浅谈某压缩机组的开发和应用

　　1机组的设计参数

　　根据装置蒸汽平衡及循环水厂规模的要求，福建PX装置异构化循环氢压缩机（K701）采用凝汽式蒸汽汽轮机驱动，冷凝器采用干式空冷器的冷却方案。机组设计参数如表1.

　　2机组国产化存在的问题

　　在该机组国产化项目的开发及应用过程中，需要解决的问题：

　　（1）业绩问题，由于是新的大型压缩机，之前没有任何在类似装置中的运行业绩；

　　（2）新开发的机型，压缩机的气动性能，压缩机转子的动力学性能需要进行论证；

　　（3）制造过程中可能出现的新问题，大型压缩机在原材料的准备，制造加工，焊接等过程中的技术及质量控制问题；

　　（4）试验过程中可能出现的新问题；

　　（5）成本投资的经济性的问题。

　　3压缩机设计方案确定

　　制造厂的报价机型为BCL904.其中：B表示垂直剖分结构；CL表示离心压缩机及无叶扩压器；90表示首级叶轮名义直径为900mm；4表示缸内装的叶轮级数为4级。

　　异构化循环氢压缩机组K701，叶轮采用三元流设计，制造厂在空压机方面有该机型的气体动力学业绩，考虑到叶轮的基础曲线没变，只是气体变为氢气，因此，压缩机的气体性能是可以接受的。

　　在分析了转子的气体动力学以后，沈阳鼓风机集团有限公司在转子动力学方面也提供了详细的分析。根据报价转子的实际尺寸作为模型进行了横向振动分析和扭转振动的分析，分析结果满足API617标准的相关要求。根据这些情况，可以初步确认尽管制造厂之前没有类似方面的运行业绩，但所报技术方案是可行的。

　　4压缩机设计，制造阶段的关键问题分析及处理

　　4.1压缩机壳体进出口设置问题

　　制造厂提供的*初设计资料中，压缩机进出口设置为上进上出，这与技术附件要求的下进下出相矛盾。制造厂认为BCL904这类机型内芯重量较大，壳体内需要安装抽转子的轨道，若采用下进下出设计结构，抽芯轨道与壳体开口干涉，无法布置。而对于业主和设计方来讲，如若采用上进上出设计方案，进出口管线设计将在二层楼板以上，支撑困难，管线设计很难满足压缩机进出口法兰受力要求，压缩机进出口允许的力和力矩要提高到NEMASM23标准的3倍，同时压缩机厂房高度要提高5m左右，压缩机厂房投资估计增加200万人民币。*后，制造厂经过深入的研究，修改了他们的原有设计，优化了抽芯方案，*终K7 01进出口设置为下进下出。

　　4.2端盖与外机壳的卡环卡紧装配结构

　　传统筒型压缩机筒体和端盖之间靠螺栓把紧，筒体厚度要求很厚，以便加工筒体用螺纹孔。

　　该机组如果采用传统方式设计，筒体外径至少应大于2450mm，筒体内径约1850mm，高压缸筒体重就至少63149kg，如此庞然大物无论从毛坯锻件采购，还是厂内的加工，以及加工过程的运转运输各个环节都面临极大的考验。况且国内尚无如此大的压力容器锻件供货业绩，只能从国外采购。鉴于此，制造厂在机壳和端盖的设计中本着重视成本的原则，积极大胆采用全新设计方法，改变传统筒型压缩机端盖和外机壳靠螺栓把紧的结构为卡环卡紧结构，新设计的卡环结构筒体和端盖之间靠卡环卡紧，筒体很薄，保证卡环处强度满足要求既可，筒体外径只需要2196mm，不仅赢得了宝贵的加工周期，而且节省了大量费用，仅材料费一项就至少可以节省200万元人民币。

　　4.3外机壳由锻造改为板材卷制焊接的技术控制

　　确定采用卡环结构以后，面临的下一个问题是将外机壳由锻造材料改为板材卷焊制造。为此，制造厂查阅了压力容器标准，经过认真分析，组织专家评审，确认可以通过适当的热处理方法，来提高材料的使用性能，将外机壳的材料（16MnR）

　　改为板材卷焊制造，按容器标准进行焊接，热处理，以及焊后100%射线探伤，这样用板材卷制替代锻钢结构完全可行。争得业主及中国石化工程建设公司同意后，制造厂拟定一系列质量控制条件，将机组外机壳由板材卷制。如此优化极大地降低了产品成本，缩短了外机壳的加工周期，也缩短产品交货期。仅板材卷制外机壳替代锻钢结构这一项，至少可节省100多万元人民币。

　　4.4内机壳与进口隔板的整体铸造

　　内机壳与进口隔板整体铸造是一次大胆的尝试，整铸可以改善进气蜗室结构，也合理解决了蜗室的布置问题，成功解决了气体均匀进入叶轮问题，提高了进气效率，保证了压缩机的性能。除此以外，内机壳的设计也大大增加了外壳体的支撑刚度；整体芯子也具有了更高的加工精度，累计误差减小，装配更方便，定位更准确，检维修更容易等优点，极大地提高了产品的质量。

　　4.5内机壳隔板束装拆工具的研制

　　机组内机壳加级间隔板束和转子组立后重量达33t，而实际情况是机组中铸造内机壳和铸造隔板由于减重掏空不到位，致使实际重量比理论重量重，实际重量至少38t.如此庞然大物要推入外机壳中，并准确定位，如果没有一套专用工具会给装配带来很多障碍。经仔细研究，广查资料，积极同车间工人师傅交流探讨，反复计算，并利用三维设计软件模拟，终于成功的研制出机组隔板束拆装工具，并在现场同施工人员一道，解决了因隔板束过重，现场安装空间狭小，机组起吊配合困难等难题，成功的将重达38t的隔板束准确装入外机壳内。

　　本装拆工具分为支架体和检修底座两部分，检修底座通过贯穿式地脚螺栓与预制基础固定，支架体通过螺栓把紧在检修底座上，通过顶丝调整支架的高度从而实现支架上轨道调平，内机壳与外机壳同心。将支架前端与机组外机壳固定，滚轮支架与内机壳把和，调整滚轮支架高度，保证内机壳滚轮组和滚轮支架上滚轮与轨道良好接触。液压推力缸的行程约为160mm，多次调整改变油缸支架的位置，直到整个内机壳隔板束推进机壳内为止。卸时先用油压推力缸把支架反顶移动一定的距离后，把油缸支架掉转180即可。实践证明该装拆工具确实快捷方便有效。

　　5汽轮机和辅助配套系统冷凝空冷器等问题

　　驱动汽轮机K701ST采用杭州汽轮机股份有限公司的产品，引进西门子的技术，积木块#式设计，机型为NKS40/46，冷凝器采用干式空冷器，空冷器选用GEA的产品。针对驱动大型设备的需要，汽轮机的部分结构也进行了一些改进设计。

　　5.1真空系统的改进设计

　　K701ST凝气空冷式汽轮机出口直接接入集液箱，并通过集液箱凝结液泵将凝结水送入热井，这也是西门子空冷凝结系统的标准设计。此种设计缺点是系统复杂，设备多，而且汽轮机出口到空冷器的压降很大。为优化整个系统的设计，降低汽轮机出口到空冷器的管线压降，取消原设计的集液箱及集液箱凝结水泵和排放调节阀。新增集液罐安装在汽轮机出口管线末端，集液罐和热井采用U型管连接控制其液位。修改后的方案大大降低了管线压降，空冷器的换热面积减小，同时减少了两台凝液泵和一套调节阀，节约投资的同时减少了系统的占地面积。

　　5.2汽轮机转子动平衡

　　杭汽所报的NKS40/46额定转速接近一阶临界转速，为了保证能在今后安全运转，要求杭汽厂进行了转子的工厂不平衡响应分析，以验证转子的敏感性能。在各方共同的努力下，*终的试验结果证明此转子为不敏感性转子，满足要求。

　　杭汽也通过这次试验积累了很多数据和经验。

　　6压缩机工厂试验

　　为了验证新设计的压缩机的各项技术指标，在制造厂对压缩机组进行了机械运转试验和性能试验。

　　机械运转试验，压缩机的试验结果满足相关规定的要求，但在试机结束后轴承的解体检查时发现，轴承表面的划痕很严重，这说明试验润滑油系统非常脏并带有很多的杂质，确定通过厨瓦来修复轴承表面。

　　性能试验，试验后发现试验结果与设计及标准规定的要求相差非常大，试验的多变效率低于设计值的9.9%，功率高出13.9%，与API标准中规定的4%相差太大，无法接受。通过全面的分析，原因主要有以下几个方面：

　　（1）由于对大型压缩机的选型和对新技术三元流叶轮认识上经验的欠缺，以致压缩机的选型偏大，直接导致了压缩机在小工况下运行时偏离设计点，从而导致了效率的降低；

　　（2）压缩机的内泄漏量考虑偏大；

　　（3）压缩机一级叶轮出口的流道偏窄，气体的流动性能不好；

　　（4）压缩机的叶轮采用的是铣焊结构，在机加工和热处理过程中由于质量的控制问题，存在着偏差，尤其是首级叶轮，热处理控制不好叶轮变形较为严重，严重偏离设计点。

　　分析完以上存在问题后，制造厂进行了相应的整改，针对压缩机选型偏大问题，制造厂同意重新加工一个新的转子，替换原有转子，待现场安装结束后将压缩机运回工厂，再次进行新转子的性能试验，*终新转子的性能试验满足了设计和规范要求；对于压缩机内泄漏大的问题，重新加工了所有的级间密封和平衡盘的迷宫密封，减小了径向间隙，减小了气体的内泄漏量；针对压缩机一级叶轮出口的流道偏窄，气体流动性能不好的问题，制造厂重新加工了对应流道，加宽了流道的宽度，改善了气体的流动性能；针对制造和热处理的质量问题，制造厂将一级叶轮改为两件焊结构，首级叶轮改为3维数控机床铣制，其中一个盖板和叶片为整体铣制，铣完后再与另一个盖板焊接，减少了手工焊接面，降低了叶轮的变形量，保证了制造的质量。

　　在采用新加工的转子和进行了以上的修改后又进行了新的性能试验，*终的试验结果满足技术要求和API617的规定。

　　7运行的经济性方面

　　设备在现场开工已有大半年的时间，到目前为止，操作平稳，运行可靠，根据现场业主对机组的标定结果，各项技术指标均达到设计的技术要求。

　　根据报价阶段国产机组同国外厂家的效率对比，通过优化选型后的国产机组的效率大约比国外高2%左右，尽管性能试验后的效率比报价的预期曲线减低了3%左右，但总体上看来，已基本达到了国外同类产品的先进水平，今后完全可以替代国外类似进口产品。

　　目前国内同类型压缩机的价格大约是国外进口机组的1/3，通过大型离心压缩机组的国产化，可以为项目节省大量的投资，也大大提高了项目投资的回收率和经济性。另外，从设备的日常操作维护及备品备件的费用角度来看，国产机组比国外机组有更好，更快的服务，其相关操作维护费用要低很多，将会为用户大大减低维护费用。

　　8建议及结论

　　（1）从设计，制造，试验，施工，开车运行等几大方面的结果看来，700kt级PX装置异构化循环氢压缩机国产化开发及应用已经取得了成功。

　　该机组经过机械运转试验和性能试验，各项技术指标和性能完全满足合同要求，并且达到了国际先进水平。

　　（2）该机组的成功研制和应用是在吸收了国外先进技术，采用国内自行开发和国内联合开发的大量科研成果以及多年的设计，使用经验基础上大胆创新研制完成的。它的成功研制，开发，制造，标志着我国在大流量垂直剖分型离心压缩机研制，制造领域里又迈出了可喜的一步，表明我国已具备千万吨级大型炼油厂PX装置氢气压缩机的设计，制造能力。

　　（3）该机组的研制成功，使得国内能够设计制造此类压缩机并参与国际竞争，迫使国外厂商在中国市场上同类产品的价格大幅下降，可为国家节省大量外汇，为用户增加巨大的经济效益，产生了巨大的社会效益。

　　（4）该机组是先进成熟单元技术的集成，可以成功应用到大型炼油装置，大型化肥以及石化行业各种用途的离心压缩机上。

　　（5）机组无论从技术含量，制造难度上都是相当之高，机组的研制成功开创了我国大型炼油装置用氢气压缩机制造的又一奇葩，为我国今后研制特大型炼油装置用压缩机作好了技术储备并提供了宝贵的经验。是石化行业重大技术装备国产化研制取得的重大成果。