（机械工程专业论文）离心式压缩机扩容改造设计分析与研究.pdf

中文摘要 对洛阳分公司催柴加氢装置技术改造后，拟将离心式循环氢压 缩机扩容2 0 的生j 。需求进行了分析论证与研究。分析了离心式压 缩机扩容改造技术发展的历史、现状与改造途径：运用相似、三元 流等流体机械和工程热力学理论，计算分析了循环氢压缩机当前与 预期的工况。通过对压缩机设计、运行工况，以及压缩机、驱动透 平所具有的有利条件进行分析，论证了机组扩容改造的可行性。给 出了机组改造的原则，对影响压缩机流量提高的主要6 个因素和目 前主流改造方法进行了分析、优化，提出了对压缩机以及相关系统 进行改造的基本思路，确定了压缩机扩容改造方案：保持压缩机的 进气条件和转速不变( 按相似换算后的转速确定) ，减少原有机器 的级数，按流量增加的比例适当增加叶轮和通流部分的宽度，应用 三元流理论对叶轮叶片形状和出口安装角进行必要的调整，提高单 级压力比，使整机流量提高2 0 、效率不低于8 3 ，压比仍维持原 来的9 0 7 0 。详细分析了影响机组能耗、效率的因素，给出了改 造中从技术上实施能牦和损失控制的策略，评定了机组改造效能和 经济性。为洛阳分公司的压缩机改造提供了必要的理论依据，为企 业的技术改造指明了方向。 关键词：离心式压缩机；扩容改造：三元叶轮。 a b s t r a c t t h ed e m o n s t r a t i o no ft h ec o m p r e s s o ro fl u o y a n gg e n e r a l p e t r o c h e m i c a lw o r k sf l a s hr e b u i l d i n g2 0 i sg i v e n t h ec o n v e r s i o no f t h ec o m p r e s s o rp r e s e n to p e r a t i n gm o d ei sr e a l i z e db yu s i n gs i m i l a r i t y t h e o r y t h ec o m p r e s s o rp e r f o r m a n c ev a r i a t i o nb ym e d i u mc h a n g ei s a n a l y z e d t h ec o m p r e s s o rp e r f o r m a n c ei sc o n v e n e da c c o r d i n gt ot h e f l a s hr e q u i r e m e n t i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ed o r e b u i l d i n ga s s e m b l i n g u n i tc o u l d n tr e a c ht h ef l a s ho b j e c t t h ei d e ao fr e b u i l d i n gc o m p r e s s o r a n dt h eo t h e rr e l a t i v ee q u i p m e n t si si n t r o d u c e d t h em a i np a r a m e t e r s w h i c ha f f e c tt h ec o m p r e s s o rf l u xa r ea n a l y z e da n dh o wt os e l e c tt h e m a i np a r a m e t e r sd u r i n gf l a s hr e b u i l d i n g t h ef e a s i b i l i t yp r o j e c to ff l a s h r e b u i l d i n gi sg i v e n i nt h ep r o j e c t ，t h er e b u i l d i n gs t r e s ss h o u l d b ep u to n t h ec o m p r e s s o rr o t o rt h eo t h e rr e l a t i v ee q u i p m e n t sa r ep o s s i b l eu s e d t h ei m p e l l e r ss h o u l db ed e s i g n e db yu s i n gt h r e e d i m e n s i o nf l u i dt h e o r y t h ef l a s hr e b u i l d i n gc o s t sa r er e d u c e da n dt h ec o m p r e s s o ro p e r a t i o n a l e f f i c i e n c yi si m p r o v e dt h et h e o r yf o u n d a t i o no fc o m p r e s s o rr e b u i l d i n g i sg i v e na n dn e wd i r e c t i o nf o re n t e r p r i s ea p p l i c a t i o nf o rp r o j e c ti s p o i n t e do u t k e y w o r d s ：c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r ：e x t e n s i o na n di m p r o v e m e n t ； 1 1 i n c c d i m e n s i o n a li m p e l l e r 独创性声明 本人声明所呈交的论义足我个人在导帅指导卜进行的研究 工作及耿得的研究成果。尽我所知1 ，除了义。f | 特别加以标i i ：t f l | 致蝴的地力外，沦丈巾小包含其他人已经发表或撰写过的彬f 宄 成粜，也4 i 包括为获得石油入学或其它教耵机构的学位或u s 而使i l 过的资料。与我一h 上作的m 忐刈本研究所做的任f l l j 负 献均已存论文中作r 明确的说l i ；】并表示了谢意。 掺名。垄暨氐。一) 年一，j 1 一， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保帮、使用学位论义的规定， 即：学校有权保留送交沦文的复印件及电于版，允许论文被查 蒯利借阅：学校可以公巾论文的全部或部分内容，可以采 j 影 e 、缩叫或其他复制u f 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) # 牛签名 导! j 1 1 j 签名 袭聱灸 ? 一，了年o j 移| 幺昭年。门乙一 石油大学( 华东) 工程硕七学位论文第l 章前言 1 1 工程背景 第1 章前言 中国石油化工股份有限公司洛阳分公司( 以下简称洛阳分公 司) 于1 9 9 0 年建造一套8 0 1 0 4 吨，年的催化柴油加氢精制装置， 但由于种种原因，该婕置未能完全建好就搁置起来。近年来随着国 内外对燃油质量标准的控制以及环保排放要求的提高，市场对燃油 品质的要求越来越高，特别在中国加入w t o 后，随着国内市场对 外开放，国外高品质的燃油大量涌入，石化企业迫切需要提高产品 质量。提高燃油品质是石化企业增加竞争力的主要手段，洛阳分公 司为了适应形势的需要，恢复、续建了该装置，并采用中国石化集 团公司石油化工科学研究院新开发成功的r i c h 技术，对装置进行 了改造。该技术采用单段单剂一次通过的流程( 与普通加氢精制完 全一致) ，较之传统劲i 氢精制技术，除了流程简单、柴酒收率高、 能有效改善柴油产品色度和安定性外。该技术还能通过改变原料油 烃类组成而较大幅度地提高产品柴油的十六烷值、降低密度。采用 r i c h 技术对装置迸 j 改造后，装置的处理量将具有更大的操作弹 性，当要求提高产品质量时可适当降低加工量：相反，在适当放宽 产品质量指标进行生产时，装置的处理量可达到1 0 0 1 0 4 吨年以上， 即比原设计处理量提。i j 2 0 以上。工艺技术的升级换代，限制装置 处理能力的瓶颈转移刮一些关键设备上。如图1 1 洛阳分公司催化 柴油加氢装置的原则流程图所示，作为催化柴油加氢精制装置关键 设各之一的循环氢压缩机c 3 1 0 2 ，它的作用是给整个反应系统的氢 气提供动力，克服系统中的阻力损失，建立正常的氢气循环，满足 加氢反应所需的反应e 力，是该装置的心脏设备。因此，需要对其 迸行扩容改造，便其满足装置处理量提高2 0 的生产要求。 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第1 章前言 2 丑蟋吾堑雕群蛹乓芒掣 i 一甄 石油大学 1 3 2 1 9 r m i n 转速在允许范围。 验算此时的压缩机所需功率： 肛c 争吾- ( 一1 3 2 1 9 m 3 1 2 3 o ，堋，撕 胛 y 。 如果换算到机组原设计操作条件： 瓯= 摆鲈焉卿o o o 娟蝴所 月：丝 。：2 1 7 1 3 2 1 9 ：1 2 3 1 8 r m i n 1 4 2 0 8 ，m i n “2 丽”。22 7 甄4 。1 3 2 1 9 31 2 3 1 8 7 7 m l n 1 4 2 u 8 7 7 m 1 “ 肛器= 丽2 1 7 5 螂吲知 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章循环氢压缩机扩容的可行性研究 由以上计算可以看出，在机组原操作条件下，若要利用该机组 直接进行提高负荷，即流量( 标准状况) 增加2 0 时，其工作转速 仍未超出允许范围，也未达到压缩机最大连续转速，但如以上核算， 忽略压缩机工况严重偏离设计工况后效率下降带来的功耗增加影 响，此时机组功率8 1 7 6 k w 远远超出压缩机的设计点6 7 0 k w ，也超 出了其的额定功率7 7 0 k w 的6 1 。同时，还由于超出压缩机额定 功率情况下运行，对联轴器等动力部件形成安全隐患，也会引起次 生设备和安全事故。因此，在洛阳分公司的工艺条件下，不经过更 换或改造机组，无法满足工艺生产的需要。 3 2 2 压缩机扩容可行性分析 ( 1 ) 循环氢压缩机改造后效率和性能拓展空间大 据上海交大流体机械研究所谷传纲 2 3 1 教授调查研究，近一、二 十年是大型转动机械发展迅猛时期，无论是在研究、技术水平、制 造技术，还是检测、控制和管理上都是以往所不能比拟的。特别是 压缩机技术的发展，突出表现在机组的高效率、大的操作弹性、高 速化、小型化、组合化、低价格，精良的制造技术，材料、安全可 靠性等。大型离心式压缩机都能达到8 5 以上的整机效率，对于欧、 美、日、俄等国家的d e m a g 、d e ；a v a 、e l l i o t t 、s u l t z 、新 皮隆以及国内的沈鼓、陕鼓、锦西都能达到此水平。对于同一厂商， 上世纪7 0 年代与9 0 年代的同样规模的离心压缩机效率要提高2 5 ，与目前水平相比，差距应该在此基础上还要进一步增大。对于 循环氢压缩机在工艺工作介质下的效率在7 3 左右，相对当前技术 水平，属于效率较低下的机组。通过改造机组能在合理利用现有资 源、减少投资的基础上，解决生产瓶颈，创造企业效益最大化。 通过目前比较成熟的技术改造后，压缩机工况都能够得到较大 的改善，特别是扩大了机组可适应的工况范围，更加有利于装置生 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章循环氢压缩机扩容的可行性研究 产的能耗控制趋于经济合理。对于循环氢压缩杌的驱动机背压 式蒸汽透平，因其具有良好的调速性能，在负荷变化的情况下，时 时改变机组转速，以适应整机负荷控制，性能可靠，也是较经济的。 ( 2 ) 压缩机结构具有较好的改造基础 压缩机扩容改造的核心内容就是提高气体流量。改造增加流量 的途径很多，结合设备本体来看，循环氢压缩机扩容通过局部改造， 提高流通能力，达到扩容的更加可行：而且该方法优点是投资少， 技术改造周期短，见效快，技术可靠。实际操作上可以通过技术资 料提前设计计算，利用停机机会测绘，之后进行转子加工和静止组 件制作；在设备停机( 7 1 0 天) 期间就可以完成现场组装试机。 洛阳石化c 3 1 0 2 循环氢压缩机转子为六级铣焊叶片，止推轴承 为金斯伯雷式，径向为可倾瓦轴承。转子为单级叶轮分别加工后， 按“串糖葫芦”结构把紧在轴上；静子部件如吸气室、弯道、扩压 器、回流器、出口蜗壳等静止组件都为铸、铣、焊成型，最后镶嵌 在壳体上，具有较好的可拆装性。在对现有机器扩容或节能改造中， 仅仅限于转子和流道相关部位更新设计，保留缸体，即保持原有机 组轴向尺寸不变、机壳不变、基础不变、转子动力学特征不变，仅 对转子及隔板组件进行重新设计和制造。在设计时考虑到全部流体 速度环量，得到三元叶片的型面，以确保叶轮内部全部质点速度的 分布得到控制，使宽叶片或小曲率半径下设计计算的收敛，较好地 解决叶轮内部全部流动状态控制和叶片光滑可加工之间的矛盾，并 运用计算机辅助设计c a d 把增加叶轮叶片进口安装角、增加叶轮 流道宽度( 必要时减少叶轮级数) 等控制好，最终在确保叶轮单级 压缩比、整机压缩比的前提下，增大压缩机流量。 在氢气等离心压缩机的改造上。成功范例很多。如辽阳石化公 司聚酯厂循环氢压缩机，改造中保留了主机壳体、轴径向轴承和止 推轴承、轴端汽封等可以继续使用，仅仅对压缩机内的组件隔板、 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章循环氢压缩机扩容的可行性研究 叶轮及其上的零部件进行重新设计等，扩容改造后整机负荷提高了 2 5 t 2 4 1 。 ( 3 ) 性能优良的压缩机轴端串联干气密封能保留使用 压缩机轴端原设计为外供封油形式的“封油浮环密封”。轴端 密封系统由统一的机组润滑油站提供密封油。经过冷却系统后，使 压缩机两个端面密封封油维持在4 0 ( 2 、6 0 m p a 的供油温度和压力。 开机投入生产后，密封故障频繁，配件消耗量大，机组运行成本高， 严重影响了正常生产。 2 0 0 0 年9 月，在洛阳分公司和天津鼎名密封有限公司合作的基 础上，充分利用压缩机原来轴颈等部位的几何尺寸和几何空间，开 发并应用了“串联式于气密封”，分别设计制造了针对压缩机联轴 端和非联轴端的密封组件。本次改造是在遵照原设备尺寸的基础 上，把机组封油密封结构改造为迷宫密封和端面密封的组合形式， 通过外部引入氢气、氮气进行密封，将微量泄漏后形成的混合气体 通过管道引入火炬系统排放掉，丽没有对压缩机主轴和壳体部件等 做出任何改动。改造后延长了密封使用效果，增强了密封性能和装 置安全性能在较短时间就收回了改造投资。 根据上文分析，若压缩机不经过改造而要提高2 0 负荷，则压 缩机功率需8 1 7 6 k w ，不但远远超出了其设计功率，还超出了其额 定功率7 7 0 k w 的6 1 。根据资料【l8 1 ，机组三元流改造除了能提高 整机效率外，相对二元计的压缩机，还可以节能2 - - 1 0 。对于7 0 年代的循环氢压缩机，原整机效率7 3 ，按照一般三元流改造后， 整机效率8 3 的水平计算，扩容改造后整机效率提高大约1 0 ，能 力提高2 0 ，设计功率为7 3 5 9 k w ，综合能耗增加约9 8 。即改造 后轴功率小于按照当i 口毒几组提升流量2 0 赝澄耗的功率8 t 7 6 k w ， 因此，对于压缩机主轴端部尺寸不会增加，端面串联干气密封可继 续保留使用，可节省机组扩吝改造投资。 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章循环氢压缩机扩容的可行性研究 总之，压缩机设备本身具备良好的扩容改造的条件，结合洛阳 分公司工艺生产要求，从有效利用资源的角度出发，对压缩极转子 组件和流道等相关组件进行改造，能够满足要求。 3 ，3 驱动机的潜能分析 洛阳分公司循环氢压缩机c 3 1 0 2 的驱动机为背压式蒸汽透平， 是由中国石化镇海石化总厂于1 9 7 8 年与压缩机成套从日本石川岛 公司引进的，具体的设计参数和操作工艺条件见表3 2 。 如表3 2 所示，由于工艺生产等综合因素，机组控制在1 0 0 0 0 转分以下运行，机组透平运行负荷相对较低。当前洛阳分公司的蒸 汽条件也倾向于透平更多做功的方向，透平的进汽排汽条件也都有 利于较好地发挥透平能力。根据透平厂方提供的蒸汽消耗经验算式 进行计算 1 。 g ( 实际汽耗) = g ( 设计汽耗) f p f t f b p f s ( 3 - 7 ) 如图3 4 蒸汽透平汽耗换算系数图所示，查阅得到表3 3 透平 汽耗换算系数。 g 【女4 # ) = 15 5 4 4 0 7 9 7 得当前汽耗为1 2 3 8 8 k g h 与测量1 2 1 0 0 k g h 相近，表明了当前 透平有较富裕的潜力。若取当前操作条件下的蒸汽消耗为额定量 1 5 5 4 4 k g h ，依照表3 3 透平蒸汽消耗系数f = 0 7 9 7 反推到额定条件 的蒸汽量为1 9 5 0 3 k g h 。据表3 2 所示，蒸汽消耗率为2 3 2 k g k w h ， 可得到在当前洛阳分公司蒸汽操作条件下，当透平达到额定汽耗时 的功率输出为8 4 0 6 k w 。由于蒸汽操作条件相比设计条件，温度高 和背压低，蒸汽流量在额定值下，透平调速器的开度也会在控制范 围内。c lb , 寸的输出功率输出已超出设计值6 7 0 k w 的2 5 5 。 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章循环氢压缩机扩容的可行性研究 表3 2 驱动透平及透平调速器的设计和运行参数 参数额定 设讦 c a s e c a s e 2 当前运行 墓遗适王 功率k w7 7 06 7 07 0 06 9 0 转速r p m 1 3 5 3 1 1 1 5 2 71 3 5 3 11 1 0 2 4 第一临界转速r p m 6 6 0 0 第二临界转速r p m 2 0 0 0 0 迸汽压力m p a g 3 4 ( m a x 、d e s i g n ) 、3 0 ( m i n ) 进汽温度4 0 0 ( m a x 、d e s i g n ) 、3 7 5 ( m i r a ) 排汽压力m p a gl2 ( m a x ) 、0 9 ( m i n ) 排汽温度3 0 5 设计蒸汽消耗k g , q l 1 5 5 4 4 设计汽耗率k g & w h2 3 2 重迥蕉登 型号w o o d w a r d2 3 0 1 电子调速器 调速范嗣3 0 1 0 5 高速限位1 2 0 6 0 0 1 0 0 0 0 3 4 4 0 0 1 0 3 0 0 1 2 1 0 0 调速器开度0-1004 0 5 8 表3 3 透平汽耗换算系数 系数 入口压力入口温度出口压力速度 矫正系数f p矫正系数f t 矫正系数f b p矫正系数f s 取值l ，0o 9 4o 。8 8o 9 9 8 3 4 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章循环氢压缩机扩容的可行性研究 l_ 卜 型l l l 透半入口蒸汽压_ ：j ：j 对应的流量矫正系数l透平 口蒸汽温度对应的流量矫正系粘t f b p o 9i ( 11 【2 品 透平背部蒸汽压力对应的流量矫正系数f b p 透 f s ? o 是9 7 1 0 0 1 图3 4 蒸汽透平汽耗换算系数图 由于压缩机转子重新按照三元流设计后，整体效率可达8 3 ， 同比压缩机效率升高，更加节能。如上文分析计算，确定了改造后 的压缩机设计功率7 3 5 9 k w 。蒸汽透平在洛阳分公司工艺条件下， 达到额定蒸汽流量时，轴功率输出为8 4 0 6 k w ，按照透平厂商提供 的技术资料显示i l7 】：蒸汽消耗在设计和额定条件下考虑到了3 o 的富裕量。因此，只需对蒸汽透平实施必要的技术措施或和改进即 可满足压缩机扩容后的需求，本文不在此赘述。 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章循环氢压缩机扩容的可行性研究 3 4 小结 通过设计与运行工况对比分析，根据流动相似理论，对循环氢 压缩机在设计工况下的工作点，变换到工艺生产条件下的设计点应 该为质量流量1 2 0 3 3 9 k g h 、体积流量为5 6 1 4 5m 3 h ，转速为 1 2 3 7 0 r m i n ，功率为7 1 9 k w 。通过换算得到目前洛阳分公司的循环 氢压缩机进气流量为4 5 3 3 8m 3 l l ，压缩机功率为3 8 0 k w 。与压缩机 设计参数相比，相差较远，此时的运行状况是不经济的，属于非正 常状态。 催化柴油加氢精制装置采用r i c h 技术对装置进行改造后，循 环氢压缩机的处理能力应随之提高2 0 以满足工艺要求。若要利用 该机组直接进行提高负荷，即流量( 标准状况) 增加2 0 时，其工 作转速仍未超出允许范围，也未达到压缩机最大连续转速，但如文 中计算，忽略压缩机工况严重偏离设计工况后效率下降带来的功耗 增加影响，压缩机提高流量2 0 时的功率8 1 7 6 k w 远远超出压缩机 的设计点6 7 0 k w ，也超出了其额定功率7 7 0 k w 的6 1 。同时，还 由于超出压缩机额定功率情况下运行，对联轴器等动力部件形成安 全隐患，也会引起次生设备和安全事故。因此，在洛阳分公司的工 艺条件下，不经过更换或改造机组，无法满足工艺生产的需要。 c 3 1 0 2 循环氢压缩机在工艺工作介质下的效率在7 3 左右。相 对当前技术水平，属于效率较低下的机组。改造后效率和性能拓展 空间大，通过改造机组扩容能在合理利用现有资源、减少投资的基 础上，解决生产瓶颈，创造企业效益最大化。结构上，c 3 1 0 2 压缩 机转子为六级铣焊叶片，金斯伯雷式止推轴承，可倾瓦径向轴承。 转子为单级叶轮分别加工后，按“串糖葫芦”结构把紧在轴上；静子 部件都为铸、铣、焊成型后镶嵌在壳体上，具有较好的可拆装性。 压缩机改造中，仅剥1 转子和流道相关部件更新设计，能保持机组轴 向尺寸不变、机壳不变、基础不变，具有较好的改造基础。 6 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章循环氢压缩机扩容的可行性研究 针对c 3 1 0 2 压缩机轴端密封组件原设计为外供封油形式的“封 油浮环密封”的故障率高问题，洛阳分公司通过组织课题攻关，开发 并应用了“串联式干气密封”，最终解决了压缩机端面泄漏及密封故 障率高的问题。压缩机改造中，性能优良的压缩机轴端串联干气密 封能保留使用。 压缩机转子重新按照三元流设计后，整体效率可达8 3 ，同比 压缩机效率升高，更加节能。分析计算，确定了三元流改造后，压 缩机能力提高2 0 ，整机效率由7 3 提高到8 3 ，设计功率由6 7 0 k w 提高到7 3 5 9 k w ，综合能耗加大约9 8 的扩容改造的预期目标。考 虑到蒸汽消耗在设计和额定条件下有3 o 的富裕量，因此，改造中 也只需对蒸汽透平实施必要的技术措施或和改进即可满足压缩机 扩容后的需求。 石油大学( 华东) 工程硕七学位论文 第4 章机组改造方案的论证分析 第4 章机组改造方案的论证分析 4 1 改造方案的选取原则 洛阳分公司柴油精制经过r i c h 技术改造后，需要相应地提高 循环氢压缩机2 0 的能力，即增加压缩机2 0 的气体流量。增加气 体流量的途径很多，主要有下列几种方法：重新设计一套满足扩 容要求的新机组；多机并联，总气量达到增产气量；局部改造， 提高通流能力达到增产目的。 采用何种方法要根据原机情况和增产要求具体问题具体分析。 如果气量增加不大，原机结构上允许，可以采用局部改造的方法； 如果原机运转情况良好，效率较高，要求增加的气量较大( 如增加 一倍) ，采用多机并联更合适；如果原装置水平较低或采用局部改 造的方法结构上有困难，则重新设计一套满足扩容要求的离心式压 缩机更为合理。 改造方案应根掘实际需要，仅对压缩机的转子部分和通流组件 进行改造，而机组的原配套装置尽可能不改变，按最小投入选择方 案的思路。局部改造的主要方法包括：提高吸入压力，降低吸气温 度，增加质量流量( 体积流量可以不变或少变) ：提高压缩机工作 转速，增加流量( 刺指定的压缩机而言流量转速比是一定的) ；增 加叶轮扩压器主要元件的流道宽度，改变叶轮时片和扩压器叶片的 几何安装角；采用可转动的入口导叶，调节叶轮和扩压器的人口安 装角；采用接触式软密封结构，减少漏气损失；以及其它方法。以 上方法可以单独使用一种，也可以通过不同组合，多种方法用于同 一压缩机的局部改造。 结合扩容改造要求和原压缩机结构特点及催柴加氢装置的具 体情况，多种方案比较，拟定采用投资少、技改周期短、见效快、 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章机组改造方案的论证分析 技术可靠的局部改造法：充分利用原机零部件及配套设备，对影响 通流能力的主要零部件进行修改设计，达到扩容增产目的。 4 2 改造方案的设计分析 改造方案应根据实际需要，仅对压缩机的转子部分和通流组件 进行改造，而机组的原配套装置尽可能不改变，按最小投入选择方 案的思路。由于离心压缩机的流量受以下几个因素影响，在改造方 案选择时，考虑较易实现的参数进行改造。设计改造方案时可以考 虑以下几个方法【2 5 ： 4 21 提高吸气压力降低吸气温度 提高吸入压力，可以增加质量流量，而容积流量则可以保持不 变。但因为洛阳分公司加氢精制反应压力受工艺条件限制，不能直 接提高压缩机前部的反应器出口压力。如果要提高压缩机吸入压力 则必须在介质进入压缩机前增加增压装置。因系统循环的流量比较 大，增压装置( 增压机组) 也比较大，占地面积大，投资大。两台 机组串联后给变工况调节带来困难。所以通过提高吸入压力的方法 来进行扩容改造是不可取的。 降低吸气温度也可以增加质量流量，使容积流量保持不变。但 降低吸气温度受机组周围环境的影响。在压缩机进口压力不变的情 况下，如果质量流量增加2 0 ，而容积流量不变，则密度应该增加 2 0 。按洛阳分公司目前的工况( 进气4 5 ) 和状态方程来推算， 进气应该为一8 ，这个进气温度需增加冷冻机组才能实现。同时， 质量流量增加2 0 ，假定压缩机效率不降低，则耗功也增加2 0 ， 主轴和叶轮的强度须重新设计和校核。因此，单纯采取降低吸气温 度的方法来达到扩容2 0 的目的是不经济，也是不现实的。 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第4 章 机缉里堕方案的论证分砸 4 2 2 安装进口导叶【2 6 之7 】 安装进口导叶，能够调节压缩机的流量，见图4 1 。当采用负 旋绕时，根据欧拉方程h , h = c 2 u “：一c l u ? 。，压缩机对单位质量介质的 能量头氏随。的改变而变化，负旋绕c l 。 0 ，将增大。采用 进口旋绕( 安装导叶) 对压缩机性能曲线的变化影响见图4 2 。由 图中可以看出一些特点： 当正旋绕增加时，性能曲线向下移动。如果压缩机压比和流量 需要减少，可安装正旋绕导叶。相反如果压缩机压比和流量需要增 加时，可采用安装负旋绕的方法。改变旋绕时，最高效率值变化不 大，效率曲线的平坦程度也相差无几，而由正旋绕变化到负旋绕时， 在同一流量上的能量头有明显增加。能量头曲线也变得愈平坦，喘 振流量有所增大。 c 匿，d-c&luw 1 验- c l u 登w 2 a )b )c ) 图4 1 离心式压缩机叶轮的进口气流速度三角形 a ) 无旋绕b ) 正旋绕c ) 负旋绕 尽管采用安装进口导叶的方法可以提高流量和压比( 增加的压 比可以通过增大节流损失调整到原来要求的压力，但增加了能量损 失是不经济的) 。同时要在每一级叶轮进口之前安装导叶是不可能 的，转子的轴向位置不允许。如果仅在第一级叶轮前安装导叶的话， 对增加流量来说效果不明显( 多级压缩机的性能曲线是由多级性能 曲线叠加而来的) 。所以，仅采用安装导叶的方法来增加2 0 流量 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章机组改造方案的论证分析 的做法是不可取的。 图4 , 2 采用进口气流旋绕对级性能的影响 4 2 3 提高压缩机的转速 2 8 - 3 0 】 机组的设计参数：体积流量 重量流量 分子量 进口温度 进口压力 出口压力 转速 5 0 0 0 0 n m h 1 2 3 4 1 k g m ) 3 4 0 7 0 【p a 9 0 m p a 11 5 2 7 r p m 现洛阳分公司的工艺参数与机组的原设计参数有区别；主要有 介质的分子量，进 = j 温度及排气压力有区别。这些差别将导致机组 的性能发生变化，而且按相似换算不可能达到扩容的目的。原因为： 利用原机组流量增加2 0 后，压缩机严重偏离设计工况，内部流场 发生了较大的变化，流动元件不能很好的符合气流琉动的要求，机 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第4 章 机组改造方案的论证坌堑 组的运行效率降低。特别是对大型机组，运行效率的高低决定整个 装置的效益。 根据对机组原给定的操作条件和设计工况比较，操作工况的流 量比设计流量大。因此压缩机的工作点在性能曲线的右边，此时叶 轮进口已为负冲角，已经存在一定的冲击损失了。如果进一步增加 流量的话，冲击损失将增加的更快，整个机组的效率将明显降低。 l 1 o 图4 3 冲击速度示意图 冲击速度示意图见图4 3 。 呻 呻 = + n ( 4 1 ) 式中：o 一无冲击时的速度： 1 一有冲击时的速度： 屈。一屈一冲角； 届。叶片进口几何安装角； 届。无冲击时的气流角。 由叶轮进口速度三角形可得，在叶轮不改造的前提下，转速增 加，c 。，也增加，则可保持卢。不变，转速增加，进口速度三角形的 变化见图4 4 ，但转速增加受多方条件的限制： 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第4 章 机组改造方案的论证分析 ( 1 ) 转速的增加受材料的强度极限限制，在工程设计中叶轮的 外径的确定原则是根据材料的极限强度来确定的，随着新材料和新 工艺的不断出现，材料的性能有了很大提高。所以在考虑利用提高 转速增加流量时，同时也必须考虑与转速相关的其他问题。 ( 2 ) 转子的临界转速限制了允许工作转速的范围。对某一个转 子，存在着临界转速，而且离心式压缩机属高转速设备，主轴一般 都是柔性轴，允许使用的工作转速受多阶临界转速的影响。 ( 3 ) 叶轮、主轴的强度，轴承的支承油膜。叶轮、主轴的强度 取决于结构和所用的材料，一般设计中，按材料的极限强度考虑。 轴承支承浊膜设计根据轴的负荷和轴颈尺寸来确定油压、油温和流 量。 ( 4 ) 原设计的最大工作转速。 ( 5 ) 转速增加会引起进口速度增大，速度增加会引起流动阻力 损失增加( 因为流动阻力损失是和速度的平方成正比) 。 ( 6 ) 由于压缩气体介质的特殊性，流道中流速还受最大马赫数 的限制( 防止激波损失的出现，旦出现激波损失，则会降低压缩 机的效率) 。 u l u 【 图4 4 进口速度三角形 因此，用提高转速的方法来增加流量的方案是不可取的，它涉 及的因素太多，改造的难度大，根本无法实现，所以选择转速为 1 2 3 7 0 转分( 进口参数变化相似换算转速) 。 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章机组改造方案的论证分析 4 2 4 改变气流进口角度 由进口速度三角形可知，流量的大小与叶轮叶片进口安装角有 关，在确定好机器的转速以后，“，的大小就确定了。如果增加流量， 进口速度三角形就会发生变化( 见图4 5 ) 。由图中可以看出，在“ 一定的条件下，流量的增加即c l ，增加，则屈崩，、w 均发生 较大的变化。进口气流角增大，使冲角i = 届一崩。( 叶片安装角) 增加，引起的冲击损失增大，影响机组的运行效率。叶轮中形的增 大，流动阻力损失也增加，流动效率下降。假如改变叶轮叶片进口 安装角，使崩= 屈。，冲击损失减小了，但流动阻力损失仍然有较 大的增加，叶轮的反作用度减小，流动效率仍会降低。 c lr c l r 图4 5 转速不变、流量增加时速度三角形的变化 压缩机叶片表面的分速度分布是否合理直接影响到叶轮的流 动性能。一般希望速度均匀变化，防止大的速度梯度，以减少流动 损失。在叶轮几何参数中，影响叶片表面载荷分布的主要因素是叶 片入口气流冲角。对于三元扭曲叶片设计时，其入口安装角崩。与 此处的气流冲角相等，即气流以零冲角进入叶轮，因而能够获得较 好的载荷分布。因此，扩容改造中，选用三元流设计能够较好地保 证叶片表面载荷分布和较好地流动特性。 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章机组改造方案的论证分析 4 2 5 增加叶轮叶片流道宽度【3 1 。3 3 】 根据其连续性方程，叶轮叶片宽度和容积流量的关系为： b ：l( 4 2 ) k v c ，7 r d t 式中，b 一叶片宽度，m ； q 。一机器进口容积流量，m 3 s ： k ，一比容积； c ，一径向分速度，r n s ； d 一当地直径，m ； f 一阻塞系数。 对于叶轮叶片进口，其宽度为； 6 = i ，如果保持c l e 不变，流量瓯与b l 成正比，与。- 成反比。 因此，在转速一定的条件下，增加流量可采用：( 1 ) 增加进气 口宽度b ，和增大流道；( 2 ) 增加叶片进口直径d 1 。用这两种措施可 单独使用，也可以二者同时变化来达到增加流量的目的。 对于洛阳分公司循环氢压缩机，改造方案是对转子和流道静止 组件更换，以达到扩容、增效的目的。因此，在设计上完全可以二 者并用，通过预期的流场按照三元流逆命题进行反推其几何尺寸。 4 3 改造方案的选择与优化 431 扩容途径分析 压缩机原来的级数为6 级。由于流量扩容的改造，仅仅依靠增 加单级效率，减少损失等措施无法做到增加流量2 0 的目的。若在 改造设计中减少1 级，变成5 级，将减少1 级的轴向空间用来增加 其余5 级叶轮宽度，改善转子和流道结构，同时将对其他相关部分 4 5 石油大学( 华东1 工程硕士学位论文第4 章机组改造方案的论证分析 进行必要的改造，提高单级效率和压比，则可行。 ( 1 ) 增加叶轮叶片进口及流道的宽度 w l “ 撩 11 d - 1 u 。 图4 6 时片进口位置对b i 的影噙 因为保持了机组与外界的密封压差不变( 进口压力为7 o m p a ， 出口压力仍为9 o m p a ) 。目前机组外密封( 轴承浮环密封已经改造 成了“串联式干气密封”) 尺寸和相对位置不变，机组的外密封不 需改造，仍可利用。根据文献【6j ，可以看出，叶片宽度增加1 7 r 3 ， 流量增加3 6 。同时对叶轮迸行重新设计，时轮叶片进口宽度增加 后，进口速度不均匀性变大，因为叶片进口处的各点位置d 的变化 引起速度三角形的变化( 如图4 6 ) 。由叶轮送口速度三角形可以看 出，三个位置上的b 1 ，j 3 1 ，相差较大，这一差别是由d l 变化引 起的，要使得进口冲角沿叶片进口边统一，那么沿叶片进口边n i 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章机组改造方案的论证分析 也应该是d l 的函数，叶片是空间扭曲的( 即流动的流场与形成流 场的边界相匹配) 。这种情况下，应该采用三元叶轮。三元流动理 论在2 0 世纪8 0 年代发展的较为成熟，按三元流动理论设计叶轮， 已成为较为经典的设计方法，它可以大量减少进口的冲击损失和分 离损失，不仅能提高叶轮的流动效率，在一定程度上还可以增加流 量，通常在叶轮宽度较宽的场合，应用三元流动理论设计的叶轮可 比常规设计的叶轮效率提高8 l o 以上i i ，因此在叶轮叶片进口 宽度增加以后，需采用三元流动理论来设计新的叶轮。 ( 2 ) 城小机组级数，提高单级叶轮的做功能力，维持机组的总 压比不变。 从影响叶轮做功能力因素可以从欧拉方程看出，假设叶轮进口 无预旋，欧拉方程为： h = “2 ，巳。 叶轮对单位介质所做的功取决于“：和岛，“：取决于机器的转速和 时轮的外径。而时轮外径受叶轮制造材料强度极限的控制，不能任 意变化，转子依然可以由滑动轴承支撑，对油路系统不进行大的改 造，所以原机组的转速应控制在可用的范围内，取1 2 3 7 0 r p m ( 原机 组工作条件下的相似换算值) 。通常“，的选择是根据叶轮制造材料 的强度和叶轮的结构来考虑的。对于闭式叶轮，选择“， 3 0 0 m s ， 对于半开式叶轮，虬 a c 。，由速度三角形可以看出a c 。= 睨。 a c 。= = “2 - 鲁s i n 2 月 ( 4 5 ) 由上式可以看出，轴向涡流的影响受叶片数和叶片出口安装角 的控制a 叶片数少，属。增大时，将使出口气流圆周分速度“，减少。 工程中常用周速系数来表示叶轮气流出口圆周分速度的大小 2 詈2 l 一詈。鹏一一号s i n ：。 ( 4 6 ) “1“，z 同样叶轮对单位介质所作功可表示为 = c 2 。r “2 = 吼。- “； ( 4 7 ) 另种衡量粘性影响的方法是采用滑移系数。滑移系数是用实 际的气流出口圆周分速度和理想不考虑粘性时的圆周分速度之比。 ( c 2 。= “2 一c 2 r c 喀卢2 ) ( 4 8 ) 根据相关的实验数据和经验，的取值范围一般在0 7 0 8 之 间。 从以上分析可知，要提高单级的压比，必须提高叶轮对单位介 质的作功能力，在转速不变的情况下，可通过增加叶轮叶片出口安 装角p ：。的方式，同时还必须考虑粘性对作功能力的影响。 ( 3 ) 对桃组的转子部分重新设计 按扩容后的流量重新设计各级叶轮。主要考虑增加流量和 提高单级压比二个影响因素，分析选择叶轮进口几何尺寸、流道尺 4 9 石油大学( 华东) 工程硕士学位诠文 第4 章 机塑堕堕查塞的堕延! ! 堑 寸和叶片出口安装角；对叶轮采用三元流动理论设计，提高整机的 效率。 转子叶轮的三元流设计是离心压缩机增产节能改造途径中的 主要措旌之一。三元叶轮的设计采用先进的三元流理论及其设计计 算方法，使用三元扭曲叶片的叶面速度分布最佳，从而将叶轮中的 流动损失减小到最低程度。具体设计时，采用三元流吁轮设计程序 进行设计 3 4 3 5 j ，程序原则框图如图4 9 。 图4 9 离心压缩机三元流叶轮设计程序框图 程序中采用的能量方程、热力学方程、动力学方程、连续方程 和气体状态方程等联立求解，最后采用流线曲率法( 速度法) 求出 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章机组改造方案的论证分析 叶片的型面坐标及速度分布【3 6 1 。设计过程中，通过合理选择叶片数、 叶片出口的角坐标( 叶片出口的扭角) 、叶轮的盘盖形状、叶片负 荷的分布等设计自由度，达到同时控制气流在s 1 ( 跨叶片方向) 和 s 2 ( 跨盘盖方向) 的速度分布。通过分析s i 流面和s l 流面( 或叶 片表面) 的速度分布是否最佳，以便最后确定叶轮盘盖型线和叶片 的型面坐标，从而达到最大限度提高叶片工作效率的目的。 主轴重新设计校核。按第三章计算分析，在流量增加2 0 的条件下，主轴所传递的扭矩也增加。还因为级数减少、叶轮宽度 增加后，尽管转子的总体尺寸没有改变，但各级的轴向尺寸( 包括 轴向定位尺寸) 发生变化。因而应按照扩容后所需的扭矩和转子结 构对主轴进行强度校核。 对于级与级之间的固定元件( 弯道、扩压器、回流器及隔 板) 重新设计( 主要考虑轴向尺寸的变化) 。 ( 4 ) 流量增加2 0 后，中间冷却器的冷却能力需提高2 0 。 432 方案的确定 根据前面的分析，增加流量的途径有提供压缩机进口压力、降 低压缩机进气温度、提高转速、增加叶轮叶片进口安装角、增加叶 轮叶片流道宽度和增加叶轮叶片进口直径等六种方式。从分析的结 果看，合适的改造方案是：保持压缩机的进气条件和转速不变( 按 相似换算后的转速确定) ，减少原有机器的级数，按流量增加的比 例适当增加叶轮和通流部分的宽度，应用三元流理论对叶轮叶片形 状和出口安装角进行必要的调整，提高单级压力比，使整个机器流 量增加2 0 、效率不低于8 3 ，压比仍维持原来的9 0 7 o 。具体改 造方案为： ( 1 ) 压缩机中间冷却器的换热能力同样增加2 0 ( 增加换热面 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第4 章机组改造方案的论证分析 积或冷却水的流量) ，原机组的油路系统和进出口的管网可以不作 改造，以减少改造的费用。考虑流量增加后管网阻力会增加，因此， 机组的排出压力按原设计9 o m p a ；使其大于洛阳分公司现机组的 排压8 6 2 m p a ，以抵消管网阻力的增加，满足加氢反应器的工艺要 求。 ( 2 ) 选取的转速与机组原设计转速相近，便于利用原机组的润 滑油、控制油系统，减少投资。 ( 3 ) 减少机组的级数，将按原机组6 级的轴向尺寸设计为5 级， 对机组的通流部分重新设计。减少的1 级的轴向尺寸分配到其它级 上，平均每级的轴向尺寸可增加2 0 左右。 ( 4 ) 采用三元流动理论重新设计新的叶轮。在流道材质选取上， 充分考虑腐蚀的影响。叶轮宽度增加后，除叶轮外的通道也可按比 例增加宽度。为了保证机组的压力比，必须提高单级叶轮的作功能 力：提高叶轮的作功能力可通过增加叶轮出口叶片安装角段。的方 式得到。 ( 5 ) 对改造后机组的叶轮主轴( 按扩容传递的功率) 、平衡盘进 行校核，重新设计。 ( 6 ) 确定机组的设计功率为7 3 5 9 k w ，汽轮机按此功率进行必 要的技术改造。 ( 7 ) 根据改造后的情况，重新编写操作规程。机组扩容后，叶 轮通道的有效面积增加，整台机组的最小流量变大了，扩大了机组 性能曲线的工况范围，使机组对工艺变化的适应能力加大。 4 4 压缩机配套改造内容 在对离心压缩机扩容改造后，由于整机的流体动力学特征和功 率效率都会变化。其中除了转子需要重新设计制造外，还有与之相 配套的主要零部件，根据实际需要更新或改造。 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章机组改造方案的论证分析 4 4 1 密封问题 在离心式压缩机中，密封分为内密封和外密封二大类。在本机 组的改造中，原有的进出口压力维持原设计