离心式真空机的扩容研究及改造

2022-10-17沙朝建杨东洋

纯碱工业 2022年5期

沙朝建，杨东洋

(江苏苏盐井神股份有限公司第三分公司，江苏淮安 223000)

真空机是纯碱制造企业重碱过滤工序的重要设备，是出碱液固液分离的真空动力源设备。苏盐井神三分公司(下称三分公司)滤过工序拥有2台法国RPA公司生产的真空水平带式滤碱机(下称带滤机)，自投产以来，由2台D630-31离心式真空机提供真空，该真空机有着结构紧凑、操作方便、运行稳定、周期长以及检修工作量少等优点。2017年三分公司计划新增1台带滤机，原有2台真空机打气量将无法满足3台带滤机同时运行需求。根据现有设备布置情况，三分公司决定对现有真空机进行扩容改造，增加吸入流量，提高真空度，满足生产的需要。

1 D630-31离心式真空机的结构和性能

D630-31离心式真空机本体采用单吸入三级双支撑结构，由定子、转子、底座、轴承、多级密封等构成，见图1结构图。辅助装置包括润滑系统、增速箱、电机等设备。该真空机匹配900 kW高压电机驱动，通过增速箱和膜片联轴器连接，气体进出口位于定子两端，方向垂直向下，机壳从中间垂直和水平方向分成4瓣，平时检修只需拆装水平剖分面的上机壳即可更换转子和轴瓦。该真空机不需要中间冷却器，吸入气体通过三级压缩后直接排空。

图1 D630-31离心式真空机结构图

基本工作原理为：当电机驱动风机叶轮旋转时，叶轮吸气室内的气体也跟着旋转，并在离心力的作用下被高速甩出，气体温度、速度和温度都得到提高。进入扩压器后气体流速下降而压力提高，接着经过弯道和回流器被下一级叶轮吸气室吸入，气体再次被高速甩出，再被压缩。以此类推，最终通过排气口排出气体。叶轮连续旋转，滤过尾气被不断的吸入。由于滤饼覆盖在滤布上使得气相管线形成相对封闭空间，最终形成一定的真空度。但物料在过滤、洗涤、干燥阶段一直伴随着空气的渗透，便形成滤过尾气。带滤机的真空度越大，滤饼层上下的压差就越大，对降低盐分和水分越有利。所以，真空机要有足够的打气能力维持生产所必需的真空度。

离心式真空机也有一些缺点。比如：操作区间小，只适合在大中流量情况下使用，在生产减量或关小进气调节阀时，则容易进入喘振区，需要开启吸空阀避免喘振；对气体的介质成分要求比较高，工况下尾气中会夹带少量的NH3、CO2以及水，如不除去，则会在叶轮上形成结疤破坏转子的动平衡，导致振动值升高直至停机检修。三分公司的滤过尾气经过了气液分离器、尾气洗涤塔、汽水分离以及尾气总管导淋排水四个步骤净化，几乎除去了全部的水汽和氨气，以保证真空机的稳定持久运行。

D630-31型离心式真空机的技术参数见表1。

表1 真空机改造前后的技术参数

2 扩容改造的要求

由于系统中的管道、洗涤塔等会产生阻力降，为了给带滤机提供足够的真空度，真空机入口真空应保证70 kPa以上，以尽可能的降低重碱水分。根据设备资料得知，气液分离罐真空度60 kPa，带滤机的透气量为25 000 m3/h。通过计算得知，2台真空机带2台带滤机运行时，透气余量只有约206 m3/min(吸入状态)，无法满足3台带滤机同时运行的生产要求。真空机需要扩容至少345 m3/min(吸入状态)的抽气量才能保证3台带滤机的同时运行。

3 扩容改造的方案选择

三分公司的2台真空机长期满负荷运行，没有备用机组，此次扩容改造利用停产检修机会实施，改造时间要求一个星期内。另外，本次改造预算较少，将利用公司闲置的一台1 250 kW高压电机。

常见的压缩机扩容方案有：

1)重新选用一台满足扩容要求的机组替代原有机组或新增一台规格相当的机组进行多机并联；

2)提高进口压力或增加前置段；

3)高压缩机工作转速，提高压缩机轴功率；

4)局部改造，提高流通部件尺寸或几何角度。

方案优选：

首先，受限于公司原机组配置、工艺要求、现场位置以及费用等因素，新增机组替换、并联或增加前置段的方案无法实现。其次，增加转速受多方面条件限制，一是临界转速限制了允许工作转速的范围，该真空机的一阶临界转速2 134 r/min，二阶转速为10 750 r/min。根据临界转速规定，工作转速n为1.3n1

根据该真空机预期性能曲线得知，如图2所示，在抽气量小于设计值时，随着流量不断增大，真空机入口真空基本保持不变，轴功率逐渐上升；但是，当抽气量超过设计值后，真空机的入口真空度则显著下降，轴功率基本不再增加。所以只加大电机功率的方案是不可取的。

图2 D630-31真空机预期性能曲线图

最后，三分公司考虑对真空机的转子部分和流通组件进行局部改造的方案，达到扩容目的。经过与设备厂家的沟通和分析，确认了D630-31真空机具备良好的扩容改造条件，通过局部改造，可以实现吸入流量从原来655 m3/min提高至950 m3/min，能力提高45%，基本上可以满足生产的要求。该方案有着费用低、改造时间短、设备效率高、技术可靠、见效快等优点，同时可以利用上闲置的旧电机。最终，公司决定采用此方案对其中的一台真空机进行扩容改造。

4 局部改造的理论简介

叶轮是离心式压缩机的核心气动部件，是唯一对气体做功的部件。叶轮内部流动的好坏直接决定着整机的性能和效率。叶轮内部的流动受到叶轮旋转、叶片形状、叶顶间隙等诸多因素的影响，是一种非常复杂的粘性、三元、可压缩、非定常的流动，内部流场很难直接求解出来。我国曾先后经历了一元流、二元流和三元流的理论设计阶段。D630-31离心式真空机源于上世纪70年代末的意大利新比隆技术，受当时国内的条件所限，只能采用二元气动设计，叶轮为二元叶轮。这样的好处是叶片造型简单，制造工艺简单，但叶片的气动设计精度不高，流动效率较低，稳定工作范围较窄。随着我国生产制造水平不断提高以及计算机水平的飞速发展，叶轮设计技术已经由过去简单的一元流动模型发展为现在更加科学的三元流动理论设计。可以通过气动计算结果直接对叶轮、扩压器和回流器进行电脑三维建模，并通过专业软件对叶轮、扩压器和回流器进行CFD流场分析计算，确保叶轮符合设计要求；叶轮加工技术也由过去的传统放样加工转变为现在的高精度五轴联动数控机床加工。三元流加工出来的叶片在空间上是扭曲的，与气体的实际流场边界更加匹配，流动损失降到最低，所以相比传统二元叶轮效率得到了大幅提高，整机效率可达83%以上。

5 真空机扩容改造的主要内容

叶轮是转子的关键部件，直接关系到气体流量大小和效率的高低。经过三元流动设计的叶轮，在叶轮出口宽度、进口宽度、进口直径和叶片的形状、角度等方便均有优化。从现场对比来看，叶轮进、出口宽度更宽，叶轮进口直径更大，叶片有较大的扭曲度，叶轮轴向方向整体更宽。总之，叶轮内部流道显得更加宽阔顺畅。转子组上其他部件包括主轴、轴套、密封套、平衡盘、推力盘等未进行改动。转子经过气动计算、叶轮强度计算以及转子动力学计算，确保改造后的转子既达到设计的要求，又有足够的强度。

隔板是构成气流通道的主要定子件，叶轮改动后，隔板上的扩压器、弯道、回流器、口圈密封等尺寸也相应做出了调整。

由于主轴尺寸未改变，所以原有的机壳、油封、轴瓦、级间密封、联轴器等均可以利用，在各零部件完好的情况下，只需更换转子组、隔板、叶轮口圈密封即可，所以改造过程简单快捷。关键在于旧隔板拆除，需要特制重锤才能从机壳上将隔板打出。真空机的旧隔板经过八年连续使用，各部位情况很好，隔板拆除也较轻松，改造前后只用了3天时间。

扩容后的真空机轴功率上升到998 kW。拆除原900 kW电机，安装上了1 250 kW的闲置旧电机。

增速箱原功率为900 kW。因为增速箱设计功率本身留有了较大的富裕量，综合公司同系列增速箱改造后的实际使用情况，我们认为该增速箱完全可以继续在扩容后的真空机上使用，所以未进行更换。油站及管路也保留使用。