沙朝建，楊東洋

(江蘇蘇鹽井神股份有限公司第三分公司，江蘇淮安 223000)

真空機是純堿制造企業(yè)重堿過濾工序的重要設(shè)備，是出堿液固液分離的真空動力源設(shè)備。蘇鹽井神三分公司(下稱三分公司)濾過工序擁有2臺法國RPA公司生產(chǎn)的真空水平帶式濾堿機(下稱帶濾機)，自投產(chǎn)以來，由2臺D630-31離心式真空機提供真空，該真空機有著結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、運行穩(wěn)定、周期長以及檢修工作量少等優(yōu)點。2017年三分公司計劃新增1臺帶濾機，原有2臺真空機打氣量將無法滿足3臺帶濾機同時運行需求。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備布置情況，三分公司決定對現(xiàn)有真空機進行擴容改造，增加吸入流量，提高真空度，滿足生產(chǎn)的需要。

1 D630-31離心式真空機的結(jié)構(gòu)和性能

D630-31離心式真空機本體采用單吸入三級雙支撐結(jié)構(gòu)，由定子、轉(zhuǎn)子、底座、軸承、多級密封等構(gòu)成，見圖1結(jié)構(gòu)圖。輔助裝置包括潤滑系統(tǒng)、增速箱、電機等設(shè)備。該真空機匹配900 kW高壓電機驅(qū)動，通過增速箱和膜片聯(lián)軸器連接，氣體進出口位于定子兩端，方向垂直向下，機殼從中間垂直和水平方向分成4瓣，平時檢修只需拆裝水平剖分面的上機殼即可更換轉(zhuǎn)子和軸瓦。該真空機不需要中間冷卻器，吸入氣體通過三級壓縮后直接排空。

圖1 D630-31離心式真空機結(jié)構(gòu)圖

基本工作原理為：當電機驅(qū)動風(fēng)機葉輪旋轉(zhuǎn)時，葉輪吸氣室內(nèi)的氣體也跟著旋轉(zhuǎn)，并在離心力的作用下被高速甩出，氣體溫度、速度和溫度都得到提高。進入擴壓器后氣體流速下降而壓力提高，接著經(jīng)過彎道和回流器被下一級葉輪吸氣室吸入，氣體再次被高速甩出，再被壓縮。以此類推，最終通過排氣口排出氣體。葉輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)，濾過尾氣被不斷的吸入。由于濾餅覆蓋在濾布上使得氣相管線形成相對封閉空間，最終形成一定的真空度。但物料在過濾、洗滌、干燥階段一直伴隨著空氣的滲透，便形成濾過尾氣。帶濾機的真空度越大，濾餅層上下的壓差就越大，對降低鹽分和水分越有利。所以，真空機要有足夠的打氣能力維持生產(chǎn)所必需的真空度。

離心式真空機也有一些缺點。比如：操作區(qū)間小，只適合在大中流量情況下使用，在生產(chǎn)減量或關(guān)小進氣調(diào)節(jié)閥時，則容易進入喘振區(qū)，需要開啟吸空閥避免喘振；對氣體的介質(zhì)成分要求比較高，工況下尾氣中會夾帶少量的NH3、CO2以及水，如不除去，則會在葉輪上形成結(jié)疤破壞轉(zhuǎn)子的動平衡，導(dǎo)致振動值升高直至停機檢修。三分公司的濾過尾氣經(jīng)過了氣液分離器、尾氣洗滌塔、汽水分離以及尾氣總管導(dǎo)淋排水四個步驟凈化，幾乎除去了全部的水汽和氨氣，以保證真空機的穩(wěn)定持久運行。

D630-31型離心式真空機的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 真空機改造前后的技術(shù)參數(shù)

2 擴容改造的要求

由于系統(tǒng)中的管道、洗滌塔等會產(chǎn)生阻力降，為了給帶濾機提供足夠的真空度，真空機入口真空應(yīng)保證70 kPa以上，以盡可能的降低重堿水分。根據(jù)設(shè)備資料得知，氣液分離罐真空度60 kPa，帶濾機的透氣量為25 000 m3/h。通過計算得知，2臺真空機帶2臺帶濾機運行時，透氣余量只有約206 m3/min(吸入狀態(tài))，無法滿足3臺帶濾機同時運行的生產(chǎn)要求。真空機需要擴容至少345 m3/min(吸入狀態(tài))的抽氣量才能保證3臺帶濾機的同時運行。

3 擴容改造的方案選擇

三分公司的2臺真空機長期滿負荷運行，沒有備用機組，此次擴容改造利用停產(chǎn)檢修機會實施，改造時間要求一個星期內(nèi)。另外，本次改造預(yù)算較少，將利用公司閑置的一臺1 250 kW高壓電機。

常見的壓縮機擴容方案有：

1)重新選用一臺滿足擴容要求的機組替代原有機組或新增一臺規(guī)格相當?shù)臋C組進行多機并聯(lián)；

2)提高進口壓力或增加前置段；

3)高壓縮機工作轉(zhuǎn)速，提高壓縮機軸功率；

4)局部改造，提高流通部件尺寸或幾何角度。

方案優(yōu)選：

首先，受限于公司原機組配置、工藝要求、現(xiàn)場位置以及費用等因素，新增機組替換、并聯(lián)或增加前置段的方案無法實現(xiàn)。其次，增加轉(zhuǎn)速受多方面條件限制，一是臨界轉(zhuǎn)速限制了允許工作轉(zhuǎn)速的范圍，該真空機的一階臨界轉(zhuǎn)速2 134 r/min，二階轉(zhuǎn)速為10 750 r/min。根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速規(guī)定，工作轉(zhuǎn)速n為1.3n1

根據(jù)該真空機預(yù)期性能曲線得知，如圖2所示，在抽氣量小于設(shè)計值時，隨著流量不斷增大，真空機入口真空基本保持不變，軸功率逐漸上升；但是，當抽氣量超過設(shè)計值后，真空機的入口真空度則顯著下降，軸功率基本不再增加。所以只加大電機功率的方案是不可取的。

圖2 D630-31真空機預(yù)期性能曲線圖

最后，三分公司考慮對真空機的轉(zhuǎn)子部分和流通組件進行局部改造的方案，達到擴容目的。經(jīng)過與設(shè)備廠家的溝通和分析，確認了D630-31真空機具備良好的擴容改造條件，通過局部改造，可以實現(xiàn)吸入流量從原來655 m3/min提高至950 m3/min，能力提高45%，基本上可以滿足生產(chǎn)的要求。該方案有著費用低、改造時間短、設(shè)備效率高、技術(shù)可靠、見效快等優(yōu)點，同時可以利用上閑置的舊電機。最終，公司決定采用此方案對其中的一臺真空機進行擴容改造。

4 局部改造的理論簡介

葉輪是離心式壓縮機的核心氣動部件，是唯一對氣體做功的部件。葉輪內(nèi)部流動的好壞直接決定著整機的性能和效率。葉輪內(nèi)部的流動受到葉輪旋轉(zhuǎn)、葉片形狀、葉頂間隙等諸多因素的影響，是一種非常復(fù)雜的粘性、三元、可壓縮、非定常的流動，內(nèi)部流場很難直接求解出來。我國曾先后經(jīng)歷了一元流、二元流和三元流的理論設(shè)計階段。D630-31離心式真空機源于上世紀70年代末的意大利新比隆技術(shù)，受當時國內(nèi)的條件所限，只能采用二元氣動設(shè)計，葉輪為二元葉輪。這樣的好處是葉片造型簡單，制造工藝簡單，但葉片的氣動設(shè)計精度不高，流動效率較低，穩(wěn)定工作范圍較窄。隨著我國生產(chǎn)制造水平不斷提高以及計算機水平的飛速發(fā)展，葉輪設(shè)計技術(shù)已經(jīng)由過去簡單的一元流動模型發(fā)展為現(xiàn)在更加科學(xué)的三元流動理論設(shè)計?？梢酝ㄟ^氣動計算結(jié)果直接對葉輪、擴壓器和回流器進行電腦三維建模，并通過專業(yè)軟件對葉輪、擴壓器和回流器進行CFD流場分析計算，確保葉輪符合設(shè)計要求；葉輪加工技術(shù)也由過去的傳統(tǒng)放樣加工轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的高精度五軸聯(lián)動數(shù)控機床加工。三元流加工出來的葉片在空間上是扭曲的，與氣體的實際流場邊界更加匹配，流動損失降到最低，所以相比傳統(tǒng)二元葉輪效率得到了大幅提高，整機效率可達83%以上。

5 真空機擴容改造的主要內(nèi)容

葉輪是轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵部件，直接關(guān)系到氣體流量大小和效率的高低。經(jīng)過三元流動設(shè)計的葉輪，在葉輪出口寬度、進口寬度、進口直徑和葉片的形狀、角度等方便均有優(yōu)化。從現(xiàn)場對比來看，葉輪進、出口寬度更寬，葉輪進口直徑更大，葉片有較大的扭曲度，葉輪軸向方向整體更寬?？傊~輪內(nèi)部流道顯得更加寬闊順暢。轉(zhuǎn)子組上其他部件包括主軸、軸套、密封套、平衡盤、推力盤等未進行改動。轉(zhuǎn)子經(jīng)過氣動計算、葉輪強度計算以及轉(zhuǎn)子動力學(xué)計算，確保改造后的轉(zhuǎn)子既達到設(shè)計的要求，又有足夠的強度。

隔板是構(gòu)成氣流通道的主要定子件，葉輪改動后，隔板上的擴壓器、彎道、回流器、口圈密封等尺寸也相應(yīng)做出了調(diào)整。

由于主軸尺寸未改變，所以原有的機殼、油封、軸瓦、級間密封、聯(lián)軸器等均可以利用，在各零部件完好的情況下，只需更換轉(zhuǎn)子組、隔板、葉輪口圈密封即可，所以改造過程簡單快捷。關(guān)鍵在于舊隔板拆除，需要特制重錘才能從機殼上將隔板打出。真空機的舊隔板經(jīng)過八年連續(xù)使用，各部位情況很好，隔板拆除也較輕松，改造前后只用了3天時間。

擴容后的真空機軸功率上升到998 kW。拆除原900 kW電機，安裝上了1 250 kW的閑置舊電機。

增速箱原功率為900 kW。因為增速箱設(shè)計功率本身留有了較大的富裕量，綜合公司同系列增速箱改造后的實際使用情況，我們認為該增速箱完全可以繼續(xù)在擴容后的真空機上使用，所以未進行更換。油站及管路也保留使用。

6 改造后的使用效果

在真空機擴容改造完成后，三分公司對改造的真空機進行了168 h運行考核，考核結(jié)果如表2。機組各項參數(shù)均屬正常，達到了擴容預(yù)期。

表2 擴容改造后真空機參數(shù)

真空機改造后，滿足了3臺帶濾機的生產(chǎn)需求，達到了預(yù)期擴容效果。但由于真空機擴容后的吸氣能力提高，根據(jù)離心真空機的特性曲線，穩(wěn)定工況區(qū)和喘振區(qū)均發(fā)生了右移，改造后真空機更適合在大氣量的工況下運行，操作時應(yīng)注意避免生產(chǎn)波動造成真空機喘振。