宽度，大大节约齿轮成本，润滑油量也降低了约24%，而且对于组装式压缩机，用户的压缩机土建基建成本、厂房建设成本、天车成本也随之降低。

(4)这种结构的革新也带来了机组中心距的减小，使汽驱齿轮箱中心距比电驱还要小，成本低、载荷小；同等流量的汽驱组装式空压机比电驱组装式空压机中心距减少了约300 mm，即齿轮箱重量降低了10%以上。

(5)这种结构的革新也使得机组轴向推力减小、齿轮啮合损失减小，因此齿轮箱的效率也由97%提高到了97.4%。

综上所述，汽轮机驱动的组装式多轴空压机在结构革新后，其市场竞争力大大增强，尤其在3万～8万等级空分装置中的大型空分机组上，具有传统单轴空压机不可比拟的竞争力。大型组装式空压机组见图1。

图1 大型组装式空压机组

3.3 技术创新点

作为全新结构的多轴组装式空压机的开发，在其最主要的结构形式确定后，还要进行很多细节的设计与改进，最终达到预期目标。

3.3.1新型半开式模型级开发应用

在气动设计上，第一级叶轮采用沈鼓集团全新开发的高能头、高效率的新一代空分专用三元半开式叶轮，叶轮工作线速度可达400 m/s，能保证在460 m/s的跳闸转速下安全运行。通过导叶调节保证其宽广的工况范围。并对整个流道进行气体流动分析，使定子件的损失降到最小，气体流动更顺畅。此模型级的效率指标完全达到了国际同行曼透平、西门子的水准，此模型级的成功开发，为压缩机的效率指标奠定了良好的基础，同时其流量系数大、叶轮强度好等特点也是汽轮机机型降低一档的关键性因素。

3.3.2型环结构改进

半开式叶轮，其最主要的特点就是强度高、流量系数大，但其效率相对闭式叶轮会略低一些，且受型环间隙的影响，实际效率的实现存在风险。因此，本机组在开发过程中，一方面对半开式叶轮的型环间隙，采用详细的计算方法，确保其准确性，同时在型环上预留一定的喷涂空间和特殊的结构设计，待真实产品机械运转试验时，测量其实际的运行间隙，然后重新喷涂型环，保证其间隙在最佳范围之内。

3.3.3新型闭式模型级开发应用

图2 391 m/s线速度下闭式叶轮强度计算

由于结构的革新，第三级叶轮的周速相对较低(在340 m/s左右)，传统的闭式叶轮周速最高可达310 m/s，当介质为空气时，其马赫数最大为0.85，本项目通过开发全新的闭式模型级，使其在340 m/s的工作周速下可以安全可靠地运转，同时马赫数可以达到1.05，实现了跨音速，而且其效率要高于半开式叶轮，在实际运作中更稳定，其效率指标超越了国际先进同行，也是国内首次在空分组装式压缩机上应用闭式叶轮。391 m/s线速度下闭式叶轮强度计算见图2。

3.3.4扩压器结构改进

针对组装式空分压缩机易出现的管路振动问题，本项目采用了沈鼓集团特有的专利技术，通过特殊计算，在扩压器端板上依据计算结果，开特殊结构的降噪孔，使机组噪音降低约13个分贝，同时保证了在不影响效率的情况下，机组的管路振动问题得到根本性解决。

3.3.5端齿结构开发应用

由于叶轮质量较大，首级叶轮质量达到了2.6 t，采用传统的法兰盘结构会给装配带来很大困难，同时，转子动平衡和试车都很难通过。本项目采用沈鼓集团具备自主知识产权的端齿加工技术(见图3)，通过端齿(hirth齿)来实现叶轮与主轴的定位及传递功率，通过液压拉伸螺栓来实现叶轮与主轴的把合。端齿传递功率大，定位精度高，对于大功率的端齿加工技术，目前世界上只有极少数公司可以设计制造。

图3 端齿结构

3.3.6新型动平衡技术开发应用

通过专用的摆架和沈鼓集团特有的动平衡技术，对本项目的转子进行高速动平衡，可大幅度提高转子的精度，使机组的振幅指标可以按照API617标准执行，而非国际上通用的API672标准。沈鼓集团是国际上唯一一个对组装式结构双悬臂叶轮转子做高速动平衡的厂家，也是唯一一个可以保证齿轮组装式转子振幅在25.4 μm以下的厂家，而国际同行类似机组的转子振幅一般在35～50 μm之间。

3.3.7新型加工工艺开发应用

特殊工艺手段的运用。专门设计10∶1比例的小蜗壳，分别对流道内表面处理、表面固溶、表面抛光等工艺手段做性能对比试验，从而验证出在成本增加很小的情况下，蜗壳效率可以提高1%左右；闭式叶轮采用整体铣制，国际上只有3家企业能够实现，整体铣制叶轮效率比两件焊接高出0.4%，比三件焊接高0.9%。通过上述工艺手段，使机组的气动效率在实际生产中得到了有力保证。

3.3.8大功率齿轮箱技术开发

此前，国内最大的齿轮箱为4万等级空分压缩机，大齿轮直径为2 900 mm，对于8万～10万大型空分压缩机，其难度系数要大很多，但通过结构革新，电驱4万空分上的大齿轮直径与汽驱8万空分空压机的大齿轮直径在一个数量级，也是2 900 mm，大大降低了齿轮箱的加工制造难度。通过大量计算与验证，采用全新的节能轴承、优化瓦块数量与包角角度等措施，不仅完成了大功率齿轮箱的设计，而且其噪音指标、油耗指标等都达到了国际先进水平。并且通过齿箱整体应力分析、临界转速计算、扭转计算(见图4)等，保证了机组的可靠性。

图4 齿轮箱应力计算

4 结语

整个机组严格执行AP617，API672，API613，API614，API671，API670，API615国际通用技术标准以及AGMA6011，GB151等标准，各项指标均达到国际先进水平。本机组的成功研制，大大提高了大中型空分压缩机的竞争力，并且成功申请多项国家发明专利，在每年约30亿元的国内空分压缩机市场中一定会有更加优异的表现。