化肥装置高压压缩机轴向推力的优化设计

李津津

(沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869)

在化肥项目中，合成氨装置的合成气压缩机组和尿素装置的二氧化碳机组压力高、压比大、分子质量大，不同程度地影响压缩机轴向推力，因此，准确地计算出压缩机轴向推力对于压缩机厂家是一个巨大挑战。机组满负荷运行时也印证了这一点，无论进口还是国产机组都出现过推力瓦温过高的情况。压缩机组一般采用等压力轴向推力计算法，计算所得的残余轴向推力为推力轴承许用最大推力的15%左右，但现场运行时推力瓦温远超设计值。因此，目前急需从多角度来研究分析推力轴承温升高的原因，并提出解决方案，且在实践中将之不断完善。

1 研制内容

1.1 计算分析

虽然叶轮进口处充满了叶轮进口压力P1下的气体，但是由于叶轮的盖盘和轴盘与隔板间形成的空腔已被出口压力P2下的气体充满，因此每个叶轮都会受到轴向推力的影响。

单级叶轮的推向推力计算公式：

式中，D1为叶轮外圆直径，dm为叶轮口圈直径，dj为隔套直径。

图1 叶轮轴向受力分布图

对于超高压、大压比的机组，仅仅考虑叶轮的轴向推力，往往与现在机组实际运行情况有差距，大多数高压机组现场运行瓦温较高，因此，须系统地分析影响压缩机轴向推力的因素。能影响残余轴向推力的因素有平衡系统和推力轴承，因此，从这两个方面进行系统地分析并加以改进。

1.2 平衡系统结构改进

压缩机一次平衡系统是指由平衡盘后腔体(平衡盘密封与轴端密封之间的空间)及连通压缩机平衡腔与入口的通道组成。一次平衡系统的作用是维持压缩机平衡盘后压力与入口压力一致，保证机组设计时推力计算所采用的平衡盘后压力与实际情况接近，避免机组设计推力与实际运行不符。

为满足一次平衡系统(见图2)的功能要求，按机组实际功能可分为两个区域：平衡腔区(红色区域)、一次平衡连通区(绿色区域)。

图2 一次平衡系统

平衡腔区是由平衡盘密封与轴端密封之间形成的空间区域，其作用是让经过平衡盘密封泄漏的介质有充足的缓冲空间，以保证平衡盘密封后压力稳定。

一次平衡连通区是指连通平衡腔与压缩机入口的介质流通通道，其作用是将平衡腔内的介质以相对最小的压力损失排到压缩机入口，保证平衡腔内压力持续稳定。

1.2.1平衡腔结构要求

为实现平衡腔功能，保证泄漏介质有充足的缓冲空间，平衡腔轴向截面积(见图2中红色面积)不小于最大平衡气孔截面积，在结构充裕机组中可尽量加大平衡腔体积。

1.2.3 Transwell实验 以50 mg/L Matrigel 1∶8稀释液包被Transwell小室底部膜的上室面，4℃风干。将制备好的细胞悬液200 μL加入Transwell小室，24孔板下室加入500 μL含FBS的培养基。在37℃、5%CO2的孵箱中常规培养24 h，用棉签擦去上室内的细胞，4%多聚甲醛固定15 min，清洗、染色后置于倒置显微镜下观察，拍摄和细胞计数。

1.2.2一次平衡连通区结构改进

分析不同平衡管径及平衡管数量方案时，平衡腔及平衡管内的压力分布。

图3所示为压缩机平衡盘密封及平衡腔子午图，为评估平衡管内径及数量对平衡盘两侧压力的影响，在保持平衡盘密封及平衡腔结构相同的条件下，分别确定平衡管内径为30 mm，数量为1根；内径为25 mm，数量为2根；内径为25 mm，数量为4根。3种不同方案分别简称为方案一、方案二、方案三。

图 3 平衡盘密封及平衡腔子午视图

平衡系统计算结果见表1。由表1可以看出，随着平衡管通流面积的增加，在平衡盘低压侧的壁面静压逐渐降低，并接近于平衡管出口压力。可见在现有方案中增加平衡管通流面积可以提高平衡管泄压能力，降低平衡盘低压腔压强。同时，随着平衡管通流面积的增加，通过平衡管的气体泄漏量逐渐增加可知，增加平衡管通流面积将增加压缩机的内泄漏损失。

表1 平衡系统计算结果

图4为平衡管入口静压分布，可以看出，在平衡管通流面积增加后，作用在平衡盘低压侧的压力及平衡管入口的静压均逐渐下降。

图4 平衡管入口静压分布

因此，增加平衡管通流面积，提升平衡管的泄压能力，平衡盘的低压侧壁面静压随平衡管通流面积的提升而下降，在平衡气流速为27.85 m/s时，平衡腔压力基本接近平衡气管出口压力。

为实现一次连通区功能，应快速排出泄漏到平衡腔中的介质，保证平衡腔压力稳定。为保证平衡腔压力尽可能接近压缩机入口压力，减少管道中的流通损失，一次平衡气管的流速越小越好，考虑空间限制，若一路平衡管道无法满足流速要求，可增加多路平衡管道。

1.2.3平衡系统增设取压点

为保证和检测一次平衡系统的正常工作，平衡腔取压是从端盖外部连通平衡腔的取压孔，可实时监测平衡腔压力，监控一次平衡系统是否正常工作。

1.2.4平衡气管增设调压装置

部分合成气机组和二氧化碳机组出现副推力瓦温高的情况，这是由于计算轴向推力为负值(反向推力)，加上气动条件、平衡系统、轴承等因素影响，使得机组轴向反向推力增大，导致副推力瓦温高。

在平衡气管上设置闸阀。通过控制闸阀的开度，来影响平衡气管流速和平衡盘低压侧压力，使得平衡盘反向推力变化，然后转子轴向推力发生变化，从而控制推力轴承的瓦温。

1.3 轴承改进

1.3.1推力轴承瓦块材质的选用

流经推力轴承瓦块表面的油形成对瓦块的剪切力，并产生热量，使得这一区域的瓦温较其他区域高。 这样瓦块上便出现了热量梯度，过高的热量导致了温度升高，并使负载能力降低。

碳钢的热传导率为46.7 W/m·K，铜铬合金的热传导率为323.6 W/m·K，铜铬合金的热传导率约为钢7倍。相比于碳钢，铬铜合金具有高的热传导性，可以降低热量梯度。它还可以将 “热点”的温度消散，平均分配到瓦块表面的其他部分。

分别制造26.67 cm(10.5英寸)碳钢瓦块和铜铬合金瓦块的推力轴承，在不同比压、不同转速下进行试验，测得40组数据，绘制出比压-转速-温度两种推力轴承的曲线(见图5)。

图5 10.5英寸推力轴承比压-转速-温度曲线注：为碳钢瓦块LEG型推力轴承比压2.07MPa曲线，为碳钢瓦块LEG型推力轴承比压3.45MPa曲线，为铜铬合金瓦块LEG型推力轴承比压2.07MPa曲线，为铜铬合金瓦块LEG型推力轴承比压3.45MPa曲线。

根据试验的4组曲线，在比压2.07MPa、转速相同条件下，铜铬合金推力轴承比碳钢推力轴承瓦块温度低9～10℃；在比压3.45MPa、转速相同条件下，铜铬合金推力轴承比碳钢推力轴承瓦块温度低12～14℃。因此在相同条件下，铜铬合金推力轴承比碳钢推力轴承热传导更好，瓦块温度低10℃左右。

根据统计结果，样本库中合成气和二氧化碳机组采用的推力轴承瓦块材质均为碳钢。为减小轴向推力不确定的影响，机组换用铜铬合金瓦块推力轴承可有效降低瓦温。

1.3.2推力轴承瓦块加工工艺改进

通过选取6块推力轴承瓦块体、安装销，使用不同力度冲死销，通过瓦块接触情况，检查变形情况。检查后发现，正常力度冲死后，瓦块接触面变形；稍小力度冲死后，瓦块接触面情况良好。

因此，冲死的力度很大程度上影响了瓦块的变形量，还影响了推力轴承的承载力，这是导致机组在推力正常情况下推力瓦温高的重要原因。

为解决瓦块变形的问题，调整瓦块加工工艺方案。瓦块体与销组装完成后，利用特制夹盘，加工瓦块工作面，去除瓦块工作面变形量；装配推力轴承后，增加推力轴承瓦块研接触面积工序、推力轴承厚度测量工序，确保轴承装配质量合格。

2 机组运行验证

某化肥装置二氧化碳压缩机高压缸首次运转时，压缩机出口压力13.347MPa(g)，推力温度达到104.5℃，无法继续提高负荷到设计值；对机组进行改造，平衡气管扩大管径；增加平衡气管数量；推力轴承瓦块材料改为铜铬合金，并采用新工艺加工瓦块。采用新结构后，机组第二次开车，出口压力达到设计值15 MPa(g)，推力瓦温为67.5℃。经过机组现场运行验证，在新结构方案作用下，推力瓦温降低近40℃，效果显著。

3 结语

轴向推力的准确计算是一个难题，曼透平公司和GE公司分别在2014年、2015年的透平机械展上公布了其轴向推力研究的文章，认为精确确定转子轴向推力是一个挑战。针对高压机组只考虑等压力面的轴向推力，不能有效反映真实推力。

该项目所做的叶轮轴向推力的计算则考虑了气体从叶轮出口向进口和从回流流道向叶轮出口的泄漏产生的“二次效应”；考虑了叶轮的形式、叶轮的直径、叶轮转速、叶轮高效点的流量系数、叶轮工况点、口圈密封及级间密封以及介质种类的影响等气动方面影响；又考虑了平衡管流速、平衡腔面积、推力轴承等结构方面的影响，考虑因素更全面，预期计算分析精度更高。