陳法祥

(中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司PTA生產(chǎn)中心，江蘇儀征　211900)

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設(shè)備改造

CENTAC壓縮機(jī)效率分析及修復(fù)對(duì)策

陳法祥

(中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司PTA生產(chǎn)中心，江蘇儀征211900)

摘要：CENTAC空氣壓縮機(jī)的主要作用是為氧化反應(yīng)器提供反應(yīng)所需要的氧氣，該壓縮機(jī)長(zhǎng)期在PTA裝置環(huán)境下(酸性、粉塵)運(yùn)行，空壓機(jī)的葉輪、擴(kuò)壓器以及葉輪背板被腐蝕及沖刷磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致這些過(guò)流部件使用壽命較短，壓縮機(jī)的效率下降嚴(yán)重，僅為原設(shè)計(jì)能力的70%左右。筆者分析PTA裝置空壓機(jī)的各項(xiàng)故障及設(shè)備效率嚴(yán)重降低的原因，對(duì)比了原有空壓機(jī)的設(shè)計(jì)思想、依據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)等，找出其優(yōu)點(diǎn)和不足，針對(duì)PTA空壓機(jī)原有設(shè)計(jì)所存在的缺陷，通過(guò)新技術(shù)、新材料進(jìn)行修復(fù)解決，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：空壓機(jī)恢復(fù)性能

離心式壓縮機(jī)是透平式壓縮機(jī)的一種。它除了用于壓縮空氣外，還可用來(lái)壓縮和輸送化工生產(chǎn)中的多種氣體。離心壓縮機(jī)由于其處理量大、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、維修方便等特點(diǎn)，在石化行業(yè)得到廣泛使用。

CENTAC空壓機(jī)為齒輪式多軸離心式壓縮機(jī)，該機(jī)型主要由動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)大齒輪，再由大齒輪帶動(dòng)小齒輪軸，每根小齒輪軸上分別有一葉輪。由于每根小齒輪軸的轉(zhuǎn)速不同，多軸壓縮機(jī)可以實(shí)現(xiàn)葉輪與轉(zhuǎn)速的良好匹配，能獲得較高的單級(jí)壓縮比。CENTAC壓縮機(jī)組系1998年裝置增容時(shí)投用，共A和B兩臺(tái)，其作用是為了解決增容后原大空壓機(jī)組空氣供給能力不足的問(wèn)題，與原空壓機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，以下簡(jiǎn)稱小空壓機(jī)。其性能參數(shù)見(jiàn)表1及表2。

表1　CENTAC空壓機(jī)性能參數(shù)表

表2　CENTAC空壓機(jī)齒輪及葉輪參數(shù)

1工作流程及運(yùn)行狀況

1.1工作流程

壓縮機(jī)工作流程：空氣→空氣過(guò)濾器→入口調(diào)節(jié)閥→第一級(jí)壓縮→擴(kuò)壓器→第一級(jí)中冷器→除霧器→第二級(jí)壓縮→(依次類推)→第五級(jí)壓縮→擴(kuò)壓器→氧化反應(yīng)器或排空，如圖1所示。

圖1　空壓機(jī)組裝配及主要零部件示意圖

1.2運(yùn)行狀況

近年來(lái)，兩臺(tái)小空壓機(jī)性能呈下降趨勢(shì)，兩臺(tái)小空壓機(jī)夏季氣體的入口總流量2007年為32.8t/h，2008年為28.4t/h，2009為25.1t/h，同比下降了13.4%和11.6%。而B(niǎo)臺(tái)較A臺(tái)的能力更低，即使在冬季運(yùn)行狀況也不理想，入口氣體流量從19.67t/h下降到12.98t/h，效率僅為設(shè)計(jì)流量的69.85%，其間雖然對(duì)部分中冷器和轉(zhuǎn)子進(jìn)行了清洗和更換，但流量下降的趨勢(shì)未能得到有效的遏制，如圖2所示。

圖2　小空壓機(jī)單臺(tái)及雙臺(tái)三年流量分布圖

2壓縮機(jī)效率降低原因分析

從小空壓機(jī)臺(tái)解體檢修的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)機(jī)組存在以下情況：

情況一：除第一級(jí)葉輪情況稍好外，壓縮機(jī)其它各級(jí)葉輪均存在流量角磨尖現(xiàn)象，如圖3所示，以第三、第四級(jí)最為嚴(yán)重。

分析：葉輪除了被含有酸性成分的空氣腐蝕，擴(kuò)壓器腐蝕后表面脫落的粉末及中間連接管(碳鋼)有大量的鐵銹粉末，隨氣流沖刷葉輪并引起葉輪的棱角磨損，氣流進(jìn)入葉輪的進(jìn)口角和出口角發(fā)生較大的變化。同時(shí)葉輪與擴(kuò)壓器的配合間隙也隨之加大，無(wú)用功增加，表現(xiàn)在流量不足，電流下降。

圖3　小空壓機(jī)葉輪腐蝕狀況圖

情況二：第三、四級(jí)葉輪背板、擴(kuò)壓器腐蝕嚴(yán)重，葉輪與型環(huán)的間隙超標(biāo)，葉輪背板也發(fā)生變形，如圖4所示。

分析：由于小空壓機(jī)的空氣中含有一定的酸性成分，腐蝕了擴(kuò)壓器及導(dǎo)流片(鑄造鋁合金)，加上鋁合金強(qiáng)度相對(duì)較低，長(zhǎng)期被強(qiáng)氣流沖刷導(dǎo)致沖刷磨損，使擴(kuò)壓器進(jìn)氣流道曲面和葉輪曲面的配合間隙逐步加大，超過(guò)間隙標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致空壓機(jī)葉輪做功后壓力損失加大，引起氣體流量嚴(yán)重減小。

圖4　小空壓機(jī)擴(kuò)壓器腐蝕狀況圖

情況三：中冷器堵塞較為嚴(yán)重，約有10%已經(jīng)堵塞，如圖5所示。通常情況下，超過(guò)5%廠家就建議清洗或更換。

分析：空壓機(jī)組共有四個(gè)中冷器，由于列管間排列緊湊，采用的是螺旋式內(nèi)翅片管，在熱空氣作用下，殼程中的鈣離子和碳酸根離子形成碳酸鈣垢層，影響了中冷器的換熱效果。管程中因設(shè)備本體腐蝕的大量鐵屑堵塞翅片管，導(dǎo)致翅片管流道減小，影響了空壓機(jī)的空氣流量。

圖5　小空壓機(jī)中冷器堵塞狀況圖

3機(jī)組供氣能力評(píng)價(jià)

根據(jù)專業(yè)廠家的評(píng)價(jià)報(bào)告，該壓縮機(jī)如需恢復(fù)原設(shè)計(jì)能力，需對(duì)壓縮機(jī)的主要部件(葉輪、擴(kuò)壓器、背板、中冷器等)進(jìn)行更換，單臺(tái)檢修及備件費(fèi)用約為512萬(wàn)元，過(guò)于昂貴。但考慮到夏天空氣溫度高、密度低，空壓機(jī)的吸入能力和出氣能力方面會(huì)進(jìn)一步下降，現(xiàn)有流量能否滿足工藝要求，需對(duì)空壓機(jī)的出氣能力與工藝需求進(jìn)行評(píng)估。

3.1氧量需求情況

裝置生產(chǎn)過(guò)程中氧化反應(yīng)器對(duì)空氣的需求量為3 600t/天，即每小時(shí)需要150t的空氣供給量。空氣主要來(lái)源于自然空氣和富氧(約2 000m3/h)，經(jīng)大空壓機(jī)和小空壓機(jī)(A/B)壓縮后供給氧化反應(yīng)器。按夏季空氣含氧量為21%計(jì)算，即每小時(shí)所需氧氣量為：150×0.21=31.5t。

3.2氧量供給情況

圖6　空壓機(jī)及富氧供給工藝圖

空壓機(jī)及富氧供給工藝如圖6所示。大空壓機(jī)流量為93 000～98 000m3/h(出口干氣流量)。小空壓機(jī)由于葉輪腐蝕及擴(kuò)壓器磨損等原因，出口流量維持在設(shè)計(jì)流量的70%左右，如表3所示。

表3　三臺(tái)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)流量和實(shí)際流量比照表

由于空氣的密度與溫度有很大的關(guān)系，參考理想氣體狀態(tài)方程式公式[1]：

3.2.1第一種情況：維持現(xiàn)狀，且無(wú)富氧供應(yīng)

夏季：空氣溫度高、密度低，空壓機(jī)無(wú)論從吸入能力和出氣能力方面都有所下降，三臺(tái)空壓機(jī)的供氧量約為(93 000+12 000+13 000)×1.2×0.21=29 736(kg/h)，與31.5t/h至少有1.764t的缺口。

冬季：由于空氣氣溫低且密度的提高，大空壓機(jī)的輸出流量最大可達(dá)到98 000m3/h，三臺(tái)空壓機(jī)供氧量約為(98 000+12 000+13 000)×1.3×0.21=33 579(kg/h)，可有2.079t/h的富余空間。

3.2.2第二種情況：維持現(xiàn)狀，有2 000m3/h的富氧供應(yīng)

冬季：大空壓機(jī)最高可達(dá)98 000m3/h的供應(yīng)量，如再加一臺(tái)小空壓機(jī)13 000m3/h?？諌簷C(jī)的空氣含氧量約為：

二臺(tái)空壓機(jī)最大供給量可達(dá)到：

(98 000+13 000)×1.3×0.226=32 612(kg/h)，可以滿足31.5t/h的需求量。

3.2.3第三種情況：有2 000m3/h的富氧，修復(fù)1臺(tái)小空壓機(jī)流量達(dá)到設(shè)計(jì)值的90%

夏季：當(dāng)富氧的供給量達(dá)到2 000m3/h時(shí)，大空壓機(jī)和一臺(tái)修復(fù)的小空壓機(jī)輸出的總流量為：

93 000+17 179×0.9=108 461(m3/h)。

系統(tǒng)中空氣的含氧量約為：

二臺(tái)空壓機(jī)的供氧量為：

(93 000+15 461)×1.2×0.2242=29 180(kg/h)，不能滿足31.5t/h要求，必須開(kāi)三臺(tái)空壓機(jī)。

3.2.4第四種情況：無(wú)富氧供應(yīng)，修復(fù)1臺(tái)小空壓機(jī)流量達(dá)到設(shè)計(jì)值的90%

夏季：三臺(tái)空壓機(jī)的供氧量為

(93 000+15 461+13 000)×1.2×0.21=30 608(kg/h)，與31.5t/h的需求量相近，但仍不能達(dá)到平均用量。

綜上所述：夏季，在有富氧的情況下，三臺(tái)空壓機(jī)都必須運(yùn)行，才能滿足裝置的負(fù)荷要求。如果空分裝置故障不能提供富氧，即出現(xiàn)上述第四種情況，三臺(tái)空壓機(jī)必須全部運(yùn)行，且其中一臺(tái)小空壓機(jī)的流量達(dá)到設(shè)計(jì)值的90%，勉強(qiáng)滿足裝置的負(fù)荷要求。因此，必須對(duì)小空壓機(jī)進(jìn)行檢修，且其修后流量達(dá)到設(shè)計(jì)值90%以上，方能滿足第四種情況下的負(fù)荷要求。

4壓縮機(jī)低碳修復(fù)策略

過(guò)去的幾十年，按照傳統(tǒng)的檢修方式，對(duì)于齒輪式多軸離心壓縮機(jī)的檢修，絕大多數(shù)依靠更換零部件的方法達(dá)到恢復(fù)使用性能的目的。注重資源節(jié)約和合理利用是時(shí)代對(duì)低碳檢修的基本要求。再制造技術(shù)就是一種支持可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)，是對(duì)設(shè)備的整體、部分、零件，或者材料進(jìn)行再循環(huán)利用的系統(tǒng)工程。再循環(huán)就是利用原有零部件再成型，包括對(duì)設(shè)備整體或者部件的修復(fù)，使之重新恢復(fù)原有精度和性能，達(dá)到環(huán)境污染最少、資源利用率最高、投入費(fèi)用最少的目的。由于葉輪和擴(kuò)壓器的失效是造成壓縮機(jī)性能降低的主要原因，而磨損又是葉輪和擴(kuò)壓器失效的主要形式，如何使原葉輪和擴(kuò)壓器發(fā)揮作用，需從結(jié)構(gòu)上加以分析。

4.1葉輪

美國(guó)英格索蘭公司生產(chǎn)的CENTACC110MX5機(jī)型的葉輪為三元葉輪，其設(shè)計(jì)理論應(yīng)是采用的CFD(計(jì)算流體力學(xué))軟件設(shè)計(jì)，該軟件采用完全N-S方程解法，對(duì)流體內(nèi)部定常、非定常，可壓縮、不可壓縮紊流流動(dòng)進(jìn)行高精度數(shù)值分析。通過(guò)對(duì)三維流場(chǎng)數(shù)值的模擬，對(duì)葉輪流道回轉(zhuǎn)面的總壓分布、葉輪回轉(zhuǎn)面的相對(duì)壓力分布和葉輪流道橫截面的絕對(duì)馬赫數(shù)分布進(jìn)行分析而設(shè)計(jì)成型[2]。雖然葉輪的外徑及輪角出現(xiàn)磨損，但葉輪的基本尺寸及流道未形成破壞，從理論上來(lái)分析，完全可以通過(guò)焊接手段復(fù)原其被磨損部分，再通過(guò)機(jī)械加工的方法恢復(fù)其外形尺寸。

4.2擴(kuò)壓器

本機(jī)組的擴(kuò)壓器材質(zhì)為鋁合金，其磨損面主要是導(dǎo)流板及與葉輪相配的型線面，由于擴(kuò)壓器體積相對(duì)較大，磨損部分只是局部，從理論上來(lái)講，可以通過(guò)將磨損部分挖去，重新嵌入導(dǎo)流片和型環(huán)，將其尺寸恢復(fù)如圖7所示。

圖7　第一級(jí)葉輪裝配圖及擴(kuò)壓器嵌型面示意圖

4.3修復(fù)方案

根據(jù)對(duì)眾多壓縮機(jī)使用單位和壓縮機(jī)修復(fù)單位的調(diào)研，最終確定對(duì)小空壓機(jī)B臺(tái)實(shí)施性能回復(fù)性檢修。儀化公司與檢修單位就CENTAC離心壓縮機(jī)葉輪和擴(kuò)壓器的修復(fù)方案進(jìn)行了多次研討和論證，確定了最終檢修方案。

4.3.1葉輪修復(fù)對(duì)策

首先，通過(guò)3D檢測(cè)葉輪與擴(kuò)壓器的曲線貼合情況，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，確定需補(bǔ)焊的主要部位。其次，對(duì)各級(jí)葉輪進(jìn)行三維檢測(cè)，建立修復(fù)部位的三維模型并做逆向分析，以期恢復(fù)原有尺寸。再次，對(duì)葉輪材質(zhì)進(jìn)行分析，選用激光仿形熔覆技術(shù)，恢復(fù)葉輪磨損尺寸，同時(shí)保證恢復(fù)部分抗拉強(qiáng)度不小于原來(lái)強(qiáng)度的90%。在加工過(guò)程中注意控制溫升在80 ℃以內(nèi)。對(duì)熔覆部分進(jìn)行探傷檢測(cè)，保證沒(méi)有氣孔、夾砂及裂紋。最后，對(duì)成型后的葉輪進(jìn)行全面檢測(cè)，包括尺寸精度和熔焊質(zhì)量情況；對(duì)整體轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡校驗(yàn)，校驗(yàn)精度達(dá)到G0.4以上。葉輪修復(fù)前后情況如圖8所示。

圖8　葉輪修復(fù)前后比照?qǐng)D

4.3.2擴(kuò)壓器修復(fù)對(duì)策

(1) 將鑄鋁材質(zhì)擴(kuò)壓器磨損部分切除，根據(jù)3D檢測(cè)葉輪的線型尺寸，加工擴(kuò)壓器的型環(huán)部分，材質(zhì)改用SS304。采用過(guò)盈配合，將加工件鑲嵌到擴(kuò)壓器基體上，并且用螺釘從背面緊固保護(hù)，確保兩部分連接可靠，如圖9所示。

圖9　第一級(jí)擴(kuò)壓器修復(fù)前后比照?qǐng)D

(2) 將第二級(jí)、第三級(jí)擴(kuò)壓器進(jìn)氣流道曲面和導(dǎo)流片整體切除，根據(jù)3D檢測(cè)葉輪的線型尺寸，用304材料整體加工第二級(jí)、第三級(jí)擴(kuò)壓器進(jìn)氣流道曲面和導(dǎo)流片，將加工好的部件分別鑲嵌到鑄鋁基體上，并且用螺釘從背面緊固保護(hù)，確保兩部分連接可靠。

(3) 第四級(jí)及第五級(jí)導(dǎo)流片與背板相連，因?yàn)樽冃瘟枯^大，直接加工更換，如圖10所示。

圖10　第四、五級(jí)背板修復(fù)前后比照?qǐng)D

5實(shí)際效果

修復(fù)回裝后，出口流量計(jì)顯示小空壓機(jī)B臺(tái)的出口流量為14 500m3/h(干氣流量)。顯然該流量明顯高于檢修前的流量值，但該流量是否達(dá)到檢修合同的考核要求，現(xiàn)計(jì)算如下。

5.1機(jī)組技術(shù)資料中相關(guān)參數(shù)[3]

表4　CENTAC空壓機(jī)入口氣體參數(shù)

5.2入口空氣標(biāo)準(zhǔn)流量

P1為設(shè)計(jì)壓力，V1為設(shè)計(jì)流量，T1為設(shè)計(jì)溫度，P0為標(biāo)壓，V0為標(biāo)態(tài)下的流量，T0為標(biāo)態(tài)的溫度。

5.3干氣量計(jì)算

因入口流量中含水蒸汽的流量，需將其算成干氣流量，計(jì)算公式為：

RH為相對(duì)濕度(82%)，P1為空氣中實(shí)際所含水蒸汽分壓，P2為同溫度下飽和水蒸汽分壓，V1為水蒸汽體積流量，V0為標(biāo)態(tài)下的流量，V2為干空氣體積流量。

查表[4]得：35 ℃下飽和水蒸汽分壓為5 623.81Pa。

P1=RH×P2=82%×5 623.81=4 611.5(Pa)

V2=V0-V1=15 039-705.8=14 333.2(m3/h)

5.4檢修后效率

小空壓機(jī)B臺(tái)檢修后流量計(jì)的流量顯示為13 939m3/h，而設(shè)計(jì)流量17 719m3/h(入口)折算成出口流量為14 333.2m3/h，故修復(fù)后的流量值為設(shè)計(jì)值的97.2%。

6結(jié)束語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，本次小空壓機(jī)的檢修取得了預(yù)期的效果。檢修后，小空壓機(jī)B臺(tái)的出口流量達(dá)到設(shè)計(jì)流量的97.2%，提升了約27個(gè)百分點(diǎn)。再制造技術(shù)的應(yīng)用，節(jié)約修理費(fèi)約332萬(wàn)元，不但為低碳檢修帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且還有很好的社會(huì)效益，為今后處理類似的設(shè)備缺陷拓寬了思路，積累了經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)然，葉輪的焊接也帶來(lái)強(qiáng)度的部分削弱，這將依賴于焊材和焊接工藝的技術(shù)進(jìn)步逐步加以改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳敏恒.化工原理(上)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：121-124．

[2]吳德榮．化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)(上)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：978-987．

[3]崔高峰，陳玉春，鄭志明．離心式壓縮機(jī)組特性研究[J]．石油化工設(shè)備，2008，37(3)：13-15．

[4]顧永泉．石油化工用離心式壓縮機(jī)的效率及選取[J]．華東石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1981(2)：61-70．

Efficiency analysis and reparation for CENTAC air compressors

ChenFaxiang

(PTA Production Center of Sinopec Yizheng Chemical Fibre L.L.C.,Yizheng Jiangsu 211900,China)

Abstract:The CENTAC air compressor was used to provide oxygen for the oxidation reactor. In PTA devices, the compressors had to work for a long term in an environment with acid gas and dust, leading to both serious corrosion of diffuser pressure devices and erosion wear of impeller backplanes, which made a short life and a serious efficiency decline for the compressor with only about 70% of its original design capacity. With a better understanding of the original air compressor design ideas, basis and standards, etc, causes of troubles and factors of efficiency decline were discussed for the compressors in PTA devices, and new technology and novel materials were used for compressor reparation to realize its long-term-stable operation.

Key words:air compressor; reparation; performance

收稿日期：2016-04-18

作者簡(jiǎn)介：陳法祥(1978-)，江蘇鹽城人，工程師，主要從事PTA裝置設(shè)備技術(shù)及管理工作。

中圖分類號(hào)：TH16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1006-334X(2016)02-0047-05