汽轮机驱动往复式压缩机的技术探讨

2020-09-23 10:42:26 1

 摘  要:阐述中小氮肥企业采用汽轮机替代电机驱动往复式压缩机来降低成本的迫切性对汽轮机设计的特殊要求,分析汽轮机转子的强度,系统的正常开停机和紧急停机对汽轮机的影响,以及汽轮机替代电机动驱动往复式压缩机的投资和收位置。

关键词:汽轮机;驱动;往复式压缩机

1 前言
  【中国压缩机网】中国氮肥工业协会小氮肥分会由600多家中小氮肥企业组成,氮肥产量占全行业的56%,小氮肥中以煤为原料的占63%。用煤作原料的生产过程为:先将煤气化,再通过往复式压缩机压缩至29.42MPa左右的高压气体,到合成塔合成氨,再通过化学反应将合成氨生产成尿素。用煤作原料来生产氮肥能耗非常高,是用渣油的1.17倍,天然气的1.57倍。其中用压缩机把煤气压缩成高压气体是耗能的主要过程之一,40 000t合成氨的压缩机功率为5 000kW左右,30 000t合成氨的压缩机功率为4 000kW左右,20 000t合成氨的压缩机功率为3 000kW左右,10 000t合成氨的压缩机功率为1 500kW左右。由于化肥价格与农产品息息相关,国家现对化肥厂用电实行保护价,普遍在0.30元/kW·h左右,z*便宜的山西为0.10元/kW·h。我国加入世贸组织后,氮肥企业面临用电保护和化肥免税的取消以及国外氮肥大量涌入的严峻挑战,国内中小氮肥企业的各项经济指标和技术水平较国际先进水平有较大差距,如不及时降低能耗和成本,我国的中小氮肥企业将难以同国外化肥抗争,采用低能耗的生产工艺势在必行。
  采用汽轮机替代电机驱动往复式压缩机,是一种能耗低且安全可靠的运行方式。该运行方式目前在技术上是成熟的,在国外化工厂已取得了良好的运行业绩,全世界共有58台汽轮机驱动往复式压缩机的合成氨装置。国内还未有氮肥企业采用汽轮机替代电机来驱动往复式压缩机的运行业绩,但许多氮肥企业已经把目光瞄向了这种技术,如鲁西化工集团已向东方汽轮机厂订购了3台N6-3.43型6 000kW汽轮机用于驱动往复式压缩机,压缩机采用上海德莱赛压缩机有限公司生产的7HHE-VG型年产40 000t合成氨往复式氮氢压缩机。该项目正在实施,是国内采用汽轮机驱动往复式压缩机的z*先例。
  由于汽轮机的驱动对象由发电机变为压缩机,因此对汽轮机的设计和运行也提出了特殊要求。
2 汽轮机驱动压缩机系统
  往复式压缩机属于交变载荷,为避免交变载荷对汽轮机的平稳运行产生冲击,必须在系统中设置缓冲装置。在汽轮机、减速箱和压缩机构成的传动系统中,设置了高速齿形离合器、飞轮和低速弹性联轴器。
  飞轮是一个转动惯量很大的轮盘,它的用途是补偿往复式压缩机的交变载荷。压缩机气缸的容积和压力随时间变化,这些变化势必会引起曲轴负荷的波动,这些负荷波动由飞轮补偿,以免对汽轮机产生一个额外的冲击负荷,保障汽轮机的安全运行。

  当负荷变化的速率很大时,飞轮就难以补偿这种负荷,这样即使是不大的负荷也会对汽轮机产生危害,因此在系统中设置了低速螺旋弹簧联轴器,可以有效地隔离高频冲击扭矩,避免脉动力矩大于飞轮的补偿能力时,对汽轮机产生危害。由于低速螺旋弹簧联轴器的主动轮和被动轮之间留有较大的轴向和径向间隙,因此还具有较大的轴向和径向补偿能力。


3 汽轮机设计的特殊要求
  (1)往复式压缩机的运转速较低,约300r/min,而汽轮机的转速为3 000r/min,这就要求在汽轮机和压缩机之间配备高速齿轮减速箱,齿轮减速箱采用2级减速。在汽轮机与减速箱之间设有高速联轴节,该联轴节在静态或盘车转速时有脱开与合上功能,采用手动脱开。
  (2)汽轮机转子膨胀是由推力轴承推力盘处向后膨胀,汽轮机配电机时转子的向后轴向膨胀由电机承担,现配齿轮减速箱则由高速齿形离合器承担,这就要求高速齿形离合器具有补偿汽轮机与减速器之间轴向热膨胀的能力。
  (3)汽轮机和压缩机各自分开盘车。启动时各自分开盘车,冲转前合上高速联轴节后再整机启动。停机后汽轮机需盘车缓慢降温,防止转子弯曲。停机后脱开齿形离合器,汽轮机单独进行盘车。
  (4)压缩机在运行中不可能快速卸负荷,汽轮机在停机过程中是带负荷停机,转速下降很快,为了保证轴承的安全运行,汽轮机润滑油要采用交流油泵供油,齿轮减速箱的润滑油由汽轮机的润滑油系统供油,回油回到汽轮机润滑系统。调节油仍由调速油泵供油,调节油泵出口不供润滑油。
  (5)由于化工厂对仪表设备防爆有规定,交直电机要采用防爆型,测温元件铂热电阻、电接点压力表及随机仪表等也要配防爆型。同时化工厂氨对铜腐蚀极为严重,因此要求仪表接头、外壳不采用铜合金。
  (6)采用汽轮机替代电机驱动往复式压缩机,汽轮机的启动过程相对于电机而言,启动时间长,过程复杂,应尽量避免频繁开停机,这就要求汽轮机的汽水系统尽量简单,z*好采用纯冷凝式机组,并去掉给水回热系统,避免由于其它系统故障造成停机。但有些化肥企业,为提高热经济性,希望采用抽汽式或背压式机组,使热能梯级利用,这就要求这些企业具有较高的运行和管理水平,避免系统中由于其它设备故障而造成不必要的停机。
  (7)对汽轮机转子、减速箱齿轮轴和压缩机曲轴组成的轴系必须进行扭矩计算,根据转子的转动惯量和曲轴的负荷变化,确定飞轮的大小和低速螺旋弹簧联轴器选型。
  (8)汽轮机和压缩机的联锁保护是非常重要的,当系统中任何一个环节发生紧急情况,需要紧急停机时,必须迅速关闭汽轮机的主汽门,而压缩机如不能迅速卸载,载荷则成为主要的阻力矩,同时飞轮储存了大量的能量,它的惯性矩变为动力矩,汽轮机转子的惯性矩也是动力矩,低速螺旋弹簧联轴器补偿了一部分扭矩,汽轮机转子所承受的扭矩就不是很大,但压缩机还是应该在短时间内迅速卸载,减少汽轮机转子和曲轴承受的扭矩。
  (9)压缩机一旦出现液体进缸、连杆折断、抱轴卡死情况,则会在短短数秒钟内大超载。由于汽轮机转子和飞轮存在较大的转动惯量,若转子在瞬间被卡死,将产生很大的角加速度,产生非常大的动量矩,当低速螺旋弹簧联轴器补偿到了极限,就由汽轮机转子和压缩机曲轴承受,因此需在汽轮机和压缩机之间设置破坏装置,当阻力短超过限定值时,破坏并断开它们的联接,保证汽轮机的安全。
4 汽轮机转子的强度分析
  N6-3.43型6 000kW汽轮机主轴
  材料34CrNi3Mo     σ 0.2=735MPa
  剪切应力许用值     [σ]=176.4MPa
  轴颈抗扭截面系数/mm3    6.63×10 5
  额定工况力矩/N·m   18 559
  汽轮机带动发电机运行,要考虑发电机发生短路工况。发电机出现短路,其主轴会产生10倍于额定工况力矩的瞬时附加力矩。假定汽轮机和发电机的转动惯量相等,则轴颈将受11/2×18 559=102 075N·m的瞬时附加力矩载荷,这时轴颈剪应力为154MPa,小于许用应力,可以安全运行。汽轮机设计时考虑了电机短路工况下在巨大负载下的安全性,因此汽轮机带动压缩机在紧急停机过程中,汽轮机转子能承受额定工况力矩5.5倍载荷的冲击。
5 系统的开停机过程
  下面简介汽轮机驱动往复式压缩机的开停机过程,以N6-3.43型6 000kW汽轮机为例。
5.1 开机
  (1)汽轮机和压缩机系统的油系统、汽水系统、冷却系统、调节保安系统、氮氢气系统及其它辅助系统处于正常状态。
  (2)开启主汽阀,缓慢升速至300~500r/min,进行低速暖机,并检查系统是否正常。
  (3)暖机约30min后继续升速至1 200~1 400r/min并保持20~30min,再次检查,正常后升速至调速器动作转速约2 800r/min,通过临界转速时要平稳而迅速。调速器动作后可开全主汽阀,用同步器调整转速至额定转速3 000r/min。
  (4)压缩机通过调整旁路阀按2%/min加负荷,在50%负荷处保持10min,全面检查后,加载至额定负荷。
5.2 正常停机
  (1)压缩机
  1逐渐打开压缩机各级旁路调节阀平稳卸负荷;
  2当卸荷至50%时,停加热器;
  3待完全卸荷后关闭主气门。
  (2)汽轮机
  随压缩机减负荷,汽轮机同时减小汽门降负荷,直到关闭主汽门。
  (3)当系统停机后,汽轮机和压缩机一起进行盘车。
5.3 紧急停机
5.3.1 非抱轴卡死紧急停机
  (1)当系统中任何一个环节发生紧急情况,需要紧急停机时,必须迅速关闭汽轮机的主汽门,切断汽源。
  (2)压缩机为手动卸载,在短时间内来不及作出动作,这时:
  1压缩机气缸活塞对压缩机的负荷力矩成为系统停机主要阻力矩;
  2齿轮减速箱的磨擦阻力和其它机械损失也是阻力矩;
  3飞轮的转动惯量很大,储存了大量的能量,它的惯性力矩变为动力矩;
  4汽轮机转子的转动惯量也很大,它的惯性力矩也是动力矩;
  5低速螺旋弹簧联轴器补偿了一部分扭矩,其余扭矩由汽轮机转子和压缩机曲轴承受。
  (3)压缩机应该在短时间内迅速卸载,减少汽轮机转子和曲轴承受的扭矩。汽轮机的转子系统(主轴、叶轮、叶片等部件)在设计中要考虑在紧急停机过程所受载荷不大于设计载荷,以免造成转子系统的损伤。
5.3.2 抱轴卡死紧急停机
  (1)压缩机万一出现抱轴卡死情况,必须迅速关闭汽轮机的主汽门,切断汽源。并迅速切断压缩机气源。
  (2)压缩机在短短时间内载荷大大增加,若转子在瞬间被卡死,将产生很大的角加速度,产生非常大的动量矩。
  (3)低速螺旋弹簧联轴器补偿到了极限,就由汽轮机转子和压缩机曲轴承受,它们将承受很大的扭矩。
  (4)应设置保护装置保护汽轮机转子不承受超过其许用力矩。
6 汽轮机替代电机驱动压缩机的经济性对比分析
  以6 000kW汽轮机为例,设计热耗12 873kJ/kW·h,经鲁西化工集团按现行电价0.30元/kW·h,蒸汽成本35元/t,考虑循环水增加、水泵和油泵功率增加、土建和汽轮机投资、设备折旧、贷款利息和运行费用等因素后,采用汽轮机替代电机驱动往复式压缩机,每吨合成氨可降低生产成本约82元,对年产40 000t合成氨装置,一年可降低成本328万元,改造一台总投资约需800万元,2年多可收回投资。
  如果国家取消电价保护政策,每吨尿素增加生产成本约10元,若对尿素征收增值税,则又每吨尿素增加生产成本约70元,这对这些化肥企业是致命的,难以抵挡国外化肥的进入。要降低生产成本,迎接挑战,采用汽轮机替代电机驱动往复式压缩机是s*选途径。
7 存在的问题
  (1)由于以煤为原料合成氨,煤气中含焦油和粉灰,往复式压缩机的阀门极易损坏,停机检修较为频繁,而汽轮机的开机和停机过程较为繁杂,频繁开停机对汽轮机寿命存在影响。
  (2)压缩机可5min内由零负荷增加至满负荷,汽轮机升速和加负荷时间较长。
  (3)汽轮机的检修运行费用较电机驱动高。
  (4)有些化肥企业,为提高热能梯级利用,希望采用抽汽式或背压式机组,这就要求其它系统的运行水平要高。
  (5)国内还未有运行业绩,也未有相应的运行规范。
  这些问题一方面通过化肥企业不断提高运行和管理水平积累运行经验,另一方面通过汽轮机和压缩机制造厂不断提高其产品的技术性能作好协调工作,是能够解决的。
8 结论
  (1)用汽轮机驱动往复式压缩机在技术上是成熟的,国外已有许多成功的运行范例。
  (2)用汽轮机驱动往复式压缩机,对汽轮机的设计也提出了特殊要求。
  (3)经强度计算表明,汽轮机转子的安全裕度很大。
  (4)汽轮机驱动压缩机在正常停机和紧急停机时不会对转子系统造成损伤。
  (5)汽轮机驱动压缩机每吨合成氨可降低生产成本约82元,2年多即可收回全部投资。采用汽轮机替代电机驱动往复式压缩机是化肥企业降低生产成本,迎接入世挑战的s*选途径。

来源:东方汽轮机厂产品开发处,四川 德阳 618000

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