金 鑫

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

1 前言

某項目氫氣站壓縮機氣量大，同時升壓達到13kg，常規(guī)離心機需要3個缸才能實現(xiàn)，投資大，且效率低、檢修困難，因此需要研制雙缸、高效離心式氫氣站壓縮機。

作為國內(nèi)最大的氫氣站裝置，項目成功研發(fā)了國內(nèi)首套離心式氫氣站壓縮機，替代了傳統(tǒng)的往復式壓縮機，實現(xiàn)了純氫氣的增壓，滿足了業(yè)主投資成本低、占地面積小、運行維護費用低且能長周期運行的需求。

2 主要內(nèi)容及方法

通過氣動方案、葉輪加工及強度優(yōu)化、機組安全設置等方面的深入研究，相關人員開發(fā)氫氣站壓縮機。氫氣站離心壓縮機設計參數(shù)：流量為89060～102420Nm3/h；進口壓力為1.9MPa，出口壓力為3.2MPa；進口溫度為40℃，出口溫度為95℃。

2.1 壓縮機氣動方案

不同于石化上裝置上的氫氣重整增壓機，也不同于乙二醇裝置上的氫氣循環(huán)氣壓縮機，氫氣站壓縮機的氫氣含量為99.9%，分子量為2.03，可以說是真正的“純”氫壓縮機。按照常規(guī)設計，需要24級壓縮才能實現(xiàn)，即需要3個缸，每個缸8級。但這樣投資成本高，而且氫氣壓縮機必須為筒型結(jié)構(gòu)，即3個缸均為筒型結(jié)構(gòu)，筒型壓縮機檢修時，需要將內(nèi)機殼水平抽出，那么肯定會有1個缸檢修困難，需要將整個壓縮機吊起，這樣行車投資和廠房投資都大大增加。因此，需要開發(fā)專屬模型級，實現(xiàn)雙缸壓縮。

依據(jù)氫氣的特點，開發(fā)馬赫數(shù)為0.3、流量系數(shù)為0.025的葉輪，優(yōu)化葉片數(shù)量、葉片型線坐標及進出口角度等，以提高效率、提高能頭。同時，為進一步提高模型級的能頭系數(shù)，所有擴壓器均采用全高葉片式擴壓器，采用葉片式擴壓器，氣流在擴壓器中的行程大大增加，提高了擴壓度，機組能頭提高約4%。

全新模型級的開發(fā)，實現(xiàn)了純氫氣13kg的升壓，由18級葉輪壓縮來滿足，機組分為2個缸，每個缸9級葉輪，機型為BCL489+BCL489，均為雙支撐單軸伸筒型壓縮機結(jié)構(gòu)，采用汽輪機雙出軸布局，即汽輪機進氣側(cè)為壓縮低壓缸、出氣側(cè)為壓縮機高壓缸，便于機組檢修。由于蒸汽的進氣溫度為600℃，此時汽輪機前軸頭的熱位移達到10.3mm，因此汽輪機采用雙出軸時，對汽輪機與低壓缸相連的聯(lián)軸器要求比較高。汽輪機與高壓缸相連的聯(lián)軸器采用膜片形式，與低壓缸相連的聯(lián)軸器采用磨盤形式，同時預留6mm的預拉伸量，以便保護聯(lián)軸器。18級連續(xù)壓縮時，氫氣的最終出口溫度為160℃，可以滿足工藝需求，也滿足干氣密封設計溫度，但由于機組能頭特別高，在氮氣開車時，機組出口溫度可能會達到350℃，這個溫度會對機組很多零件都產(chǎn)生破壞，因此需在2個缸中間設置冷卻器，以降低開車時的溫度，每個缸的出口溫度約180℃，滿足工藝及壓縮機需求。

2.2 葉輪整體加工工藝

葉輪的加工技術(shù)是保證壓縮機組的最終性能符合設計要求最為核心的技術(shù)，只有先進、適合的加工技術(shù)才能使葉輪的各項設計指標得到保障，包括氣動指標、力學性能指標等。該項目由于葉輪直徑相對較小，出口寬度小，因此傳統(tǒng)的葉輪加工方式并不適用，葉輪的葉片必須銑制。這是因為傳統(tǒng)的葉輪是通過三件焊接而成，高溫焊接產(chǎn)生變形，改變了葉輪的力學性能和氣動性能，且由于流道較窄，焊角會減小通流面積，從而影響葉輪的效率。在模型級開發(fā)時，同一模型級生產(chǎn)了2個葉輪用與試驗，1個用兩件焊接（常規(guī)焊接，不是釬焊，因為國內(nèi)釬焊技術(shù)還不成熟）加工方式，另1個采用整體加工，也就是電火花+磨料流的加工方式。經(jīng)過性能試驗，整體加工的葉輪其多變效率比兩件焊接高約2%，因此該項目所有葉輪都采用整體加工方式。整體加工不是整體銑制，由于葉輪直徑較小，且流道較窄，又是三元葉輪，扭曲大，整體銑制刀具進不去，因此采用電火花加工方式。電火花加工也是整體加工的一種，通過該加工方式，葉輪的輪蓋、輪盤、葉片一次成型，無任何焊點。常規(guī)葉輪的電火花加工周期需要3個月，該項目先通過五坐標盡可能地對葉輪進行粗加工，然后再上電火花加工設備進行電解加工，這樣可以節(jié)約葉輪的加工周期，縮短至2個月左右。

該項目產(chǎn)品葉輪的直徑為Φ480mm，一共有16個葉片，圓周均布。葉輪的通流部分，最寬處為25mm，最窄處僅為4.56mm，葉片高度最大為21.47mm，最小為9.16mm，整個葉片彎曲度非常大，流道狹窄、細長。由于葉輪大小及葉片結(jié)構(gòu)形式的限制，對電解用電極要求非常高，要確保電機的設計能夠完成整個流道加工，同時盡可能地減少電極的運動分區(qū)，也就是減少電極個數(shù)。電極區(qū)域過多會增加電極的數(shù)量，延長設計及制造周期，同時電極之間的聯(lián)動設計也會非常困難，從而可能會影響葉輪流道的通流性。電極設計三維模型圖如圖1所示。

圖1 電極設計三維模型圖

電火花加工實物圖如圖2所示。電火花加工相當于一個電解腐蝕的過程，雖然表面光潔度不低于五坐標銑制的葉輪，但在其表面會有一個電解腐蝕層，而且也會存在一定的殘余腐蝕應力。機組長周期運轉(zhuǎn)時，由于線速度比較高，且葉輪一直受氣流沖擊，因此電解腐蝕層可能會發(fā)生裂紋并脫落，縮短葉輪的使用壽命，而且很可能會污染整個工藝流程。因此，不能直接使用電火花加工的葉輪，葉輪的表面還要進行一次處理，可采用人工拋光，也可采用磨料流處理。該項目為提高葉輪效率，對所有葉輪均采用磨料流處理。經(jīng)過磨料流加工的葉輪，不僅強度好，可以充分去除表面腐蝕層，而且葉輪型線不受一點破壞，表面光潔度極高，對葉輪效率也有好的影響。

圖2 電火花加工實物圖

2.3 葉輪強度分析

由于介質(zhì)為氫氣，分子量只有2，很難壓縮，因此該機組葉輪在最大連續(xù)轉(zhuǎn)速下葉輪的線速度達到了320m/s。對于氫氣壓縮機，還要考慮氫脆問題，葉輪材料的屈服強度按照《石油、化學和氣體工業(yè)用軸流、離心壓縮機及膨脹機-壓縮機》（API 617）標準要求，當氫氣含量大于90%時葉輪的屈服強度不能大于827MPa，因此葉輪強度計算幾乎是不可能通過的。葉輪強度分析采用ANSYS軟件，通過實體建模，增加約束，細分網(wǎng)格，如圖3所示。由于該項目的模型級在開發(fā)時，充分考慮了強度問題，針對模型級的力學性能，做了大量的優(yōu)化設計，并且在試驗臺上做了破壞性試驗，模型級的力學性能非常好。因此，該項目葉輪在320m/s時，葉輪的最大應力在蓋盤處，應力值為810MPa，滿足使用規(guī)范要求。葉輪應力分析模型圖如圖4所示。

圖3 葉輪有限元模型圖

圖4 葉輪應力分析模型圖

2.4 機組安全設置

由于介質(zhì)具有腐蝕性，為保證機組長周期運轉(zhuǎn)，所有供貨范圍內(nèi)的與氣體接觸的部分，均采用不銹鋼材料?？紤]氫脆的影響，在每個缸的出口均設置不銹鋼材質(zhì)的安全閥、放空閥，按照全量考慮，在異常情況下，保護機組安全；且安全閥均帶閥組，保證安全閥可以一年一校正。該項目所有設備都嚴格執(zhí)行《氫氣站設計規(guī)范》（GB 50177—2005）標準。

3 結(jié)束語

該氫氣站離心壓縮機的成功研制，為眾多氫氣使用行業(yè)提供了示范，積累了大量寶貴的設計及加工經(jīng)驗，尤其是多晶硅市場，氫氣的純度直接影響多晶硅的純度，可以大幅度替代螺桿機或往復式壓縮機，對整個行業(yè)帶來革命性影響。