李睿翾，唐樂

（中國石油天然氣股份有限公司大連石化分公司，遼寧 大連 116031）

二催化裝置于1988 年12 月21 日投用生產(chǎn)至今，引進(jìn)美國英格索蘭公司整套主風(fēng)機(jī)組，機(jī)組形式煙機(jī)-軸流主風(fēng)機(jī)-汽輪機(jī)-電動發(fā)電機(jī)，主風(fēng)機(jī)作用為反再系統(tǒng)提供流化及燒焦用風(fēng)。風(fēng)機(jī)型號：META-1512，為12 級軸流式壓縮機(jī)，其中5 級可調(diào)靜葉。設(shè)計(jì)入口2000Nm3/min，額定功率7361kW。該機(jī)組投用至今使用30 年，葉片磨損減薄嚴(yán)重，風(fēng)機(jī)效率及安全性能嚴(yán)重下降，尤其是夏季風(fēng)量過低，催化裝置被迫降量生產(chǎn)。因此，二催化裝置亟需更換性能更高、安全性更為可靠主風(fēng)機(jī)來滿足裝置正常生產(chǎn)及長周期運(yùn)行的要求。

英格索蘭軸流壓縮機(jī)，與國產(chǎn)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)相差較大，若將主風(fēng)機(jī)整體國產(chǎn)化，無法保證整套四機(jī)組的穩(wěn)定性。如果購買原廠配件改造費(fèi)用在1400 萬，且英格索蘭風(fēng)機(jī)葉片表面需要噴涂并在美國進(jìn)行，加工進(jìn)度無法保證。由于二催化主風(fēng)機(jī)庫存有一臺同系列大尺寸軸流壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)風(fēng)量為2300Nm3/min，該軸流壓縮機(jī)在裝置建成初期1988 年首次運(yùn)行時風(fēng)量過大無法滿足工藝要求，存放于庫中近30 年。因此，本次改造的重點(diǎn)就是對庫存大尺寸軸流壓縮機(jī)進(jìn)行解體測繪與國內(nèi)軸流風(fēng)機(jī)制造工藝進(jìn)行對比，分析壓縮機(jī)配件全部或局部國產(chǎn)化的可行性，并對庫存轉(zhuǎn)子及定子進(jìn)行改造。

1 軸流壓縮機(jī)定子改造

1.1 定子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）英格索蘭軸流風(fēng)機(jī)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)單薄，靜葉可調(diào)部分裝在殼體外，這樣的結(jié)構(gòu)即使在運(yùn)行情況下，可調(diào)靜葉機(jī)構(gòu)也可隨時進(jìn)行檢查維修，而不需要將上缸吊開。（2）入口聯(lián)箱采用矩型結(jié)構(gòu)，這樣能夠使用尺寸較大的低壓方形管道。支撐腳在蝸殼兩邊使整個殼體組件支撐在中心線上，在熱膨脹及收縮時入口蝸殼可自由的軸向位移，而垂直方向則由螺栓所限制，橫向方向由導(dǎo)向鍵所限制。出口蝸殼終止在出口連接處，由于導(dǎo)向鍵的限制，出口蝸殼不會由于熱膨脹及收縮而橫向移動。（3）靜葉有兩種型式—可調(diào)靜葉及固定靜葉。第一套葉片是可調(diào)入口導(dǎo)葉，它給進(jìn)來的空氣以預(yù)先的流向，下面四套葉片同樣為可調(diào)靜葉。所有可調(diào)靜葉及入口導(dǎo)葉通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)角度為-30°～8°。為了便于安裝，把圍帶分成8 瓣，5 ～12 級靜葉是固定的，第12 級靜葉后部是出口導(dǎo)葉；這些導(dǎo)葉消除殘余的渦流速度，使氣流形成軸向排放。

1.2 定子運(yùn)行現(xiàn)狀

二催化軸流機(jī)的定子組件主要包括三部分：入口段、靜葉承缸（可調(diào)靜葉、靜葉、靜葉持環(huán)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）、出口段。

1.3 定子改造方案

軸流機(jī)定子改造設(shè)想兩種方案：

（1）方案一，利舊轉(zhuǎn)子，把中間定子組件全部由陜鼓按原尺寸測繪制造的，并更換陜鼓的靜葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)。（2）方案二，保留出入口方箱，把轉(zhuǎn)子和定子全部換成陜鼓制造，保證中心高，軸頭間距，保證現(xiàn)場的安裝尺寸。

1.3.1 靜葉結(jié)構(gòu)不同

陜鼓軸流壓縮機(jī)靜葉與英格索蘭的不同，沒有這種葉頂圍帶結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸單薄，陜鼓無法進(jìn)行測繪加工。靜葉承缸對比見圖1。

圖1 英格索蘭（左）和陜鼓（右）靜葉承缸對比

1.3.2 靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方式不同

英格索蘭軸流壓縮機(jī)可調(diào)靜葉是圓周調(diào)節(jié)，而陜鼓壓縮機(jī)的是軸向調(diào)節(jié)。英格索蘭軸流壓縮機(jī)軸向空間不夠，無法換成陜鼓調(diào)節(jié)缸及其調(diào)節(jié)驅(qū)動液壓油缸。在保留出入口方箱情況下，就算轉(zhuǎn)子和定子全部更換成陜鼓設(shè)計(jì)，軸向距離也無法滿足可調(diào)靜葉調(diào)節(jié)缸的安裝。如果是整機(jī)按照國產(chǎn)設(shè)計(jì)更換，AV 系列風(fēng)機(jī)尺寸剛度明顯要大于META-1512，中心高和軸頭距離都無法保證，由此可見，英格索蘭靜葉承缸國內(nèi)并不具備制造條件。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)區(qū)別見圖2。

圖2 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)區(qū)別

2 軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子改造

2.1 英格索蘭轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

2.1.1 葉片結(jié)構(gòu)形式不同

陜鼓AV 系列軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子為等內(nèi)徑結(jié)構(gòu)，便于加工，轉(zhuǎn)子整體結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)。動葉片采用的是美國NACA 的原始葉型的基礎(chǔ)上，做了少量的修改，葉片表面沒有涂層而是經(jīng)過拋光噴砂處理，提高抗疲勞強(qiáng)度，動葉沿圓周方向安裝，葉根形式為縱樹型，隔葉塊定位，每級最后安裝的兩個動葉片之間用鎖緊隔葉塊定位鎖緊，有時候也會采用填隙片將葉片鎖緊。

英格索軸流風(fēng)機(jī)各轉(zhuǎn)盤的直徑相同，動葉采用美國NASA 葉型，葉片表面噴涂耐磨、防銹涂層，葉根形式為燕尾型，可以單個更換并有柔性裝配的特點(diǎn)。

2.1.2 英格索蘭軸流風(fēng)機(jī)葉片特殊結(jié)構(gòu)

催化裂化裝置的主風(fēng)機(jī)的流量是經(jīng)常變化的，可調(diào)靜葉需要頻繁調(diào)節(jié)，因此，軸流風(fēng)機(jī)前五級動葉的負(fù)荷隨著可調(diào)靜葉角度的變化時刻在變化，前五級動葉長期處于交變載荷作用下易磨損，甚至斷裂，而斷裂的原因往往是由于振動，尤其是共振引起的葉片的疲勞斷裂。由于軸流壓縮機(jī)第一級動葉片的工作環(huán)境最惡劣，因此，為了減小動葉片振動，需要對風(fēng)機(jī)動葉片進(jìn)行調(diào)頻，使葉片運(yùn)行頻率遠(yuǎn)離共振頻率。同時，META-1512 采用葉片松裝的形式減小轉(zhuǎn)子的振動。

（1）葉片調(diào)頻。葉片在靜止?fàn)顟B(tài)下振動的自振頻率稱為葉片的靜頻率。常用等截面自由葉片切向振動的靜頻率的計(jì)算公式為：

式中，E 為葉片材料的彈性模數(shù)；ρ 為葉片材料密度；L 為葉片工作部分的長度；A 為葉片的橫截面積；I為葉片橫截面的慣性矩；kl 為葉片頻率方程的根。

①由上式看出葉片的自振頻率f 與葉片的質(zhì)量m 成反比。因此，軸流風(fēng)機(jī)一級和三級采取了葉片頂部鉆孔減小葉片質(zhì)量的方式來提高葉片的自振頻率。

②葉片的自振頻率與葉片高度L2成反比，葉片越短，自振頻率越高。在檢查再用轉(zhuǎn)子時，發(fā)現(xiàn)第5 級動葉葉頂間隙時達(dá)到了2.5mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)最大值1.22mm，其他級無此現(xiàn)象。這就是因?yàn)檎{(diào)頻原因才將第五級葉片變短，最終決定按照原尺寸進(jìn)行加工。

（2）葉片松裝結(jié)構(gòu)。風(fēng)機(jī)葉片為軸向插裝的燕尾型葉根，葉片并采用了松裝的方式,葉片在氣流力擾動下葉根和承輪緣載接觸面間產(chǎn)生相對滑動和摩擦,消耗葉片振動的能量,有效地減小和降低了葉片振動,提高了葉片的安全可靠性。葉片結(jié)構(gòu)及安裝形式見圖3。

圖3 軸向插裝的燕尾型葉根及葉頂開孔

2.2 轉(zhuǎn)子現(xiàn)狀

（1）主風(fēng)機(jī)葉片減薄嚴(yán)重，部分葉頂存在凹痕，葉片的磨損會使得風(fēng)機(jī)全壓下降，效率顯著降低，同時，葉片的強(qiáng)度也無法保證，因此需要更換全部葉片或整套轉(zhuǎn)子。（2）動葉及靜葉結(jié)垢較為嚴(yán)重，遇到陰雨天氣，風(fēng)機(jī)的效率下降極為明顯。

2.3 改造方案

軸流機(jī)轉(zhuǎn)子改造設(shè)想兩種方案。

（1）方案一：利舊庫存轉(zhuǎn)子，對葉片高度按照在用轉(zhuǎn)子葉片長度和高度切割，根據(jù)再用風(fēng)機(jī)葉頂間隙標(biāo)準(zhǔn)及往年葉頂間隙的實(shí)測值確定備用轉(zhuǎn)子葉頂間隙，并盡量減小葉頂間隙，以保證風(fēng)機(jī)效率。（2）方案二：要由陜鼓測繪制，按照陜鼓轉(zhuǎn)子形式造新轉(zhuǎn)子。

陜鼓轉(zhuǎn)子和在用定子存在干涉。

因?yàn)殛児霓D(zhuǎn)子動葉葉根槽與英格索蘭的不同，造成最后一級動葉葉根處，轉(zhuǎn)子與機(jī)殼之間干涉，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子無法國產(chǎn)化。因此只能執(zhí)行方案一，對庫存舊轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行切削。干涉情況見圖4。

圖4 轉(zhuǎn)子和定子之間干涉

2.4 轉(zhuǎn)子改造

由于陜鼓的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工工藝與英格索蘭的區(qū)別較大，為保證轉(zhuǎn)子更換的可靠性并減少投資成本，最佳方案就是對庫存舊轉(zhuǎn)子進(jìn)行性能改造，因此，需要對備用轉(zhuǎn)子及動葉片進(jìn)行拆檢、切割動葉葉頂，在保證裝配尺寸的前提下，減小葉頂間隙，提高風(fēng)機(jī)效率。

（1）動葉片進(jìn)行測繪。再用轉(zhuǎn)子與備用舊轉(zhuǎn)子經(jīng)測量，各軸向距離、動葉片弦長均相同，動葉高度、動葉葉長不同。因兩個轉(zhuǎn)子動葉葉身均有不同程度磨損，無法對葉型準(zhǔn)確比對，綜合考慮，決定將庫存舊轉(zhuǎn)子葉片按照方案一進(jìn)行切削。

（2）對主軸進(jìn)行跳動、瓢偏測量,電不圓度檢測，檢查主軸不存在彎曲。

（3）動葉拆卸、探傷、切割、組裝。備用轉(zhuǎn)子動葉表層為涂層而并非硬膜防銹油，攜帶涂層的動葉片無法進(jìn)行著色、磁粉這種常規(guī)的表面探傷，考慮到該涂層較為完好，若對涂層進(jìn)行清理可能會損傷葉片。同時，射線探傷但對厚度小于8mm 葉片，進(jìn)行超聲波檢測檢驗(yàn)則存在困難。因此，決定對所有葉片進(jìn)行拆卸進(jìn)行X 射線探傷，探傷完成后，按照在用葉片尺寸進(jìn)行切割。

（4）動葉測頻。由于轉(zhuǎn)子采用了松裝葉片的結(jié)構(gòu)，故無法測量葉片動頻率。如需測量，則必須拆除動葉固定裝卡后方可測量。但是該轉(zhuǎn)子表面有涂層，測量葉片頻率只能作為參考。綜合考慮，舊轉(zhuǎn)子運(yùn)行30 年無斷葉片和裂紋情況，且該涂層較為完好，因此最終決定取消轉(zhuǎn)子測頻的工作。

（5）轉(zhuǎn)子葉頂車削。葉頂車削需先進(jìn)行粗車削，然后再進(jìn)行多次精車，每次車削完成后，復(fù)測葉頂間隙。但是因?yàn)槿~片為松裝形式，車削葉片的時候葉片需要用楔子固定。

（6）轉(zhuǎn)子高速動平衡。軸流壓縮機(jī)屬于撓性轉(zhuǎn)子，需要進(jìn)行高速動平衡(6329r/min)，轉(zhuǎn)子高速動平衡在真空環(huán)境下進(jìn)行。轉(zhuǎn)子振動評價標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《GB/T 6557-2009 撓性轉(zhuǎn)子機(jī)械平衡的方法和準(zhǔn)則》，其中動平衡試驗(yàn)設(shè)備要求滿足JB/T 13220-2017。

3 軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況

3.1 軸流壓縮機(jī)性能和效率提高

主風(fēng)機(jī)2020 年8 月1 日投用正常，試機(jī)工況下，風(fēng)機(jī)出口壓力能夠達(dá)到0.28MPa（設(shè)計(jì)0.3MPa），出口風(fēng)量能保持1800Nm3/min。較上周期開工初期的最高出口壓力0.235MPa，出口風(fēng)量1800m3/min 的能力有所提高，效率有所提高。

3.2 軸流壓縮機(jī)流量平穩(wěn)

機(jī)組在夏季（30℃），機(jī)組靜葉開度維持在55%～65%之間出口流量能滿足夠工藝要求的1700Nm3/min，入口流量能夠保持在2000Nm3/min，達(dá)到了風(fēng)機(jī)改造的要求，且靜葉調(diào)節(jié)還有余量，連續(xù)運(yùn)行近一年后，機(jī)組出口風(fēng)量滿足要求，效率無明顯下降。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益提升明顯

（1）英格索蘭主風(fēng)機(jī)改造方案費(fèi)用1400 萬，最終國內(nèi)改造費(fèi)用150 萬，大大節(jié)約成本。（2）四機(jī)組正式投產(chǎn)后，因主風(fēng)機(jī)效率提高，四機(jī)組電動發(fā)電機(jī)由用電500kW 狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，最高發(fā)電功率高達(dá)3000kW，大幅度降低能耗，每天節(jié)約電費(fèi)6 萬元。（3）處理量提高，優(yōu)化了產(chǎn)品分布，實(shí)現(xiàn)了裝置滿負(fù)荷、高質(zhì)量生產(chǎn)。2021 年較2019 年將增效1.5 億元，取得了較好的改造效果。

4 結(jié)語

通過本次風(fēng)主機(jī)改造，我們認(rèn)識到英格索蘭META 系列軸流風(fēng)機(jī)和國內(nèi)陜鼓AV 系列風(fēng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上有著明顯的差異，通過對靜葉的拆按、清理、無損檢測、更換石墨軸承確保了靜葉的可靠性。對庫存大尺寸轉(zhuǎn)子解體測繪、檢查，車削動葉片葉頂?shù)姆绞?，在保證裝配尺寸前提下適當(dāng)減小葉頂間隙來提高風(fēng)機(jī)效率，不但消除了原動葉片因磨損減薄帶來的安全可靠性下降的隱患，更重要的是解決了風(fēng)機(jī)流量不足的問題，為催化裂化裝置創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，也為軸流壓縮機(jī)改造及國產(chǎn)化積累了經(jīng)驗(yàn)。