陳　勇　張先裕

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所　上海201108)

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高效硝酸尾氣膨脹機的研制

陳勇張先裕

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所上海201108)

0前言

通過對國內(nèi)多家硝酸生產(chǎn)企業(yè)的空氣壓縮機機組進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)普遍存在由于硝酸尾氣膨脹機回收功率不足而導(dǎo)致空氣壓縮機機組低轉(zhuǎn)速運行、硝酸產(chǎn)量下降的問題，因此，提高硝酸尾氣膨脹機回收功率的工作亟待解決。

國內(nèi)某化工企業(yè)擁有多條硝酸生產(chǎn)線，其中5#生產(chǎn)線為550 t/d高壓法硝酸生產(chǎn)裝置。該生產(chǎn)線中的空氣壓縮機機組由硝酸尾氣膨脹機、軸流式空氣壓縮機、離心式空氣壓縮機和汽輪機組成，其中硝酸尾氣膨脹機為英格索蘭多級軸流式膨脹機(五級)，已使用多年，效率大幅降低，回收功率不足，導(dǎo)致空氣壓縮機機組無法按照設(shè)計轉(zhuǎn)速運行，進而硝酸產(chǎn)量大幅降低；同時，還存在尾氣泄漏等問題，影響操作人員人身安全。

1設(shè)計參數(shù)及設(shè)計要求

設(shè)計參數(shù)：流量66 520 m3/h(標態(tài))，進口溫度610 ℃，進口壓力0.77 MPa，出口壓力0.10 MPa，轉(zhuǎn)速8 350 r/min，功率8 150 kW。

設(shè)計要求：①提高硝酸尾氣膨脹機效率，使空氣壓縮機組能夠達到原來的設(shè)計轉(zhuǎn)速；②解決漏氣問題。

2氣動設(shè)計

對硝酸尾氣膨脹機設(shè)計參數(shù)進行分析，結(jié)合目前透平設(shè)計級焓降水平，使用三級透平完全能夠滿足要求。經(jīng)過一維特性計算、S2流面計算、葉片造型及計算流體動力學(xué)(CFD)流場仿真，并與可靠性分析過程相互迭代，完成了硝酸尾氣膨脹機的氣動設(shè)計。

在進行級的焓降分配方面，從減小排氣損失的角度出發(fā)，末級應(yīng)分配較小的焓降，使出口氣氣流接近軸向；同時，前面級焓降大，則溫度降低也多，對后面級的強度有利；但隨著葉片高度的增加，級做功能力也有所增加。綜合以上幾個方面考慮，確定了硝酸尾氣膨脹機的焓降分配，末級動葉出口氣流接近軸向，余速損失較小。

采用CFD計算軟件CFX進行三維流場仿真，觀察硝酸尾氣膨脹機流道內(nèi)部的流動細節(jié)。計算中考慮了葉片葉頂間隙等因素，對間隙區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格進行了特殊處理，使計算盡可能貼近實際情況，以確保計算結(jié)果的準確性。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到與用戶現(xiàn)場的管道配合，硝酸尾氣膨脹機的總體結(jié)構(gòu)借鑒了原國外硝酸尾氣膨脹機的結(jié)構(gòu)，采用上進下出的結(jié)構(gòu)形式，并在此基礎(chǔ)上進行局部優(yōu)化。結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用三維建模軟件對所有零部件進行建模，利用三維建模軟件的特征驅(qū)動功能，能夠快速修改設(shè)計，并轉(zhuǎn)化為工程圖，同時也為CFD計算、臨界轉(zhuǎn)速分析等提供了依據(jù)。

3.1殼體設(shè)計

原有的尾氣膨脹機采用了進氣蝸殼的設(shè)計，尾氣從蝸殼進入，經(jīng)導(dǎo)向環(huán)將氣流轉(zhuǎn)為軸向，再進入葉片流道。蝸殼位于進氣殼體內(nèi)部，中間敷設(shè)保溫層，此種結(jié)構(gòu)帶來的好處是有利于降低殼體溫度；但由于蝸殼進口直徑與進口管道直徑存在一定差異，部分硝酸尾氣會進入蝸殼與進氣殼體之間的空腔，進而形成流動死區(qū)。進氣端蜂窩密封、靜葉殼體高壓部分固定在蝸殼上，轉(zhuǎn)子從蝸殼內(nèi)穿過，轉(zhuǎn)子從殼體內(nèi)拆解出來時需連同蝸殼等零件一并起吊，蝸殼及蜂窩密封等零件質(zhì)量均由主軸承擔(dān)，易損傷主軸，特別是與蜂窩密封配套的密封齒極易被壓塌或傾倒，使密封性能降低甚至失效。

在綜合分析了原有結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點之后，取消了進氣蝸殼的設(shè)計，氣流由徑向轉(zhuǎn)為軸向，導(dǎo)向功能由靜葉殼體來實現(xiàn)。此種設(shè)計簡化了結(jié)構(gòu)，提高了可靠性，安裝和維修更方便。

3.2轉(zhuǎn)子設(shè)計

轉(zhuǎn)子采用兩端支撐的形式，提高了運行穩(wěn)定性。主軸采用整體鍛件，剛度強，確保整個轉(zhuǎn)子為剛性轉(zhuǎn)子，降低了啟、停機時過臨界轉(zhuǎn)速的操作難度。原來使用的膨脹機為五級，經(jīng)重新氣動設(shè)計后，減至三級即可滿足要求，輪盤與主軸采用花鍵傳遞扭矩。考慮到推力盤經(jīng)長期使用后可能出現(xiàn)損壞，為便于維修，推力盤與主軸為分體結(jié)構(gòu)，過盈配合。轉(zhuǎn)子上設(shè)有測位移盤，運行中通過位移傳感器對轉(zhuǎn)子的位移進行實時監(jiān)測，并帶有聯(lián)鎖，一旦軸位移超過監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)定的停機值，控制系統(tǒng)將自動對機組進行停機操作。動葉與輪盤采用樅樹形榫頭連接，葉片榫頭及輪盤榫槽應(yīng)力小，強度裕度大，可靠性高。

3.3密封設(shè)計

在工業(yè)透平中，迷宮密封由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉而得到廣泛應(yīng)用。隨著蜂窩密封加工成本的下降以及機械行業(yè)對密封的要求越來越高，其使用范圍不斷擴大。在硝酸尾氣膨脹機中，軸端、級間都需要進行有效密封。雖然蜂窩密封效果較好，但仍無法做到完全密封，因此，在進氣端采用了蜂窩密封與碳環(huán)密封相結(jié)合的形式，可提高密封效果。級間采用蜂窩密封，避免大量尾氣從級間間隙內(nèi)泄漏而造成下游流場的紊亂。

4可靠性分析

為了保證膨脹機能夠長周期穩(wěn)定運行，必須對膨脹機的關(guān)鍵零部件進行詳細的可靠性分析，包括強度校核、振動分析和臨界轉(zhuǎn)速分析。

4.1強度校核

動葉和輪盤之間采用樅樹形榫頭進行連接，在工作情況下需承受高溫?zé)釕?yīng)力、離心載荷及氣動載荷，必須保證足夠的強度裕度。強度校核采用有限元分析軟件ANSYS進行應(yīng)力計算，在進行網(wǎng)格劃分時特別針對葉片根部和榫頭部位進行網(wǎng)格加密處理，力求更準確地反應(yīng)葉片應(yīng)力分布情況。動葉應(yīng)力分布示意見圖1，輪盤榫槽處應(yīng)力分布示意見圖2。

圖2　輪盤榫槽處應(yīng)力分布示意

從強度計算結(jié)果來看：動葉和輪盤應(yīng)力分布均較為均勻，動葉最大應(yīng)力位于榫頭部分，輪盤最大應(yīng)力位于榫槽處；動葉和輪盤的強度安全系數(shù)分別達到3.0和2.5，均大于許用安全系數(shù)，說明葉片和輪盤的強度是安全可靠的。

4.2振動分析

分別對各級葉片進行振動分析，可計算得到葉片靜頻和動頻，以及葉片的各階振型。利用坎貝爾圖分析葉片在工作情況下產(chǎn)生振動的可能性，一旦葉片在工作條件下存在共振的可能，就需要對葉片進行修改，調(diào)整其頻率，以避開共振頻率，確保安全可靠。動葉一彎振型示意見圖3，動葉一扭振型示意見圖4。

圖3　動葉一彎振型示意

圖4　動葉一扭振型示意

4.3臨界轉(zhuǎn)速分析

進行轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算時，在保證不影響計算結(jié)果的前提下，對模型進行適當(dāng)簡化。轉(zhuǎn)子網(wǎng)格示意見圖5，轉(zhuǎn)子一彎振型示意見圖6。

圖5　轉(zhuǎn)子網(wǎng)格示意

圖6　轉(zhuǎn)子一彎振型示意

由計算結(jié)果可知，轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速9 960 r/min，而工作轉(zhuǎn)速為8 350 r/min，屬于剛性轉(zhuǎn)子；振動裕度較大，可確保轉(zhuǎn)子在運行中不發(fā)生共振。

5熱態(tài)機械運轉(zhuǎn)試驗

為了檢驗產(chǎn)品的設(shè)計、制造和裝配質(zhì)量，進行了整機熱態(tài)機械運轉(zhuǎn)試驗，為此，專門搭建了硝酸尾氣膨脹機試驗臺。該試驗臺由變頻電機作為動力，經(jīng)變速箱驅(qū)動硝酸尾氣膨脹機。試驗轉(zhuǎn)速在400～8 400 r/min，完全覆蓋膨脹機的工作轉(zhuǎn)速。試驗臺配備了獨立的潤滑油站，布置在試驗臺旁地下室，流量為160 L/min，并分別對膨脹機、變速箱進油溫度、回油溫度、進油壓力及流量進行監(jiān)測。膨脹機進口與出口通過管道連接，形成閉路循環(huán)，機殼及管道外進行保溫。在電機的驅(qū)動下，膨脹機內(nèi)空氣溫度逐步升高，機殼和轉(zhuǎn)子逐步膨脹，模擬膨脹機真實運行工況。在機殼及軸承箱處架設(shè)百分表，觀察膨脹機在高溫下各部位的熱膨脹情況；對軸承溫度、轉(zhuǎn)速、振動、軸位移等進行監(jiān)測，信號接入監(jiān)控系統(tǒng)，并進行聯(lián)鎖。試驗取得了膨脹機在不同轉(zhuǎn)速、不同溫度下的運行參數(shù)，經(jīng)分析，膨脹機各項性能指標均達到設(shè)計要求，為該設(shè)備在用戶現(xiàn)場的運行提供了可靠保障。

6現(xiàn)場運行

由于膨脹機仍然采用原有的膨脹機支座，給機組的安裝找正工作帶來了一定的困難。經(jīng)細致調(diào)試，機組開車成功，膨脹機各項性能指標均大大優(yōu)于原有機組，硝酸系統(tǒng)產(chǎn)量由360 t/d增加至420 t/d，增幅達16.7%；系統(tǒng)副產(chǎn)蒸汽由13 t/h增加至20 t/h，大大降低了生產(chǎn)成本。由于膨脹機轉(zhuǎn)子的平衡精度高，機組對中好，更換硝酸尾氣膨脹機后，不僅膨脹機振動值由原來的60 μm左右降低至20 μm以下，還帶來整套空氣壓縮機組振動的大幅下降，整套空氣壓縮機組最大振動值低于40 μm。

7結(jié)語

在該硝酸尾氣膨脹機的研制中，采用了一些新的結(jié)構(gòu)，在熱態(tài)機械運轉(zhuǎn)試驗及現(xiàn)場運行中均得到檢驗，證明是行之有效的。在開發(fā)過程中，也曾遇到一些問題，特別是在裝配階段，暴露出個別零件吊裝不便、螺栓扳手空間不夠等問題，但最終都得到了妥善的解決。這些問題和解決問題的過程都成為寶貴的經(jīng)驗，在將來的設(shè)計中需更加注意細節(jié)的設(shè)計。隨著硝酸生產(chǎn)裝置的大型化，還將進一步開發(fā)更大型號的尾氣膨脹機，該硝酸尾氣膨脹機的開發(fā)也為此打下了良好的基礎(chǔ)。

(收稿日期2016-01-12)