關(guān)于空分裝置中用插入式渦街流量計組的研究
點擊次數(shù)：2728 發(fā)布時間：2021-01-06 11:43:25
摘要：隨著現(xiàn)代化工業(yè)的不斷發(fā)展，不論是鋼鐵企業(yè)，還是石油、化工等部門，對空分中制氧裝置的要求，無論是數(shù)量，還是技術(shù)水平，都需亟待提高，促使制氧裝置中的關(guān)鍵設(shè)備之一的氧氣插入式渦街流量計不斷增加和迅速發(fā)展。本文主要對插入式渦街流量計運行的穩(wěn)定性和安全可靠性、插入式渦街流量計結(jié)構(gòu)、氧氣透平流量計輔機系統(tǒng)和氧壓機安全防火措施等幾方面進(jìn)行詳細(xì)說明。
目前，**上能夠獨立設(shè)計、制造離心式氧壓機的公司有：瑞士蘇爾壽公司、德國德馬格公司、意大利新比隆公司、美國克拉克公司、日本日立公司、中國沈陽鼓風(fēng)機廠杭州制氧機廠等。沈鼓從 1976 年開始引進(jìn)意大利新比隆公司離心壓縮設(shè)計、制造技術(shù)，包括離心氧壓機，但由于當(dāng)時計劃經(jīng)濟，受行業(yè)分工的限制，沈鼓未生產(chǎn)氧壓機。20 世紀(jì) 80 年代，沈鼓為山東齊魯石化公司設(shè)計制造 1 臺 6000Nm 3 /h，壓力 13kg/cm 2 的氧壓機。90 年代以后，隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，1992 年沈鼓廠為攀鋼設(shè)計生產(chǎn)了* 1 臺 10000Nm 3 /h, 壓力為31kg/cm 2 的氧壓機。1993 年，又為天津乙烯工程項目設(shè)計生產(chǎn)了* 1 臺 6000Nm 3 /h，壓力 31kg/cm 2 的氧壓機，已安全運行兩年了。后來又先后為通化鋼廠，邯鄲鋼廠制造了兩臺10000Nm 3 /h，壓力為 31kg/cm 2 氧壓機，北臺鋼廠 1 臺 6000Nm 3 /h，壓力 31kg/cm 2 的氧壓機。進(jìn)入 21 世紀(jì)，我廠先后又設(shè)計制造了 10 多臺 6000 ～ 20000NM 3 /h 的制氧機。隨著沈鼓廠設(shè)計制造氧壓機數(shù)量逐漸增多，技術(shù)水平也逐漸提高。我們在這一方面也積累了一些經(jīng)驗，沈鼓廠針對小流量、高壓比的氧壓機主要如下技術(shù)方面處于**地位。
1 插入式渦街流量計運行的穩(wěn)定性和安全可靠性分析
插入式渦街流量計是裝置中關(guān)鍵設(shè)備，其安全性、可靠性、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性是保證機組長周期、長壽命安全可靠、連續(xù)運行的*重要目標(biāo)，為實現(xiàn)這一目的，我廠在消化、吸收，引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上用了近八年的時間，投入了大量的人力、物力、財力，與西安交通大學(xué)等院（校）所共同開發(fā)了達(dá)到**先進(jìn)水平或**水平的計算軟件包，并已成功地應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計上。
新開發(fā)的聯(lián)接管線優(yōu)化設(shè)計計算程序，尚屬國內(nèi)空白。它可自動優(yōu)化布置設(shè)計管線走向及支吊架的位置、支承剛度，還可計算出管線的應(yīng)力、自振頻率、管端力、力矩大小，管路氣體流動損失大小、定位鍵的應(yīng)力大小等，從而提高了裝置設(shè)計水平和機器運行的平衡性。
2 插入式渦街流量計結(jié)構(gòu)
沈鼓廠生產(chǎn)的各種系列插入式渦街流量計主要結(jié)構(gòu)件：機殼、隔板、葉輪、密封等都是在完善結(jié)構(gòu)尺寸，系列規(guī)劃后，建立起積木組合設(shè)計的結(jié)構(gòu)型譜。所有系列化的結(jié)構(gòu)元件都經(jīng)過試驗并實際驗證過的。每個標(biāo)準(zhǔn)系列化元件圖都存檔案圖庫中，或存于電腦圖庫中，任何新參數(shù)，特殊工藝流程要求的流量計，均能應(yīng)用規(guī)劃好的系列結(jié)構(gòu)件，并積木式設(shè)計出新機組，可大大縮短設(shè)計周期和生產(chǎn)周期。針對氧壓機的特殊特點，在設(shè)計制造中我們有所改進(jìn)。
低壓缸和高壓缸均為水平剖分型，由上下機殼組成，系列機殼全部為焊接機殼，不僅外觀美，且流道光滑，易于鍍銅，兩端軸承殼體采用鑄鋼并與下機殼焊接在一起，與上機殼分開，避免軸承殼體內(nèi)油進(jìn)入機殼內(nèi)。上機殼在必要時可以很容易地進(jìn)行拆卸與組裝，便于維護(hù)、檢修和使用。兩缸四個軸端部位均為低溫端，溫度在 42℃以下，因此，特別安全可靠。
隔板采用焊接隔板，與氧氣接觸的表面均鍍銅。擴壓器采用無葉擴壓器，可以獲得良好的喘振特性，與有葉擴壓器相比，工作范圍寬，安全可靠。級間及軸端密封全部采用拉別令密封。密封體用銅或鋁合金材料，其中缸內(nèi)密封為鑲銀片結(jié)構(gòu)。這些特殊材料的應(yīng)用，可使密封間隙小，內(nèi)泄漏少，減少耗功。低壓缸轉(zhuǎn)子為四級兩段，葉輪背靠背布置：高壓轉(zhuǎn)子為六級三段，葉輪可根據(jù)需要配置于末端或中間位置；這樣，既可平衡軸向推力，又可降低軸端壓差，減少外泄漏量。徑向軸承采用可傾瓦軸承，設(shè)在機殼的進(jìn)口與出口側(cè)，大軸承體上內(nèi)襯有白合金。推力軸承采用金斯伯雷式，有主推力軸承和副推力軸承，既可承受氣動平衡后的殘余軸向推力，又可承受任何結(jié)構(gòu)形式的聯(lián)軸器在允許偏差內(nèi)所引起的軸向推力。全部采用膜片聯(lián)軸器，不用潤滑，壽命長，為了防止感應(yīng)電流，我們在變速要與低壓缸間采用電氣絕緣。流量計各段氣體管路都有接地要求。低壓缸、高壓缸、變速機采用整體底座。通過地腳螺栓固定在水泥基礎(chǔ)上，底座下有高速墊鐵，因此，安裝方便。流量計本體與底座之間設(shè)有橫向?qū)蜴I和縱向?qū)蜴I，每個貓爪下面都設(shè)有高速螺釘和高速墊片，以便安裝找正。
3 氧氣透平流量計輔機系統(tǒng)
氧氣透平流量計輔機系統(tǒng)有氣體冷卻器、潤滑油裝置、先進(jìn)的自控系統(tǒng)等幾大方面。氧壓機的氣體冷卻器，采用填料函浮頭式冷卻器，管束為直管，氧氣在管內(nèi)流動，因為氧氣的流動速度本身不能太高，氧氣走管內(nèi)可增大通流面積，降低流速，避免流動死區(qū)，也降低了氣體的流動阻力，提高效率。此種結(jié)構(gòu)、管整可以自由伸縮，避免了溫差大引起的熱脹應(yīng)力。潤滑油裝置中油站為流量計、電機軸承及齒輪供油。由油箱、油泵、油冷卻器、油過濾器及排煙機等組成，按 API614 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、制造，兩套油泵、油冷卻器、油過濾器等互為備用，因此，潤滑油裝置可以在不停機的情況下進(jìn)行檢修和清洗，并保證供油系統(tǒng)安全可靠。在停電等情況下，油泵停止時，為保證流量計停車前必需的供油，因此，設(shè)有高位油箱。自控系統(tǒng)能在事故狀態(tài)下對氧壓機實施保護(hù)，任何原因引起的事故停機，都需急速排出氧氣，并立刻充氮，因此，停機聯(lián)鎖與排出氧氣的閥門與充入氮氣聯(lián)鎖。還能嚴(yán)防喘振，一是避免機件碰撞損壞，二是避免氧氣濕度高，碰憧中引起機殼內(nèi)部件發(fā)熱和著火。每段出口處設(shè)置氧氣溫度檢測，如果高于所規(guī)定溫度以上便報警及聯(lián)鎖停機。軸振動及軸位移設(shè)置流量計軸振動和軸位移監(jiān)視還有軸承溫度，以便在正常工作時檢查和出現(xiàn)故障時報警及停車。
4 氧壓機安全防火措施
氧壓機與其他氣體流量計相比，核心問題就是防火問題。因此，怎樣保證正常運轉(zhuǎn)而不起火，是氧壓機設(shè)計中的關(guān)鍵問題。
（1）機組入口設(shè)置了 1 臺獨立的氧氣過濾器，它對進(jìn)入機組的氧氣進(jìn)行過濾，以免氣體中灰塵、砂粒等雜物進(jìn)入缸內(nèi)，在高、低壓缸之間也設(shè)置有過濾器，它一般裝在氣體管道中，以縮小裝置的占地面積并使氣管路大大簡化。
（2）氧壓機分若干段，在相鄰兩段間均設(shè)置氣體冷卻器 1 臺，它使上段出口的高溫氧氣冷卻到規(guī)定的溫度而進(jìn)入下一段進(jìn)口，在機組的出口也設(shè)置有 1 臺氣體冷卻器，它使機組出口的高溫氧氣冷卻到規(guī)定的溫度，然后輸送到規(guī)定的流程中去。中間環(huán)節(jié)一旦有溫度超高現(xiàn)象出現(xiàn)，我們還設(shè)置了相應(yīng)的報警停機措施。
（3）在變速機與低壓缸之間以及高低壓缸間均采用膜片聯(lián)軸器聯(lián)接，它具有不需潤滑，減振和壽命長等優(yōu)點，其中，低壓缸與變速機間的聯(lián)軸器具有絕緣作用，防止主電機的靜電流入氧壓機缸辦引起火花而燃燒。
（4）為減少缸內(nèi)氧氣外漏，使防火墻內(nèi)的氧氣萬分不致過高，高、低壓缸均采用了充氣密封，把惰性氣體（N 2 ）引人端密封外側(cè)的氮氣腔室，汽缸內(nèi)的氧氣只能漏到軸端密封內(nèi)側(cè)的氧氣腔室，處于中間的氮和氧的混合腔內(nèi)的混合氣體被引到室外放空，從而保證了防火墻內(nèi)的氧氣濃度始終在允許的范圍內(nèi)。
（5）流量計的低壓缸兩軸端密封均有 3 個腔，高壓缸兩軸端密封均有四個腔，其中*內(nèi)側(cè)的腔為高壓缸高壓氧氣自動平衡腔，其他與低壓缸同位。從內(nèi)向外依次是氧氣平衡腔、氮氧混合腔、氮氣腔，其功能是靠一定壓差封住流量計內(nèi)氧氣，使氧氣、混合氣、氮氣按設(shè)計規(guī)律進(jìn)行流動。
（6）軸承箱的內(nèi)側(cè)油封也設(shè)有充氮氣腔以阻止油氣外漏。
（7）為了具有良好的密封性，機殼法蘭中分面需要精加工，下機殼向外傾斜，其斜度一般為 0.2%，再涂上水玻璃，具有良好的密封性。
（8）流量計機殼隔板內(nèi)表面，（配合面除外）均鍍銅，防止機殼生銹產(chǎn)生的粉未與高溫高壓的純氧接觸而引起打火燃燒。
（9）轉(zhuǎn)子、氣管路及氣體冷卻器等與氧氣直接接觸的零部件全部采用不銹鋼。
鑒于以上種種設(shè)計上的考慮，我廠設(shè)計生產(chǎn)的空分裝置中的插入式渦街流量計已日漸成熟，我們將不斷總結(jié)經(jīng)驗，特別是用戶現(xiàn)場運行經(jīng)驗，借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)，繼續(xù)完善氧壓機的設(shè)計，使我廠的氧壓機技術(shù)水平達(dá)到了國際先進(jìn)水平。
目前，**上能夠獨立設(shè)計、制造離心式氧壓機的公司有：瑞士蘇爾壽公司、德國德馬格公司、意大利新比隆公司、美國克拉克公司、日本日立公司、中國沈陽鼓風(fēng)機廠杭州制氧機廠等。沈鼓從 1976 年開始引進(jìn)意大利新比隆公司離心壓縮設(shè)計、制造技術(shù)，包括離心氧壓機，但由于當(dāng)時計劃經(jīng)濟，受行業(yè)分工的限制，沈鼓未生產(chǎn)氧壓機。20 世紀(jì) 80 年代，沈鼓為山東齊魯石化公司設(shè)計制造 1 臺 6000Nm 3 /h，壓力 13kg/cm 2 的氧壓機。90 年代以后，隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，1992 年沈鼓廠為攀鋼設(shè)計生產(chǎn)了* 1 臺 10000Nm 3 /h, 壓力為31kg/cm 2 的氧壓機。1993 年，又為天津乙烯工程項目設(shè)計生產(chǎn)了* 1 臺 6000Nm 3 /h，壓力 31kg/cm 2 的氧壓機，已安全運行兩年了。后來又先后為通化鋼廠，邯鄲鋼廠制造了兩臺10000Nm 3 /h，壓力為 31kg/cm 2 氧壓機，北臺鋼廠 1 臺 6000Nm 3 /h，壓力 31kg/cm 2 的氧壓機。進(jìn)入 21 世紀(jì)，我廠先后又設(shè)計制造了 10 多臺 6000 ～ 20000NM 3 /h 的制氧機。隨著沈鼓廠設(shè)計制造氧壓機數(shù)量逐漸增多，技術(shù)水平也逐漸提高。我們在這一方面也積累了一些經(jīng)驗，沈鼓廠針對小流量、高壓比的氧壓機主要如下技術(shù)方面處于**地位。
1 插入式渦街流量計運行的穩(wěn)定性和安全可靠性分析
插入式渦街流量計是裝置中關(guān)鍵設(shè)備，其安全性、可靠性、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性是保證機組長周期、長壽命安全可靠、連續(xù)運行的*重要目標(biāo)，為實現(xiàn)這一目的，我廠在消化、吸收，引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上用了近八年的時間，投入了大量的人力、物力、財力，與西安交通大學(xué)等院（校）所共同開發(fā)了達(dá)到**先進(jìn)水平或**水平的計算軟件包，并已成功地應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計上。
新開發(fā)的聯(lián)接管線優(yōu)化設(shè)計計算程序，尚屬國內(nèi)空白。它可自動優(yōu)化布置設(shè)計管線走向及支吊架的位置、支承剛度，還可計算出管線的應(yīng)力、自振頻率、管端力、力矩大小，管路氣體流動損失大小、定位鍵的應(yīng)力大小等，從而提高了裝置設(shè)計水平和機器運行的平衡性。
2 插入式渦街流量計結(jié)構(gòu)
沈鼓廠生產(chǎn)的各種系列插入式渦街流量計主要結(jié)構(gòu)件：機殼、隔板、葉輪、密封等都是在完善結(jié)構(gòu)尺寸，系列規(guī)劃后，建立起積木組合設(shè)計的結(jié)構(gòu)型譜。所有系列化的結(jié)構(gòu)元件都經(jīng)過試驗并實際驗證過的。每個標(biāo)準(zhǔn)系列化元件圖都存檔案圖庫中，或存于電腦圖庫中，任何新參數(shù)，特殊工藝流程要求的流量計，均能應(yīng)用規(guī)劃好的系列結(jié)構(gòu)件，并積木式設(shè)計出新機組，可大大縮短設(shè)計周期和生產(chǎn)周期。針對氧壓機的特殊特點，在設(shè)計制造中我們有所改進(jìn)。
低壓缸和高壓缸均為水平剖分型，由上下機殼組成，系列機殼全部為焊接機殼，不僅外觀美，且流道光滑，易于鍍銅，兩端軸承殼體采用鑄鋼并與下機殼焊接在一起，與上機殼分開，避免軸承殼體內(nèi)油進(jìn)入機殼內(nèi)。上機殼在必要時可以很容易地進(jìn)行拆卸與組裝，便于維護(hù)、檢修和使用。兩缸四個軸端部位均為低溫端，溫度在 42℃以下，因此，特別安全可靠。
隔板采用焊接隔板，與氧氣接觸的表面均鍍銅。擴壓器采用無葉擴壓器，可以獲得良好的喘振特性，與有葉擴壓器相比，工作范圍寬，安全可靠。級間及軸端密封全部采用拉別令密封。密封體用銅或鋁合金材料，其中缸內(nèi)密封為鑲銀片結(jié)構(gòu)。這些特殊材料的應(yīng)用，可使密封間隙小，內(nèi)泄漏少，減少耗功。低壓缸轉(zhuǎn)子為四級兩段，葉輪背靠背布置：高壓轉(zhuǎn)子為六級三段，葉輪可根據(jù)需要配置于末端或中間位置；這樣，既可平衡軸向推力，又可降低軸端壓差，減少外泄漏量。徑向軸承采用可傾瓦軸承，設(shè)在機殼的進(jìn)口與出口側(cè)，大軸承體上內(nèi)襯有白合金。推力軸承采用金斯伯雷式，有主推力軸承和副推力軸承，既可承受氣動平衡后的殘余軸向推力，又可承受任何結(jié)構(gòu)形式的聯(lián)軸器在允許偏差內(nèi)所引起的軸向推力。全部采用膜片聯(lián)軸器，不用潤滑，壽命長，為了防止感應(yīng)電流，我們在變速要與低壓缸間采用電氣絕緣。流量計各段氣體管路都有接地要求。低壓缸、高壓缸、變速機采用整體底座。通過地腳螺栓固定在水泥基礎(chǔ)上，底座下有高速墊鐵，因此，安裝方便。流量計本體與底座之間設(shè)有橫向?qū)蜴I和縱向?qū)蜴I，每個貓爪下面都設(shè)有高速螺釘和高速墊片，以便安裝找正。
3 氧氣透平流量計輔機系統(tǒng)
氧氣透平流量計輔機系統(tǒng)有氣體冷卻器、潤滑油裝置、先進(jìn)的自控系統(tǒng)等幾大方面。氧壓機的氣體冷卻器，采用填料函浮頭式冷卻器，管束為直管，氧氣在管內(nèi)流動，因為氧氣的流動速度本身不能太高，氧氣走管內(nèi)可增大通流面積，降低流速，避免流動死區(qū)，也降低了氣體的流動阻力，提高效率。此種結(jié)構(gòu)、管整可以自由伸縮，避免了溫差大引起的熱脹應(yīng)力。潤滑油裝置中油站為流量計、電機軸承及齒輪供油。由油箱、油泵、油冷卻器、油過濾器及排煙機等組成，按 API614 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、制造，兩套油泵、油冷卻器、油過濾器等互為備用，因此，潤滑油裝置可以在不停機的情況下進(jìn)行檢修和清洗，并保證供油系統(tǒng)安全可靠。在停電等情況下，油泵停止時，為保證流量計停車前必需的供油，因此，設(shè)有高位油箱。自控系統(tǒng)能在事故狀態(tài)下對氧壓機實施保護(hù)，任何原因引起的事故停機，都需急速排出氧氣，并立刻充氮，因此，停機聯(lián)鎖與排出氧氣的閥門與充入氮氣聯(lián)鎖。還能嚴(yán)防喘振，一是避免機件碰撞損壞，二是避免氧氣濕度高，碰憧中引起機殼內(nèi)部件發(fā)熱和著火。每段出口處設(shè)置氧氣溫度檢測，如果高于所規(guī)定溫度以上便報警及聯(lián)鎖停機。軸振動及軸位移設(shè)置流量計軸振動和軸位移監(jiān)視還有軸承溫度，以便在正常工作時檢查和出現(xiàn)故障時報警及停車。
4 氧壓機安全防火措施
氧壓機與其他氣體流量計相比，核心問題就是防火問題。因此，怎樣保證正常運轉(zhuǎn)而不起火，是氧壓機設(shè)計中的關(guān)鍵問題。
（1）機組入口設(shè)置了 1 臺獨立的氧氣過濾器，它對進(jìn)入機組的氧氣進(jìn)行過濾，以免氣體中灰塵、砂粒等雜物進(jìn)入缸內(nèi)，在高、低壓缸之間也設(shè)置有過濾器，它一般裝在氣體管道中，以縮小裝置的占地面積并使氣管路大大簡化。
（2）氧壓機分若干段，在相鄰兩段間均設(shè)置氣體冷卻器 1 臺，它使上段出口的高溫氧氣冷卻到規(guī)定的溫度而進(jìn)入下一段進(jìn)口，在機組的出口也設(shè)置有 1 臺氣體冷卻器，它使機組出口的高溫氧氣冷卻到規(guī)定的溫度，然后輸送到規(guī)定的流程中去。中間環(huán)節(jié)一旦有溫度超高現(xiàn)象出現(xiàn)，我們還設(shè)置了相應(yīng)的報警停機措施。
（3）在變速機與低壓缸之間以及高低壓缸間均采用膜片聯(lián)軸器聯(lián)接，它具有不需潤滑，減振和壽命長等優(yōu)點，其中，低壓缸與變速機間的聯(lián)軸器具有絕緣作用，防止主電機的靜電流入氧壓機缸辦引起火花而燃燒。
（4）為減少缸內(nèi)氧氣外漏，使防火墻內(nèi)的氧氣萬分不致過高，高、低壓缸均采用了充氣密封，把惰性氣體（N 2 ）引人端密封外側(cè)的氮氣腔室，汽缸內(nèi)的氧氣只能漏到軸端密封內(nèi)側(cè)的氧氣腔室，處于中間的氮和氧的混合腔內(nèi)的混合氣體被引到室外放空，從而保證了防火墻內(nèi)的氧氣濃度始終在允許的范圍內(nèi)。
（5）流量計的低壓缸兩軸端密封均有 3 個腔，高壓缸兩軸端密封均有四個腔，其中*內(nèi)側(cè)的腔為高壓缸高壓氧氣自動平衡腔，其他與低壓缸同位。從內(nèi)向外依次是氧氣平衡腔、氮氧混合腔、氮氣腔，其功能是靠一定壓差封住流量計內(nèi)氧氣，使氧氣、混合氣、氮氣按設(shè)計規(guī)律進(jìn)行流動。
（6）軸承箱的內(nèi)側(cè)油封也設(shè)有充氮氣腔以阻止油氣外漏。
（7）為了具有良好的密封性，機殼法蘭中分面需要精加工，下機殼向外傾斜，其斜度一般為 0.2%，再涂上水玻璃，具有良好的密封性。
（8）流量計機殼隔板內(nèi)表面，（配合面除外）均鍍銅，防止機殼生銹產(chǎn)生的粉未與高溫高壓的純氧接觸而引起打火燃燒。
（9）轉(zhuǎn)子、氣管路及氣體冷卻器等與氧氣直接接觸的零部件全部采用不銹鋼。
鑒于以上種種設(shè)計上的考慮，我廠設(shè)計生產(chǎn)的空分裝置中的插入式渦街流量計已日漸成熟，我們將不斷總結(jié)經(jīng)驗，特別是用戶現(xiàn)場運行經(jīng)驗，借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)，繼續(xù)完善氧壓機的設(shè)計，使我廠的氧壓機技術(shù)水平達(dá)到了國際先進(jìn)水平。