祁明麗，黃澤琳，張 瑞

（1.邯鄲鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司設(shè)備運(yùn)行保障公司，河北邯鄲 056015；2.河鋼股份有限公司邯鄲分公司氣體廠，河北邯鄲 056015）

前言

邯鋼270 t液化裝置膨脹機(jī)經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，出現(xiàn)葉輪葉片脫落，葉輪開(kāi)裂現(xiàn)象，造成液化裝置停車事故，對(duì)公司生產(chǎn)造成極大影響。2019 年11 月，該公司通過(guò)更換熱端增壓透平膨脹機(jī)和冷端增壓透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子、加寬噴嘴厚度，加大葉輪直徑，更改原有密封件及相關(guān)部件等低成本的升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)了膨脹機(jī)氣量提升10%，液化量增長(zhǎng)8%，3 個(gè)月即收回成本，為公司創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 透平膨脹機(jī)工作原理

邯鋼270 t液化裝置是液氮和液氧生產(chǎn)裝置，增壓透平膨脹機(jī)為其核心設(shè)備。其結(jié)構(gòu)如圖1。

其主要元件由固定的導(dǎo)流器（噴嘴）系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)工作輪組成。導(dǎo)流器與工作輪安裝在蝸殼中，膨脹氣體自進(jìn)氣管進(jìn)入蝸殼，由蝸殼均勻地將氣體送到所有噴嘴，再經(jīng)工作輪、擴(kuò)壓器從排氣管排出。此通路總稱為透平膨脹機(jī)的流通部分[1]。如圖2。

圖1 增壓透平膨脹機(jī)

其工作原理為：較高壓力的氣體經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)的導(dǎo)流器(即噴嘴)時(shí)，壓力急劇地下降，流速大幅度增加，穿過(guò)導(dǎo)流器和葉輪之間的間隙進(jìn)入工作葉輪，并且繼續(xù)在葉輪內(nèi)膨脹，相對(duì)速度繼續(xù)增加，同時(shí)對(duì)葉輪產(chǎn)生反作用力，和氣體進(jìn)入葉輪時(shí)作用力方向一致。由于氣體在離開(kāi)工作葉輪時(shí)的速度仍然較高，為了降低這部分的能量損失，在擴(kuò)壓器內(nèi)氣體的流速降低，壓力有所升高，溫度略有回升。增壓機(jī)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)后開(kāi)始?jí)嚎s進(jìn)口空氣，壓力升高，再次回收了這部分能量。

圖2 增壓透平膨脹機(jī)的流通部分

邯鋼270 t 液化裝置膨脹機(jī)由常溫膨脹機(jī)和低溫膨脹機(jī)組成，為液氮和液氧生產(chǎn)提供冷量。改造前設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 邯鋼270 t液化裝置膨脹機(jī)改造前后參數(shù)對(duì)比表

由于設(shè)備老化，造成葉片脫落或開(kāi)裂，實(shí)際運(yùn)行參數(shù)已不能達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)，且事故頻發(fā)給公司生產(chǎn)造成較大影響，需要進(jìn)行設(shè)備大修。利用設(shè)備大修的機(jī)會(huì)實(shí)施升級(jí)改造，膨脹機(jī)氣量較原設(shè)計(jì)參數(shù)提升10%，液化量提升8%。

2 改造方法

2.1 確定改造設(shè)計(jì)參數(shù)

只對(duì)高、低溫膨脹端和增壓端流量改變，其它參數(shù)盡量保持與原參數(shù)一致。改造設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 只對(duì)通流部分零部件進(jìn)行改造升級(jí)

對(duì)原膨脹機(jī)進(jìn)行流程分析后確定，在主機(jī)外殼不變的情況下，只對(duì)通流部分零部件進(jìn)行改造升級(jí)，以適應(yīng)更大的介質(zhì)流量，提供更高的冷量，帶動(dòng)整個(gè)液化裝置產(chǎn)量的提升。

2.3 技術(shù)方案

2.3.1 確定噴嘴最佳喉部面積、工作輪最佳通流面積

導(dǎo)流器是由很多噴嘴組成的噴嘴環(huán)，導(dǎo)流器中每?jī)蓚€(gè)葉片之間構(gòu)成了一個(gè)通道，就是噴嘴。噴嘴的最小截面處稱為喉部[1]。

因溫度、壓力的變化，不同工況下氣體流量誤差很大，為確保數(shù)據(jù)的精確性，分別計(jì)算出改造前常溫、低溫膨脹進(jìn)口體積流量和達(dá)到改造目標(biāo)所需要的體積流量。

（1）依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程P1×Q1/T1=P2×Q2/T2，計(jì)算改造前在設(shè)計(jì)壓力、溫度下的體積流量。

改造前常溫膨脹進(jìn)口狀態(tài)體積流量Q0GY：

改造前低溫膨脹進(jìn)口狀態(tài)體積流量Q0DY：

（2）依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算改造后在設(shè)計(jì)壓力、溫度下的體積流量。

改造后常溫膨脹進(jìn)口狀態(tài)體積流量Q0GH：

改造后低溫膨脹機(jī)進(jìn)口狀態(tài)體積流量Q0DH：

(3)確定改造前后同流截面積放大倍數(shù)t。

常溫端流截面積放大倍數(shù)tG：

低溫端流截面積放大倍數(shù)tD：

2.3.2 膨脹機(jī)各處同流尺寸按此比例放大

(1)由于噴嘴截面積為矩形，導(dǎo)流器葉片葉型不改變的情況下，噴嘴喉部寬度不變，因此導(dǎo)流器葉片厚度按tG和tD比例增大，相當(dāng)于常溫端和低溫端噴嘴喉部寬度分別增加1.1和1.144倍。

(2)對(duì)擴(kuò)壓室進(jìn)行改造，按tG和tD比例擴(kuò)大其通流面積。

(3)壓機(jī)輪以原壓機(jī)輪進(jìn)行?；O(shè)計(jì)，幾何模化比：

新壓機(jī)輪按1.0328?；O(shè)計(jì)。

(4)對(duì)增壓端進(jìn)口法蘭進(jìn)行改造，擴(kuò)大其通流面積，以適應(yīng)新式增壓葉輪。

(5)機(jī)殼及供油系統(tǒng)利舊，以節(jié)省投資。

3 實(shí)施

該項(xiàng)目于2019 年11 月實(shí)施，安裝過(guò)程順利。試車過(guò)程中，常溫膨脹機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度在90%、回流閥開(kāi)度在36°、轉(zhuǎn)速在324 000 r/min 時(shí)，膨脹端軸承溫度達(dá)到68℃（聯(lián)鎖值75℃），并有上升趨勢(shì)，極易造成膨脹機(jī)停機(jī)。經(jīng)和改造廠家分析，認(rèn)為常溫膨脹機(jī)軸向力向膨脹端偏離，造成膨脹端受力較大，軸承溫度較高。后將膨脹機(jī)的回流閥開(kāi)度關(guān)小至21°，導(dǎo)葉同時(shí)關(guān)小至80%，轉(zhuǎn)速調(diào)整至33 000 r/min時(shí)，這時(shí)膨脹機(jī)的軸向推力向增壓端偏移，膨脹端受力減小，膨脹端溫度由68℃下降至58℃。之后運(yùn)行平穩(wěn)。

4 結(jié)果

4.1 功能考核

該項(xiàng)目于2019 年11 月實(shí)施并投運(yùn)，膨脹端實(shí)測(cè)流量為34 494 m3/h（噴嘴開(kāi)度100%），達(dá)到設(shè)計(jì)流量33 280 m3/h。增壓端設(shè)計(jì)流量44 000 m3/h，實(shí)際流量43 894 m3/h，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

膨脹端改造設(shè)計(jì)流量達(dá)到設(shè)計(jì)要求；增壓端設(shè)計(jì)流量基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)由于改造沒(méi)有涉及管道，氣量增加后低溫增壓機(jī)出口到常溫增壓機(jī)進(jìn)口阻力降0.04 MPa，常溫增壓機(jī)出口到常溫膨脹機(jī)進(jìn)口阻力降0.086 MPa，常溫膨脹機(jī)出口到低溫膨脹機(jī)進(jìn)口阻力降0.04 MPa，均大于設(shè)計(jì)設(shè)定值，因此導(dǎo)致膨脹機(jī)效率和輸出功略小于設(shè)計(jì)值，引起增壓機(jī)出口壓力低于設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)JB6443.4-2006（API617：2002）標(biāo)準(zhǔn)：效率偏差±2%，功率偏差±4%在合格范圍內(nèi)，因此本次改造是合格的。

以膨脹端流量為例，2019年12月至2020年5月個(gè)月實(shí)際流量見(jiàn)表2（噴嘴開(kāi)度90%）：

表2 改造后膨脹端實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù) m3/h

從2019 年12 月至2020 年5 月實(shí)際運(yùn)行情況看，流量呈下降趨勢(shì)。流量下降的原因主要為氣溫上升。

4.2 效益分析

2019年12月至2020年5月的考核分析：

在液化氧氣時(shí)產(chǎn)量由原來(lái)的7 800 m3/h 提升至8 500 m3/h，提升比例為8.9%。

折合成液體銷售一年增加（8 500-7 800）÷800（系數(shù)）×1.14t/m3×24h×365d=8 738 t

按照1t液氧價(jià)格700元計(jì)算，一年可增加創(chuàng)效

8 738t×700元=6 116 670 元。

在液化氮?dú)鈺r(shí)產(chǎn)量由原來(lái)的8 400 m3/h 提升至9 400 m3/h，提升比例為11.9%。

折合成液體銷售一年增加（9 400-8 400）÷648（系數(shù)）×0.81t/m3×24h×365d=10 950 t

按照1t液氮價(jià)格650元計(jì)算，一年可增加創(chuàng)效

10 950t×650元=7 117 500 元。

按一年中氧氮銷售各占一半計(jì)算，預(yù)計(jì)年創(chuàng)效為：

（6 116 670元+7 117 500元）÷2=6 617 085 元