离心式氢气站压缩机的研制

金 鑫

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869）

1 前言

某项目氢气站压缩机气量大，同时升压达到13kg，常规离心机需要3个缸才能实现，投资大，且效率低、检修困难，因此需要研制双缸、高效离心式氢气站压缩机。

作为国内最大的氢气站装置，项目成功研发了国内首套离心式氢气站压缩机，替代了传统的往复式压缩机，实现了纯氢气的增压，满足了业主投资成本低、占地面积小、运行维护费用低且能长周期运行的需求。

2 主要内容及方法

通过气动方案、叶轮加工及强度优化、机组安全设置等方面的深入研究，相关人员开发氢气站压缩机。氢气站离心压缩机设计参数：流量为89060～102420Nm3/h；进口压力为1.9MPa，出口压力为3.2MPa；进口温度为40℃，出口温度为95℃。

2.1 压缩机气动方案

不同于石化上装置上的氢气重整增压机，也不同于乙二醇装置上的氢气循环气压缩机，氢气站压缩机的氢气含量为99.9%，分子量为2.03，可以说是真正的“纯”氢压缩机。按照常规设计，需要24级压缩才能实现，即需要3个缸，每个缸8级。但这样投资成本高，而且氢气压缩机必须为筒型结构，即3个缸均为筒型结构，筒型压缩机检修时，需要将内机壳水平抽出，那么肯定会有1个缸检修困难，需要将整个压缩机吊起，这样行车投资和厂房投资都大大增加。因此，需要开发专属模型级，实现双缸压缩。

依据氢气的特点，开发马赫数为0.3、流量系数为0.025的叶轮，优化叶片数量、叶片型线坐标及进出口角度等，以提高效率、提高能头。同时，为进一步提高模型级的能头系数，所有扩压器均采用全高叶片式扩压器，采用叶片式扩压器，气流在扩压器中的行程大大增加，提高了扩压度，机组能头提高约4%。

全新模型级的开发，实现了纯氢气13kg的升压，由18级叶轮压缩来满足，机组分为2个缸，每个缸9级叶轮，机型为BCL489+BCL489，均为双支撑单轴伸筒型压缩机结构，采用汽轮机双出轴布局，即汽轮机进气侧为压缩低压缸、出气侧为压缩机高压缸，便于机组检修。由于蒸汽的进气温度为600℃，此时汽轮机前轴头的热位移达到10.3mm，因此汽轮机采用双出轴时，对汽轮机与低压缸相连的联轴器要求比较高。汽轮机与高压缸相连的联轴器采用膜片形式，与低压缸相连的联轴器采用磨盘形式，同时预留6mm的预拉伸量，以便保护联轴器。18级连续压缩时，氢气的最终出口温度为160℃，可以满足工艺需求，也满足干气密封设计温度，但由于机组能头特别高，在氮气开车时，机组出口温度可能会达到350℃，这个温度会对机组很多零件都产生破坏，因此需在2个缸中间设置冷却器，以降低开车时的温度，每个缸的出口温度约180℃，满足工艺及压缩机需求。

2.2 叶轮整体加工工艺

叶轮的加工技术是保证压缩机组的最终性能符合设计要求最为核心的技术，只有先进、适合的加工技术才能使叶轮的各项设计指标得到保障，包括气动指标、力学性能指标等。该项目由于叶轮直径相对较小，出口宽度小，因此传统的叶轮加工方式并不适用，叶轮的叶片必须铣制。这是因为传统的叶轮是通过三件焊接而成，高温焊接产生变形，改变了叶轮的力学性能和气动性能，且由于流道较窄，焊角会减小通流面积，从而影响叶轮的效率。在模型级开发时，同一模型级生产了2个叶轮用与试验，1个用两件焊接（常规焊接，不是钎焊，因为国内钎焊技术还不成熟）加工方式，另1个采用整体加工，也就是电火花+磨料流的加工方式。经过性能试验，整体加工的叶轮其多变效率比两件焊接高约2%，因此该项目所有叶轮都采用整体加工方式。整体加工不是整体铣制，由于叶轮直径较小，且流道较窄，又是三元叶轮，扭曲大，整体铣制刀具进不去，因此采用电火花加工方式。电火花加工也是整体加工的一种，通过该加工方式，叶轮的轮盖、轮盘、叶片一次成型，无任何焊点。常规叶轮的电火花加工周期需要3个月，该项目先通过五坐标尽可能地对叶轮进行粗加工，然后再上电火花加工设备进行电解加工，这样可以节约叶轮的加工周期，缩短至2个月左右。

该项目产品叶轮的直径为Φ480mm，一共有16个叶片，圆周均布。叶轮的通流部分，最宽处为25mm，最窄处仅为4.56mm，叶片高度最大为21.47mm，最小为9.16mm，整个叶片弯曲度非常大，流道狭窄、细长。由于叶轮大小及叶片结构形式的限制，对电解用电极要求非常高，要确保电机的设计能够完成整个流道加工，同时尽可能地减少电极的运动分区，也就是减少电极个数。电极区域过多会增加电极的数量，延长设计及制造周期，同时电极之间的联动设计也会非常困难，从而可能会影响叶轮流道的通流性。电极设计三维模型图如图1所示。

图1 电极设计三维模型图

电火花加工实物图如图2所示。电火花加工相当于一个电解腐蚀的过程，虽然表面光洁度不低于五坐标铣制的叶轮，但在其表面会有一个电解腐蚀层，而且也会存在一定的残余腐蚀应力。机组长周期运转时，由于线速度比较高，且叶轮一直受气流冲击，因此电解腐蚀层可能会发生裂纹并脱落，缩短叶轮的使用寿命，而且很可能会污染整个工艺流程。因此，不能直接使用电火花加工的叶轮，叶轮的表面还要进行一次处理，可采用人工抛光，也可采用磨料流处理。该项目为提高叶轮效率，对所有叶轮均采用磨料流处理。经过磨料流加工的叶轮，不仅强度好，可以充分去除表面腐蚀层，而且叶轮型线不受一点破坏，表面光洁度极高，对叶轮效率也有好的影响。

图2 电火花加工实物图

2.3 叶轮强度分析

由于介质为氢气，分子量只有2，很难压缩，因此该机组叶轮在最大连续转速下叶轮的线速度达到了320m/s。对于氢气压缩机，还要考虑氢脆问题，叶轮材料的屈服强度按照《石油、化学和气体工业用轴流、离心压缩机及膨胀机-压缩机》（API 617）标准要求，当氢气含量大于90%时叶轮的屈服强度不能大于827MPa，因此叶轮强度计算几乎是不可能通过的。叶轮强度分析采用ANSYS软件，通过实体建模，增加约束，细分网格，如图3所示。由于该项目的模型级在开发时，充分考虑了强度问题，针对模型级的力学性能，做了大量的优化设计，并且在试验台上做了破坏性试验，模型级的力学性能非常好。因此，该项目叶轮在320m/s时，叶轮的最大应力在盖盘处，应力值为810MPa，满足使用规范要求。叶轮应力分析模型图如图4所示。

图3 叶轮有限元模型图

图4 叶轮应力分析模型图

2.4 机组安全设置

由于介质具有腐蚀性，为保证机组长周期运转，所有供货范围内的与气体接触的部分，均采用不锈钢材料。考虑氢脆的影响，在每个缸的出口均设置不锈钢材质的安全阀、放空阀，按照全量考虑，在异常情况下，保护机组安全；且安全阀均带阀组，保证安全阀可以一年一校正。该项目所有设备都严格执行《氢气站设计规范》（GB 50177—2005）标准。

3 结束语

该氢气站离心压缩机的成功研制，为众多氢气使用行业提供了示范，积累了大量宝贵的设计及加工经验，尤其是多晶硅市场，氢气的纯度直接影响多晶硅的纯度，可以大幅度替代螺杆机或往复式压缩机，对整个行业带来革命性影响。