引进天然气透平膨胀机国产化改造实践

邹 云

四川空分设备(集团)有限责任公司, 四川 简阳 641400

0 前言

中海油上海分公司丽水终端处理厂90×104m3/d LPG处理装置是由PROPAK公司成套的,配套的透平膨胀机组由Atlas Copco旗下的Mafi-trench公司生产,2014年7月Mafi-trench公司服务人员在终端厂调试时,发现压缩机壳体有大量铁锈,机体排污管线存有液态水,转子不能自由转动,进一步拆检发现转子部件底部生锈。因为水的存在导致膨胀叶轮轮体块状腐蚀,叶片点状腐蚀严重,轴承锈蚀,主轴铝合金涂层腐蚀,轴封环及轴封件不同程度腐蚀。Mafi-trench公司认为该机组需要返厂维修,维修周期18个月,维修费用与买一台主机头价格相当。基于以上情况中海油上海分公司决定开展国产化改造设计,并在与国内3家公司进行充分的技术交流后选中四川空分集团公司(以下简称川空)为其服务。

1 方案简述及原机组设计控制参数

主机头于2015年6月3日在川空集团低温机械公司进行维修,采用两个方案:方案一机械修复原腐蚀零件,修复后组装试车,在保证机组安全可靠的基础上提出现场保守运转转速;方案二保留机壳并维持原机组设计及控制参数,要求川空对机芯内部零件结构进行深入分析、比较,充分理解和推断原机组的设计思路,再结合川空的加工能力及设计理念对国外机组零部件进行改造设计,改造设计后的零部件不但要有良好的加工工艺性,而且改造后的机组也要达到进口机组的转子动力学、热力学及气动力学性能。原机组设计参数见表1。

表1 透平膨胀机机组参数表

Tab.1 Parameters of turboexpander compressor

项目膨胀机增压机进口出口进口出口介质天然气天然气天然气天然气压力/kpa(a)3 650.01 400.01 250.01 745.4温度/℃-48.0-85.429.359.0流量/(kg·h-1)28 51028 51028 59028 590转速/(r·min-1)39 50039 50039 50039 500天然气摩尔组分/(%)C1:85.68,C2:4.68,C3:1.43,IC4:0.13,NC4:0.06,IC5:0.06,NC5:0.01,NC6:0.01,N2:5.25,CO2:2.69C1:86.3,C2:5.57,C3:0.08,N2:5.17,CO2:2.88振动控制20 μ报警、36 μ联锁(Mafi-trench机跳电跳过滤)25.4 μ报警、42 μ联锁(川空机跳电跳未过滤)轴承温度控制88℃报警、93℃联锁推力控制1.03 MPa报警、1.38 MPa联锁备注膨胀端温降37.4℃,压机端压比1.396

2 维修改造方案选择

2.1 方案一:机械修复原腐蚀零件

2.1.1 零件修复

工作轮腐蚀严重,通过物理和化学方法去除块状点状腐蚀部分，见图1～3,叶轮最大程度恢复金属本色,但工作轮修复后经渗透检查不合格。

压机轮腐蚀较轻,通过物理方法去除腐蚀部分，见图4～5,完全让叶轮恢复金属本色,压机轮修复后经渗透检查合格。

主轴测振镀铝层锈蚀,国外机组镀铝是为了过滤转子的机电跳值[1],咨询了相关的专业厂家,无法化验镀层金属成分。川空通过磨削方式,去除所有锈蚀,提高测振部分光洁度，见图6～7,同时对主轴进行退磁处理来满足要求,这样处理后振动显示值肯定会比实际运行大些,因为机跳电跳[1]未过滤。

图1 修复前的膨胀轮照片Fig.1 Photo of expander impeller before repair

图2 修复后的膨胀轮照片Fig.2 Photo of repaired expander impeller

图3 修复后的膨胀轮渗透检查照片Fig.3 Photo of penetrant inspection of repaired expander impeller

图4 修复前的压机轮照片Fig.4 Photo of compressor impeller before repair

图5 修复后的压机轮照片Fig.5 Photo of repaired compressor impeller

图6 修复前的主轴照片Fig.6 Photo of shaft before repair

图7 修复后的主轴照片Fig.7 Photo of repaired shaft

2.1.2 修复零件后的整机性能测试

清除蜗壳、机芯等零部件的锈蚀进行整机组装,装配间隙按Mafi-trench公司《操作维护说明书》上的值进行调整。通过相似性能换算得到增压端当量转速33 600 r/min,当量流量2 602.4 m3/h[2-4],工厂测试台位上用空气介质,在33 616 r/min下测试压比为1.446 7,等熵效率为82.3%;膨胀端测试须在额定转速下进行,当转速达到38 000 r/min(额定转速为39 500 r/min)时,机组明显发出了不正常声音,为了保证机组的安全,川空与中海油驻厂技术员协商决定在37 025 r/min进行膨胀端测试,测试等熵效率为81.9%,转速37 000 r/min也作为现场保守运转转速。

2.2 方案二:国产化改造设计

2.2.1 改造难点及改造措施

原机组是用一根细长螺杆穿过主轴Φ 9.5的通孔来同时轴向固定膨胀轮和压机轮,细长杆径向靠主轴的通孔定位见图8。细长杆的材料、加工精度和主轴通孔的形位精度要求都非常高,任何一个环节出问题,都会导致机组振动大甚至无法开车。对该结构进行深入分析,抓住主轴Φ 9.5的通孔并非主要是为了减轻重量这一关键,更改为通过主轴两端各外伸一根短螺杆分别轴向固定膨胀轮和压机轮[5],见图9,在磨床及车床上非常容易保证主轴每个台阶的圆度、同轴度等形位精度[6],根据运行环境并考究材料后主轴选用中碳合金钢[7]。另外对新设计的转子系统进行动力学分析、调整结构尺寸达到设计要求。

图8 原机组一根细长螺杆示意图Fig.8 Schematic diagram of the one long screw of the original unit

图9 更改后的两根短螺杆示意图Fig.9 Schematic diagram of the two changed short screw

原机组叶轮与主轴连接采用锥型结构，见图10,叶轮定心好。加工该结构,如果精度出现偏差,主轴与叶轮松配合导致振动,或者轴向定位不准确导致工作轮(压机轮)与喷嘴(扩压器)对中性不好,膨胀端(压机端)气动性能达不到设计要求。综合考虑测绘误差,锥型轴孔加工,叶轮流道对中、材料等原因更改为直型结构，见图11。定心比原结构稍差主要是由叶轮孔与轴的间隙造成的,控制配合间隙小于0.01 mm来解决定心问题,Φ 25孔轴配合本身尺寸小,在保证传递扭矩的情况下减小轴向长度,这样轴的形状及位置精度可以通过双顶磨得到保证;叶轮各外圆面、内孔、定位端面可以通过数控车并一刀落[8]来保证各外圆面与孔的同轴度及定位端面与孔的垂直度,短孔的圆度公差也容易保证。叶轮对中问题靠轴肩[9]轴向定位可很好解决。减少轴向长度还可提高转子系统的刚性及转子动力学性能[10]。

图10 原机组锥形结构示意图Fig.10 Schematic diagram of the cone structureof the original unit

图11 改后直型结构示意图Fig.11 Schematic diagram of the modified straight structure

由于轴封是易损件,原机组隔板、轴封由一体结构改为分体结构[5]见图12～13,对曲折形、平滑形、阶梯形、锥型等迷宫形式及迷宫齿的结构尺寸进行研究[11],选择锥型并在运转中咬合成镶嵌形的迷宫密封,减少密封气泄露。更换轴封时只换中心轴封部分,备件成本低且加工更方便快捷,还可加大结构传热阻尼[12],降低冷量向热端传播。

图12 隔板与轴封一体示意图Fig.12 Schematic diagram of the integrated clapboard and shaft seal

图13 隔板与轴封分体示意图Fig.13 Schematic diagram of the split clapboard and shaft seal

工作轮和压机轮均是三元流叶轮,五坐标铣床通过测绘数据点铣加工才能完成,公司加工软件暂时只有直纹加工模块无法通过测绘数据加工叶轮;由于时间紧,外协厂家对叶轮数据的消化、处理缓慢,决定重新设计叶轮流道来解决加工及时间紧张等问题。

工作轮流道一是对工作轮测绘的叶片数据进行分析,近似转化为直纹面加工;二是通过设计参数进行热力学计算,按一元流动确定工作轮边界尺寸[13],再对工作轮(向心涡轮)的动态参数进行研究选择[14],最后进行叶轮流道的三元流动核算[15]得到膨胀轮气流通道;在工厂内通过热力测试[16]进行比对。

因压机轮叶片测绘数据无法近似转化为直纹面,故舍弃叶片测绘数据,通过以下两种方式来得到压机轮叶片流道:一是通过设计参数结合川空已有的空气压机轮模型级模化压机轮流道(非严格意义上的相似)并修正[2-4];二是通过川空研发的混流叶轮[4]作为模型级模化压机轮流道[17],在工厂内模拟测试进行比对。

另外,对轴承零件进行了全新设计并强化其抑振性能,转子系统重新设计调整并核算其临界转速[18]为61 913 r/min,工作转速为临界转速的0.638(≤0.7)倍[19],主机装配间隙做了相应调整,这里不再赘述。

2.2.2 国产化主机工厂内性能测试

国产化主机组装好后在额定转速39 500 r/min下进行机械运转,并在41 536 r/min下超速1 min一切正常,机械性能测试考核通过;为了对照的科学性,膨胀端在原机组机械修复后能达到的转速37 000 r/min下进行了相应热力学[20]及气体动力学性能[21]测试,其中测绘数据转化为直纹面加工的膨胀轮,在37 557 r/min下测得的膨胀端等熵效率为82%;模拟热力计算得到流道加工的膨胀轮,在37 050 r/min下测得的等熵效率为81.2%。而增压端在相应的当量转速和当量流量的基础上进行宽泛的相似性能模拟测试,按空气压机模型级模化的压机轮,在当量转速33 554 r/min下测得的压比为 1.376 9,等熵效率为75.8%;按混流叶轮模型级模化的压机轮,在当量转速33 212 r/min下测得的压比为1.424 8,等熵效率为81.2%，见表2。从理论上讲LPG膨胀机在工厂内测试工况(空气介质)和实际运行工况(天然气介质)不相似[2-4],热力学性能及气动性能测试只能作为出厂验收的参考,现场实际开车数据才是最终性能考核的依据。

表2 方案二厂内性能试验参数表

Tab.2 Parameters of factory performance test of scheme 2

项目膨胀端增压端转速/(r·min-1)效率/(%)当量转速/(r·min-1)压比效率/(%)测绘数据转化为直纹面加工的膨胀轮37 55782.0———模拟热力计算得到流道加工的膨胀轮37 05081.2———空气压机模型级模化的压机轮——33 5541.376 975.8混流叶轮模型级模化的压机轮——33 2121.424 881.2 注:1)“当量转速”根据设计参数及测试当天环境温度经过相似性换算得到,所以与设计转速有差别;2)按相似理论,用空气介质试验测得的压比高于设计压比是正常的。

3 维修改造方案结果对比

3.1 工厂内性能测试对比

3.1.1 运转转速

从2.1.2和2.2.2中可知,原机组修复后在38 000 r/min时机组有异常声音;国产化机组不但能顺利达到额定转速39 500 r/min,且在41 536 r/min下超速1 min,也一切正常。

3.1.2 热力学及气动力学性能

工厂内测试的热力学及气动力学性能和原机组非常接近,如果考虑测试偶然误差因素,国产化机组和原机组在热力学及气动力学性能上完全可以互换。

3.2 出厂方案选择

中海油上海分公司经过慎重考虑,最终确定整个主机按国产化方案出厂,其中膨胀轮选用按测绘数据近似转化直纹面加工的叶轮,压机轮选用按混流叶轮模型级模化的叶轮;国外相应修复零件散件包装发回丽水终端处理厂作为应急备用。

3.3 国产化机组现场调试结果

国产化后的主机于2015年8月31日出厂,11月11日开车调试,转速达到38 935 r/min(接近额定转速39 500 r/min),膨胀端进出口温降达到39℃(PROPAK在膨胀端进出口未设置温度计,只能从装置的气液分离罐及冷箱复热的温度计推算得到),膨胀机出口温度太低,超过整个装置最低温度限制,为了保障整个装置运行安全,丽水终端决定在38 935 r/min下短时间运转考核机组的机械性能;轴振动为13.97～19.81 μ,轴承温度53～54℃,轴承推力0.816 MPa。由于下游用气原因,膨胀机在35 000～37 000 r/min运转就能满足工艺流程要求,压机端压比为1.36。经过连续运行72 h考核,中海油上海分公司于2015年11月19日签字验收。

4 改造结果分析

4.1 国产化机组转子动力学及机械性能

运行转速:38 935 r/min,非常接近设计转速39 500 r/min;

膨胀端轴振动:X轴13.97 μ,Y轴14.48 μ,均小于报警值20.32 μ;

增压端轴振动:X轴19.81 μ,Y轴19.3 μ,均小于报警值20.32 μ;

前轴承温度54℃,后轴承温度53℃,均小于报警值88℃;

轴承推力0.816 MPa,小于报警值1.03 MPa;

4.2 膨胀端热力学及气动力学性能指标

运行转速38 935 r/min时膨胀端进出口温降达到39℃,温降大于设计值85.4℃-48℃=37.4℃;

4.3 增压端热力学及气动力学性能指标

从现场运行DCS画面可知机组在36 554 r/min压机端压比ε=(1 701.1+100)/(1 221+100)=1.36(当地大气压约为100 kpa),根据该变工况按相似理论及增压机能量头关系[2-4],可以推出如下公式(限于篇幅不详细推导):

(1)

其中:ε1为n1=36 554 r/min下的压比1.36;ε2为n2=39 500 r/min下的压比;k为压机端绝热指数 1.299 9。

代入式(1)得

解得在39 500 r/min下压比ε2=1.429,大于设计压比1.396。

从以上分析可知,川空改造设计思路、方案是切实可行的;零部件的加工工艺性好,转子动力学、热力学及气动力学性能优良。

5 结论及建议

2016年1月22日中海油上海分公司在丽水终端处理厂召开了膨胀机国产化项目总结会,认为这次膨胀机组国产化改造实践非常成功,各项性能指标达到要求,改造成本低,机组提前一年运行,经济效益非常可观,因此中海油丽水作业公司以感谢信的方式表达了对此次国产化改造的认可。

国产化机组的成功运行,证明了川空膨胀机在LPG领域的技术实力,有能力为国内用户需求的LPG膨胀机免遭国外公司垄断提供强有力的技术、制造、备件供应及服务保障。当然川空也从中学到了先进的设计理念和方法,实现了中海油上海分公司与川空双赢的目标。

虽如此,国产化后的机组在设计转速下振动最高值19.81 μ,接近Mafi-trench公司提供的报警值20.32 μ。如果能很好地过滤掉机电跳值,设计转速下振动值应在12.7 μ以下,非常接近国外水平。今后工作中要努力提升设计及加工水平,提高转子等部件的加工精度,降低转子的机跳值;并从工艺角度研究在转子上镀层金属以降低电跳值,使川空膨胀机质量更上一层楼。