羅海華１，方昌勇２，孫士恩１，王俊偉２

（１.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江杭州　３１１１２１；

２.浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江金華　３２１１０２）

［摘　要］：以某電廠典型熱用戶為代表，設(shè)計(jì)了用戶側(cè)蒸汽余壓差驅(qū)動(dòng)的空壓機(jī)系統(tǒng)工藝流程。空壓機(jī)兩級(jí)葉輪均采用后彎三元流設(shè)計(jì)，制造出樣機(jī)并開展了示范應(yīng)用。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，壓縮空氣產(chǎn)氣量達(dá)２０ｍ３／ｍｉｎ，出口壓力達(dá)０３９ＭＰａ，各軸瓦振動(dòng)和軸瓦溫度均優(yōu)于設(shè)計(jì)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了用戶側(cè)蒸汽壓差回收利用產(chǎn)生高品質(zhì)壓縮空氣。

［關(guān)鍵詞］：蒸汽壓差；高轉(zhuǎn)速；離心空壓機(jī)；向心汽輪機(jī)；用戶側(cè)

中圖分類號(hào)：ＴＨ４５　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ

文章編號(hào)：１００６－２９７１（２０２３）０２－００２０－０

１　引言

　　當(dāng)前，我國(guó)現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)模日益增長(zhǎng)。據(jù) 統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已有國(guó)家級(jí)和省級(jí)工業(yè)園區(qū)近２５００家，園區(qū)所積聚企業(yè)數(shù)量從十幾家至幾千家不等。盡 管，園區(qū)以進(jìn)行企業(yè)功能劃分，但因企業(yè)類型不 同，造成企業(yè)用能需求存在差異。以蒸汽和壓縮空氣為例，現(xiàn)有供應(yīng)模式多為通過電廠集中供汽結(jié)合自購(gòu)電動(dòng)螺桿空壓機(jī)方式供氣［１－３］。然而，上述方式存在一系列問題。蒸汽集中供應(yīng)管道設(shè)計(jì)時(shí)，通常按照?qǐng)@區(qū)最高蒸汽壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)，造成一半左右的企業(yè)存在蒸汽壓力不匹配，需通過減溫減壓裝置調(diào)整蒸汽壓力，降低了蒸汽品位等級(jí)。而電動(dòng)螺桿空壓機(jī)存在轉(zhuǎn)化效率低、電耗高、維護(hù)成本高等問題，且產(chǎn)生的含油廢水處置困難等問題。

２　產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景分析及設(shè)計(jì)邊界確定

２.１　應(yīng)用場(chǎng)景分析

本文以浙江某電廠集中供熱用戶某塑料生產(chǎn)公 司作為應(yīng)用場(chǎng)景，該公司耗汽量為６ｔ／ｈ，生產(chǎn)工藝僅需要０.６ＭＰａ，１５５℃的蒸汽。而集中供汽用戶門站蒸汽參數(shù)為１.１ＭＰａ，２０５℃的過熱蒸汽，而目前采用減壓閥的方式調(diào)節(jié)參數(shù)參數(shù)，根據(jù)熱力學(xué)第二定律評(píng)估，減溫減壓過程消耗的功率及折算為壓縮空氣量見表１。由表１可看出，某塑料生產(chǎn)公司在對(duì)蒸汽減溫減壓過程，浪費(fèi)的輸出功率為１５０ｋＷ，以空壓機(jī)比功率為６ｋＷ／（ｍ３·ｍｉｎ） （常規(guī)空壓機(jī)比功率為５～６ｋＷ／（ｍ３·ｍｉｎ））計(jì)算，可產(chǎn)生壓縮空氣流量為２０ｍ３／ｍｉｎ。這表明，該應(yīng)用場(chǎng)景的蒸汽偏差具有足夠大的壓縮空氣生產(chǎn)潛力［４－５］。

２.２　設(shè)計(jì)約束條件說明

本文在對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需遵循以下幾個(gè) 約束條件。

（１）運(yùn)行條件約束

蒸汽進(jìn)口壓力為１.１ＭＰａ，空壓機(jī)排氣壓力高 于０.４ＭＰａ。壓縮空氣流量根據(jù)蒸汽流量的波動(dòng)而波動(dòng)。

（２）向心汽輪機(jī)條件

考慮主汽閥損失（５％左右） 后，給定進(jìn)口總 壓、總溫及出口靜壓，設(shè)置進(jìn)口氣流角度為７８°（與徑向夾角），進(jìn)行流量計(jì)算與轉(zhuǎn)速的選取，出口流速（基本沿軸向） 為８１.３ｍ／ｓ，質(zhì)量流量為１.６８７ｋｇ／ｓ，轉(zhuǎn)速為３００００ｒ／ｍｉｎ。即向心汽輪機(jī)最大功率為１５０ｋＷ，轉(zhuǎn)速在３００００ｒ／ｍｉｎ。

（３）離心空壓機(jī)參數(shù)選取

鑒于離心空壓機(jī)輸入功率為１５０ｋＷ，排氣壓 力大于０.４ＭＰａ，離心空壓機(jī)采用兩級(jí)壓縮，部分性能參數(shù)見表２。即：在給定機(jī)械功率１５０ｋＷ，排氣壓力０.４ＭＰａ的條件下，離心空壓機(jī)采用２級(jí)壓縮，轉(zhuǎn)速在７１０００ｒ／ｍｉｎ以上時(shí)，可產(chǎn)生２０ｍ３／ｍｉｎ的壓縮空氣［６］。

２.３　撬裝集成設(shè)計(jì)

本文提出采用向心汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)離心空壓機(jī)整體 撬裝設(shè)計(jì)，即向心汽輪機(jī)和離心空壓機(jī)不同軸的設(shè)計(jì)方式，兩軸之間采用齒輪嚙合來進(jìn)行匹配，能夠靈活運(yùn)行，適應(yīng)較寬范圍內(nèi)的工況變化［７］。

３　具體方案設(shè)計(jì)

３.１　工藝流程設(shè)計(jì)

１.１ＭＰａ（Ｇ）、２０５℃、６ｔ／ｈ的蒸汽全周進(jìn)汽 進(jìn)入向心汽輪機(jī)，轉(zhuǎn)速３００００ｒ／ｍｉｎ，輸出功率約１５０ｋＷ，向心汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)軸通過增速齒輪帶動(dòng)離心空壓機(jī)高速軸，高速軸轉(zhuǎn)速７１０００ｒ／ｍｉｎ，同時(shí)帶動(dòng)高速軸兩端的２級(jí)空壓機(jī)壓縮葉輪，空氣從進(jìn)氣口進(jìn)入一級(jí)壓縮渦輪（壓比２.８２４） 升壓，進(jìn)入中間冷卻器冷卻后再進(jìn)入二級(jí)壓縮渦輪（壓比２.２３），排氣壓力達(dá)到０.５ＭＰａ后排出。

３.２　空壓機(jī)葉輪設(shè)計(jì)

空壓機(jī)采用兩級(jí)壓縮，兩級(jí)葉輪均采用后彎三 元流葉輪，具有較強(qiáng)做功能力和較寬工作范圍。一級(jí)葉輪１２個(gè)葉片，外徑１２７ｍｍ。二級(jí)葉輪１４個(gè)葉片，外徑１１２ｍｍ。

３.３　葉輪強(qiáng)度校核

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可以達(dá)到７１０００ｒ／ｍｉｎ，空壓機(jī)葉 輪需有足夠的強(qiáng)度和模態(tài)承受能力。為此，對(duì)設(shè)計(jì)的一、二級(jí)葉輪的強(qiáng)度和模態(tài)進(jìn)行模擬分析［８］。

３.３.１　一級(jí)葉輪

該葉輪沿圓周均布６個(gè)長(zhǎng)葉片、６個(gè)短葉片。 對(duì)設(shè)計(jì)好的葉輪采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格數(shù)量最終為１０.５萬(wàn)個(gè)，一級(jí)葉輪網(wǎng)格劃分如圖１所示。

模擬邊界條件的設(shè)置如下：葉輪材料為ＴＣ４， 計(jì)算轉(zhuǎn)速為７１０００ｒ／ｍｉｎ，葉輪與主軸接觸傳扭的位置設(shè)置固定約束。模擬后葉輪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖２所示。由圖２可看出，大部分位置的應(yīng)力低于３００ＭＰａ，葉輪中心孔應(yīng)力最大約為３６２ＭＰａ，考慮超速為１１５％，計(jì)算最大應(yīng)力為４７９ＭＰａ，與材料的屈服強(qiáng)度８９０ＭＰａ相比有８５.８％的安全裕度，考慮到有限元計(jì)算的精度以及實(shí)際應(yīng)用中局部變形會(huì)削減應(yīng)力峰值，該葉輪是足夠安全的。

葉輪變形量如圖３所示，總變形量最大值約 ０.０７ｍｍ，位于葉輪盤外緣。Ｚ向變形量－０.０６～＋０.０３ｍｍ。徑向最大形變量０.０５ｍｍ，位于葉輪盤外緣。

３.３.２　二級(jí)葉輪

二級(jí)葉輪沿圓周均布７個(gè)長(zhǎng)葉片、７個(gè)短葉片。 二級(jí)葉輪采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單元數(shù)為１０萬(wàn)，二級(jí)葉輪網(wǎng)格劃分如圖４所示。葉輪材料為ＴＣ４，計(jì)算轉(zhuǎn)速為７１０００ｒ／ｍｉｎ；葉輪與主軸接觸傳扭的位置設(shè)置固定約束。

模擬后，葉輪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖５所示，大部 分位置的應(yīng)力低于２００ＭＰａ，葉輪中心孔應(yīng)力最大約為２８９ＭＰａ，考慮超速為１１５％，計(jì)算最大應(yīng)力為３８２ＭＰａ，與材料的屈服強(qiáng)度８９０ＭＰａ相比有１３３％的安全裕度，考慮到有限元計(jì)算的精度以及實(shí)際應(yīng)用中局部變形會(huì)削減應(yīng)力峰值，該葉輪是足夠安全的。

葉輪變形量模擬如圖６所示，總變形量最大值 約０.０７ｍｍ，位于葉輪盤外緣。Ｚ向變形量－０.０６～＋０.０１ｍｍ。徑向最大形變量０.０４ｍｍ，位于葉輪后盤。

４　調(diào)節(jié)方式

４.１　一級(jí)調(diào)節(jié)模式

根據(jù)蒸汽驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)，壓縮空氣產(chǎn)氣量由蒸汽流 量和蒸汽壓力決定，即由下游用戶的工藝點(diǎn)用汽量決定，因此本機(jī)組即按照６ｔ／ｈ蒸汽流量滿負(fù)荷運(yùn)行，本機(jī)組產(chǎn)生２０ｍ３／ｍｉｎ、０.４ＭＰａ壓縮空氣進(jìn)入壓縮空氣管網(wǎng)后，管網(wǎng)中壓縮空氣壓力提高，超過管網(wǎng)設(shè)定壓力后，其余的空壓機(jī)會(huì)調(diào)節(jié)減少產(chǎn)氣量，從而達(dá)到節(jié)電目的。

４.２　二級(jí)調(diào)級(jí)模式

本機(jī)組采用定速調(diào)節(jié)。當(dāng)蒸汽流量波動(dòng)時(shí)，離 心空壓機(jī)通過入口導(dǎo)葉控制空氣進(jìn)量，離心空壓機(jī)和蒸汽渦輪功率同步波動(dòng)，維持轉(zhuǎn)速不變、空壓機(jī)排氣壓力不變。蒸汽流量可波動(dòng)范圍在７０％ ～１００％。

５　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試

　　樣機(jī)投用后，運(yùn)行效果良好。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為 ３００７７ｒ／ｍｉｎ，空壓機(jī)轉(zhuǎn)速為７０６６３ｒ／ｍｉｎ，均在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的合理范圍內(nèi)，同時(shí)齒輪箱軸溫、振動(dòng)和壓力顯示正常。如齒輪箱低速軸汽輪機(jī)軸溫最高，為７２.４℃；最大振動(dòng)出現(xiàn)在二級(jí)空壓機(jī)軸位置，為１９.００μｍ；過渡軸處的位移為９１.９μｍ，均優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)和行業(yè)指標(biāo)，產(chǎn)氣量２０.３Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ，出口壓力０.３９ＭＰａ。

基于蒸汽壓差驅(qū)動(dòng)的空壓機(jī)系統(tǒng)成功研發(fā)，填 補(bǔ)了用戶側(cè)小流量回收利用裝置的空白，實(shí)現(xiàn)蒸汽梯級(jí)利用，進(jìn)一步提高集中供汽節(jié)能效率。

參考文獻(xiàn)：

［１］　徐龍祥．高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸系動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)［Ｍ］．北京：國(guó)防工業(yè)出

版社，１９９４．

［２］　于洋，葛婧，陳云偉，等．離心式空壓機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)簡(jiǎn)述

［Ｊ］．內(nèi)燃機(jī)與配件，２０２０，（１２）：１２２－１２３．

［３］　魏金章．空分裝置用透平壓縮機(jī)的發(fā)展［Ｎ］．風(fēng)機(jī)技術(shù)，１９９７，９

（６）：１－４．

［４］　任天明．高速水潤(rùn)滑軸承電動(dòng)離心式空壓機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究［Ｄ］．

北京：北京科技大學(xué)，２０１７．

［５］　邢綱．離心壓氣機(jī)葉輪與主軸聯(lián)接的裝配性分析［Ｊ］．壓縮機(jī)技

術(shù)，２０１６，２６０（６）：４２－５０．

［６］　吳鵬．離心式空壓機(jī)喘振控制方法介紹［Ｊ］．壓縮機(jī)技術(shù)，２０１９，

２７５（３）：４２－４５．

［７］　ＯｚｇｏｋｍｅｎＴＭ，ＪｏｈｎｓＷ Ｅ，ＰｅｔｅｒｓＨ，ｅｔａｌ．ＴｕｒｂｕｌｅｎｔＭｉｘｉｎｇｉｎｔｈｅ ＲｅｄＳｅａＯｕｔｆｌｏｗ Ｐｌｕｍｅｆｒｏｍ ａＨｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｎｇｎｏｎｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ Ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃａｌＯｃｅａｎｏｇｒａｐｈｙ，２００３，３３（８）： １８４６－ １８６９．

［８］　陳曉，陳小兵，龔艷．基于ＡＮＳＹＳ的多翼型離心風(fēng)機(jī)葉輪有限元 分析［Ｊ］．江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，２０１７，４５（９）： １８０－１８３．

作者簡(jiǎn)介：羅海華（１９８３－），男，漢族，江西南昌人，高級(jí)工程師，碩士研究生，從事空壓機(jī)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｄｌｕｏ＠１２６．ｃｏｍ

文章來源：壓縮機(jī)技術(shù)