羅海華 方昌勇 孫士恩王俊偉

（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）

0 引言

當(dāng)前，我國現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)模日益增長。據(jù)統(tǒng)計，我國已有國家級和省級工業(yè)園區(qū)近2 500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)已進行企業(yè)功能劃分，但企業(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)合自購電動螺桿空壓機方式[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)計時，通常按照園區(qū)最高蒸汽壓力進行設(shè)計，造成一半左右的企業(yè)存在蒸汽壓力不匹配的問題，需通過減溫減壓裝置調(diào)整蒸汽壓力，降低蒸汽品位等級，以最終滿足產(chǎn)能需求；而電動螺桿空壓機存在轉(zhuǎn)化效率低、電耗高、維護成本高等問題，且產(chǎn)生的含油廢水處置困難，會對生態(tài)環(huán)境造成危害。

基于上述背景，本文設(shè)計了撬裝式空壓機系統(tǒng)并對其核心部件進行了介紹，以利用蒸汽壓差對空壓機進行直接驅(qū)動，達到節(jié)能降耗的目的。

1 方案選取

1.1 應(yīng)用場景介紹

本文以浙江蘭溪某塑料生產(chǎn)公司作為應(yīng)用場景。該公司耗汽量為6 t/h，因處于集中供熱管道前端，蒸汽品質(zhì)較高，為1.1 MPa、205℃的過熱蒸汽，而生產(chǎn)工藝僅需要0.5 MPa、155℃的蒸汽。當(dāng)前減溫減壓的實現(xiàn)方式為采用減壓閥。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律評估，減溫減壓過程消耗功率及壓縮空氣折算量如表1所示。由表1可看出，該塑料生產(chǎn)公司在對蒸汽進行減溫減壓的過程中，浪費的輸出功率為150 kW，可產(chǎn)生壓縮空氣流量為25 m3/min。這表明，該應(yīng)用場景的蒸汽偏差具有足夠大的壓縮空氣生產(chǎn)潛力[4-5]。

表1 減溫減壓過程功率消耗和壓縮空氣產(chǎn)量匯總

1.2 設(shè)計約束條件說明

本文在對空壓機系統(tǒng)進行設(shè)計時，需遵循以下幾個約束條件：

（1）運行條件約束：

蒸汽進口壓力為1.1 MPa，出口壓力為0.5 MPa，空壓機排汽壓力高于0.4 MPa為另一約束條件。壓縮空氣流量根據(jù)蒸汽流量的波動而波動。

（2）蒸汽透平條件：

考慮主汽閥損失（5%左右）后，給定進口總壓、總溫及出口靜壓，設(shè)置進口氣流角度為78°（與徑向夾角），進行流量計算與轉(zhuǎn)速的選取，出口流速（基本沿軸向）為81.3 m/s，質(zhì)量流量為1.687 kg/s，轉(zhuǎn)速為30 000 r/min。即蒸汽透平最大功率為150 kW，轉(zhuǎn)速在30 000 r/min。

（3）離心空壓機參數(shù)選?。?/p>

鑒于離心空壓機輸入功率為150 kW，排汽壓力大于0.4 MPa，本文中離心空壓機采用二級壓縮，部分性能參數(shù)如表2所示。即在給定機械功率150 kW、排汽壓力0.5 MPa的條件下，離心空壓機采用二級壓縮，轉(zhuǎn)速在71 000 r/min以上時，可產(chǎn)生25 m3/min的壓縮空氣[6]。

表2 高速離心空壓機系統(tǒng)參數(shù)

1.3 方案選取

針對利用蒸汽壓差驅(qū)動空壓機的思路，本文首先進行用戶側(cè)蒸汽壓差驅(qū)動的空壓機系統(tǒng)設(shè)計，采用蒸汽徑向渦輪驅(qū)動離心空壓機整體撬裝設(shè)計[7]，即蒸汽透平和離心空壓機兩軸之間采用高速齒輪嚙合進行匹配，以適應(yīng)較寬范圍內(nèi)的工況變化。

2 具體實施方案

針對該塑料生產(chǎn)公司蒸汽與壓縮空氣應(yīng)用特點，本文特制定以下技術(shù)方案，實現(xiàn)利用蒸汽差壓的壓縮空氣制備。整個系統(tǒng)如圖1所示。

2.1 系統(tǒng)流程

整個系統(tǒng)額定運行時，該系統(tǒng)可將1.1 MPa、205℃的蒸汽以全周進汽方式送入蒸汽透平的徑向渦輪（渦輪轉(zhuǎn)速達到30 000 r/min），輸出功率約150 kW，然后徑向渦輪驅(qū)動軸通過增速齒輪帶動離心空壓機高速軸轉(zhuǎn)動（轉(zhuǎn)速為71 000 r/min），同時帶動高速軸兩端的二級壓縮葉輪轉(zhuǎn)動?？諝鈴倪M汽口進入一級壓縮渦輪（壓比2.824）升壓，進入中間冷卻器冷卻后再進入二級壓縮渦輪（壓比2.23），排汽壓力達到0.5 MPa后排出。系統(tǒng)中，核心部件為蒸汽徑向渦輪驅(qū)動離心空壓機，該裝置示意圖如圖2所示。

其中，汽封系統(tǒng)采用迷宮密封，針對不同壓力的蒸汽，通過充汽、排汽自動控制系統(tǒng)以充、抽蒸汽的方式來達到密封效果，并且在汽封靠近大氣處設(shè)有擋板，以防止蒸汽沿軸向泄漏。配套地，充汽自動控制系統(tǒng)包含減壓閥、自動調(diào)節(jié)閥和壓力變送器，充入系統(tǒng)管路的蒸汽依次通過減壓閥、自動調(diào)節(jié)閥和壓力變送器。壓力變送器將信號傳至PLC控制柜，控制柜根據(jù)壓力設(shè)定值自動控制調(diào)節(jié)閥的開度，從而保證充入的蒸汽壓力滿足密封要求。排汽孔位于蝸殼側(cè)板底部，連通汽封本體和排汽自動控制系統(tǒng)，排汽自動控制系統(tǒng)包含壓力變送器和抽汽泵，排出系統(tǒng)管路的蒸汽依次通過壓力變送器和抽汽泵。壓力變送器將信號傳至PLC控制柜，控制柜根據(jù)壓力設(shè)定值自動控制汽泵的抽汽。

2.2 重點部件校核

項目中，壓縮機轉(zhuǎn)速可以達到70 000 r/min，這意味著空壓機葉輪有足夠的強度和模態(tài)承受能力。為此，本部分對設(shè)計的一、二級葉輪的強度和模態(tài)進行模擬分析[8]。

2.2.1 一級葉輪

該葉輪沿圓周均布6個長葉片、6個短葉片。對設(shè)計好的葉輪采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格數(shù)量最終為10.5萬個。網(wǎng)格劃分后的一級葉輪模型如圖3所示。

模擬邊界條件設(shè)置如下：葉輪材料為TC4，計算轉(zhuǎn)速為71 000 r/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)力計算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可看出，大部分位置的應(yīng)力低于300 MPa，葉輪中心孔應(yīng)力最大約為362 MPa，考慮超速為115%，計算最大應(yīng)力為479 MPa，與材料的屈服強度890 MPa相比有85.8%的安全裕度，考慮到有限元計算的精度以及實際應(yīng)用中局部變形會削減應(yīng)力峰值，該葉輪是足夠安全的。

葉輪變形量如圖5所示，一級葉輪總變形量最大值約0.07 mm，位于葉輪盤外緣。Z向變形量-0.06～+0.03 mm；徑向最大形變量0.05 mm，位于葉輪盤外緣。

2.2.2 二級葉輪

類似地，該二級葉輪沿圓周均布6個長葉片、7個短葉片。二級葉輪采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單元數(shù)為10萬個，葉輪材料為TC4，計算轉(zhuǎn)速為71 000 r/min；葉輪與主軸接觸傳扭的位置設(shè)置固定約束。網(wǎng)格劃分后的二級葉輪模型如圖6所示。

模擬后，葉輪應(yīng)力計算結(jié)果如圖7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%，計算最大應(yīng)力為382 MPa，與材料的屈服強度890 MPa相比有133%的安全裕度，考慮到有限元計算的精度以及實際應(yīng)用中局部變形會削減應(yīng)力峰值，該葉輪是足夠安全的。

二級葉輪變形量模擬如圖8所示，其中總變形量最大值約0.07 mm，位于葉輪盤外緣。Z向變形量-0.06～+0.01 mm；徑向最大形變量0.04 mm，位于葉輪后盤。

3 調(diào)節(jié)方式

3.1 一級調(diào)節(jié)模式

鑒于本設(shè)計所提出的離心式空壓機與原有電驅(qū)動空壓機為并聯(lián)狀態(tài)[9]，根據(jù)蒸汽驅(qū)動特點，本設(shè)備壓縮空氣量由蒸汽流量和蒸汽壓力決定，即由下游用戶的工藝點用氣量決定，因此本機組即按照6 t/h蒸汽流量滿負荷運行，本機組產(chǎn)生25 m3/min、0.5 MPa壓縮空氣進入壓縮空氣管網(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，電動空壓機會調(diào)節(jié)減少產(chǎn)氣量，從而達到節(jié)電目的。

3.2 二級調(diào)節(jié)模式

本機組采用定速調(diào)節(jié)。當(dāng)蒸汽流量波動時，離心空壓機通過入口導(dǎo)葉控制空氣進量，以便離心空壓機和蒸汽渦輪功率保證同步波動，即機組的轉(zhuǎn)速維持不變、空壓機排汽壓力不變，空壓機排汽量隨之波動。初步擬定的蒸汽流量波動范圍在30%～100%。

4 現(xiàn)場應(yīng)用說明

本項目在蘭溪某塑料廠投產(chǎn)應(yīng)用后，運行效果良好，可滿足額定設(shè)計要求。實際運行中，因生產(chǎn)工藝需求變化，該公司采用該高轉(zhuǎn)速空壓機實現(xiàn)了0.512 MPa、191.8℃的高壓高溫蒸汽向0.226 MPa、137.2℃相對低壓低溫蒸汽的轉(zhuǎn)變，同時利用該蒸汽能量產(chǎn)生20.53 m3/h、0.391 MPa的壓縮空氣。

運行DCS界面如圖9所示。

運行過程中，汽輪機轉(zhuǎn)速為30 077.5 r/min，空壓機轉(zhuǎn)速為70 662.6 r/min，過渡軸轉(zhuǎn)速達到3 916.3 r/min，均在設(shè)計轉(zhuǎn)速的合理范圍內(nèi)，同時齒輪箱軸溫、振動和壓力顯示正常，如齒輪箱低速軸汽輪機軸溫最高，為72.8℃；最大振動出現(xiàn)在二級空壓機軸位置，為19.52 μm；過渡軸處的位移為91.1 μm，表明基于蒸汽壓差的壓縮空氣制備系統(tǒng)替代減壓裝置的同時有效利用了蒸汽能量，從而為不同應(yīng)用環(huán)境的蒸汽壓力利用提供了參考。