浅析英格索兰META-1512 型轴流压缩机改造

李睿翾，唐乐

（中国石油天然气股份有限公司大连石化分公司，辽宁 大连 116031）

二催化装置于1988 年12 月21 日投用生产至今，引进美国英格索兰公司整套主风机组，机组形式烟机-轴流主风机-汽轮机-电动发电机，主风机作用为反再系统提供流化及烧焦用风。风机型号：META-1512，为12 级轴流式压缩机，其中5 级可调静叶。设计入口2000Nm3/min，额定功率7361kW。该机组投用至今使用30 年，叶片磨损减薄严重，风机效率及安全性能严重下降，尤其是夏季风量过低，催化装置被迫降量生产。因此，二催化装置亟需更换性能更高、安全性更为可靠主风机来满足装置正常生产及长周期运行的要求。

英格索兰轴流压缩机，与国产风机设计理念和结构相差较大，若将主风机整体国产化，无法保证整套四机组的稳定性。如果购买原厂配件改造费用在1400 万，且英格索兰风机叶片表面需要喷涂并在美国进行，加工进度无法保证。由于二催化主风机库存有一台同系列大尺寸轴流压缩机，设计风量为2300Nm3/min，该轴流压缩机在装置建成初期1988 年首次运行时风量过大无法满足工艺要求，存放于库中近30 年。因此，本次改造的重点就是对库存大尺寸轴流压缩机进行解体测绘与国内轴流风机制造工艺进行对比，分析压缩机配件全部或局部国产化的可行性，并对库存转子及定子进行改造。

1 轴流压缩机定子改造

1.1 定子的结构特点

（1）英格索兰轴流风机特点是结构单薄，静叶可调部分装在壳体外，这样的结构即使在运行情况下，可调静叶机构也可随时进行检查维修，而不需要将上缸吊开。（2）入口联箱采用矩型结构，这样能够使用尺寸较大的低压方形管道。支撑脚在蜗壳两边使整个壳体组件支撑在中心线上，在热膨胀及收缩时入口蜗壳可自由的轴向位移，而垂直方向则由螺栓所限制，横向方向由导向键所限制。出口蜗壳终止在出口连接处，由于导向键的限制，出口蜗壳不会由于热膨胀及收缩而横向移动。（3）静叶有两种型式—可调静叶及固定静叶。第一套叶片是可调入口导叶，它给进来的空气以预先的流向，下面四套叶片同样为可调静叶。所有可调静叶及入口导叶通过调节机构连续可调，调节角度为-30°～8°。为了便于安装，把围带分成8 瓣，5 ～12 级静叶是固定的，第12 级静叶后部是出口导叶；这些导叶消除残余的涡流速度，使气流形成轴向排放。

1.2 定子运行现状

二催化轴流机的定子组件主要包括三部分：入口段、静叶承缸（可调静叶、静叶、静叶持环、执行机构等）、出口段。

1.3 定子改造方案

轴流机定子改造设想两种方案：

（1）方案一，利旧转子，把中间定子组件全部由陕鼓按原尺寸测绘制造的，并更换陕鼓的静叶执行机构。（2）方案二，保留出入口方箱，把转子和定子全部换成陕鼓制造，保证中心高，轴头间距，保证现场的安装尺寸。

1.3.1 静叶结构不同

陕鼓轴流压缩机静叶与英格索兰的不同，没有这种叶顶围带结构，这种结构复杂、尺寸单薄，陕鼓无法进行测绘加工。静叶承缸对比见图1。

图1 英格索兰（左）和陕鼓（右）静叶承缸对比

1.3.2 静叶调节机构设计方式不同

英格索兰轴流压缩机可调静叶是圆周调节，而陕鼓压缩机的是轴向调节。英格索兰轴流压缩机轴向空间不够，无法换成陕鼓调节缸及其调节驱动液压油缸。在保留出入口方箱情况下，就算转子和定子全部更换成陕鼓设计，轴向距离也无法满足可调静叶调节缸的安装。如果是整机按照国产设计更换，AV 系列风机尺寸刚度明显要大于META-1512，中心高和轴头距离都无法保证，由此可见，英格索兰静叶承缸国内并不具备制造条件。调节机构区别见图2。

图2 调节机构区别

2 轴流压缩机转子改造

2.1 英格索兰转子结构的特点

2.1.1 叶片结构形式不同

陕鼓AV 系列轴流风机转子为等内径结构，便于加工，转子整体结构刚度强。动叶片采用的是美国NACA 的原始叶型的基础上，做了少量的修改，叶片表面没有涂层而是经过抛光喷砂处理，提高抗疲劳强度，动叶沿圆周方向安装，叶根形式为纵树型，隔叶块定位，每级最后安装的两个动叶片之间用锁紧隔叶块定位锁紧，有时候也会采用填隙片将叶片锁紧。

英格索轴流风机各转盘的直径相同，动叶采用美国NASA 叶型，叶片表面喷涂耐磨、防锈涂层，叶根形式为燕尾型，可以单个更换并有柔性装配的特点。

2.1.2 英格索兰轴流风机叶片特殊结构

催化裂化装置的主风机的流量是经常变化的，可调静叶需要频繁调节，因此，轴流风机前五级动叶的负荷随着可调静叶角度的变化时刻在变化，前五级动叶长期处于交变载荷作用下易磨损，甚至断裂，而断裂的原因往往是由于振动，尤其是共振引起的叶片的疲劳断裂。由于轴流压缩机第一级动叶片的工作环境最恶劣，因此，为了减小动叶片振动，需要对风机动叶片进行调频，使叶片运行频率远离共振频率。同时，META-1512 采用叶片松装的形式减小转子的振动。

（1）叶片调频。叶片在静止状态下振动的自振频率称为叶片的静频率。常用等截面自由叶片切向振动的静频率的计算公式为：

式中，E 为叶片材料的弹性模数；ρ 为叶片材料密度；L 为叶片工作部分的长度；A 为叶片的横截面积；I为叶片横截面的惯性矩；kl 为叶片频率方程的根。

①由上式看出叶片的自振频率f 与叶片的质量m 成反比。因此，轴流风机一级和三级采取了叶片顶部钻孔减小叶片质量的方式来提高叶片的自振频率。

②叶片的自振频率与叶片高度L²成反比，叶片越短，自振频率越高。在检查再用转子时，发现第5 级动叶叶顶间隙时达到了2.5mm，远远超出设计最大值1.22mm，其他级无此现象。这就是因为调频原因才将第五级叶片变短，最终决定按照原尺寸进行加工。

（2）叶片松装结构。风机叶片为轴向插装的燕尾型叶根，叶片并采用了松装的方式,叶片在气流力扰动下叶根和承轮缘载接触面间产生相对滑动和摩擦,消耗叶片振动的能量,有效地减小和降低了叶片振动,提高了叶片的安全可靠性。叶片结构及安装形式见图3。

图3 轴向插装的燕尾型叶根及叶顶开孔

2.2 转子现状

（1）主风机叶片减薄严重，部分叶顶存在凹痕，叶片的磨损会使得风机全压下降，效率显著降低，同时，叶片的强度也无法保证，因此需要更换全部叶片或整套转子。（2）动叶及静叶结垢较为严重，遇到阴雨天气，风机的效率下降极为明显。

2.3 改造方案

轴流机转子改造设想两种方案。

（1）方案一：利旧库存转子，对叶片高度按照在用转子叶片长度和高度切割，根据再用风机叶顶间隙标准及往年叶顶间隙的实测值确定备用转子叶顶间隙，并尽量减小叶顶间隙，以保证风机效率。（2）方案二：要由陕鼓测绘制，按照陕鼓转子形式造新转子。

陕鼓转子和在用定子存在干涉。

因为陕鼓转子动叶叶根槽与英格索兰的不同，造成最后一级动叶叶根处，转子与机壳之间干涉，导致转子无法国产化。因此只能执行方案一，对库存旧转子叶片进行切削。干涉情况见图4。

图4 转子和定子之间干涉

2.4 转子改造

由于陕鼓的转子结构设计及加工工艺与英格索兰的区别较大，为保证转子更换的可靠性并减少投资成本，最佳方案就是对库存旧转子进行性能改造，因此，需要对备用转子及动叶片进行拆检、切割动叶叶顶，在保证装配尺寸的前提下，减小叶顶间隙，提高风机效率。

（1）动叶片进行测绘。再用转子与备用旧转子经测量，各轴向距离、动叶片弦长均相同，动叶高度、动叶叶长不同。因两个转子动叶叶身均有不同程度磨损，无法对叶型准确比对，综合考虑，决定将库存旧转子叶片按照方案一进行切削。

（2）对主轴进行跳动、瓢偏测量,电不圆度检测，检查主轴不存在弯曲。

（3）动叶拆卸、探伤、切割、组装。备用转子动叶表层为涂层而并非硬膜防锈油，携带涂层的动叶片无法进行着色、磁粉这种常规的表面探伤，考虑到该涂层较为完好，若对涂层进行清理可能会损伤叶片。同时，射线探伤但对厚度小于8mm 叶片，进行超声波检测检验则存在困难。因此，决定对所有叶片进行拆卸进行X 射线探伤，探伤完成后，按照在用叶片尺寸进行切割。

（4）动叶测频。由于转子采用了松装叶片的结构，故无法测量叶片动频率。如需测量，则必须拆除动叶固定装卡后方可测量。但是该转子表面有涂层，测量叶片频率只能作为参考。综合考虑，旧转子运行30 年无断叶片和裂纹情况，且该涂层较为完好，因此最终决定取消转子测频的工作。

（5）转子叶顶车削。叶顶车削需先进行粗车削，然后再进行多次精车，每次车削完成后，复测叶顶间隙。但是因为叶片为松装形式，车削叶片的时候叶片需要用楔子固定。

（6）转子高速动平衡。轴流压缩机属于挠性转子，需要进行高速动平衡(6329r/min)，转子高速动平衡在真空环境下进行。转子振动评价标准依据《GB/T 6557-2009 挠性转子机械平衡的方法和准则》，其中动平衡试验设备要求满足JB/T 13220-2017。

3 轴流风机运行情况

3.1 轴流压缩机性能和效率提高

主风机2020 年8 月1 日投用正常，试机工况下，风机出口压力能够达到0.28MPa（设计0.3MPa），出口风量能保持1800Nm³/min。较上周期开工初期的最高出口压力0.235MPa，出口风量1800m³/min 的能力有所提高，效率有所提高。

3.2 轴流压缩机流量平稳

机组在夏季（30℃），机组静叶开度维持在55%～65%之间出口流量能满足够工艺要求的1700Nm³/min，入口流量能够保持在2000Nm³/min，达到了风机改造的要求，且静叶调节还有余量，连续运行近一年后，机组出口风量满足要求，效率无明显下降。

3.3 经济效益提升明显

（1）英格索兰主风机改造方案费用1400 万，最终国内改造费用150 万，大大节约成本。（2）四机组正式投产后，因主风机效率提高，四机组电动发电机由用电500kW 状态转为发电状态，最高发电功率高达3000kW，大幅度降低能耗，每天节约电费6 万元。（3）处理量提高，优化了产品分布，实现了装置满负荷、高质量生产。2021 年较2019 年将增效1.5 亿元，取得了较好的改造效果。

4 结语

通过本次风主机改造，我们认识到英格索兰META 系列轴流风机和国内陕鼓AV 系列风机在结构上有着明显的差异，通过对静叶的拆按、清理、无损检测、更换石墨轴承确保了静叶的可靠性。对库存大尺寸转子解体测绘、检查，车削动叶片叶顶的方式，在保证装配尺寸前提下适当减小叶顶间隙来提高风机效率，不但消除了原动叶片因磨损减薄带来的安全可靠性下降的隐患，更重要的是解决了风机流量不足的问题，为催化裂化装置创造了良好的经济效益，也为轴流压缩机改造及国产化积累了经验。