用户侧蒸汽压差驱动的空压机设计及应用

罗海华１，方昌勇２，孙士恩１，王俊伟２

（１.浙江浙能技术研究院有限公司，浙江杭州　３１１１２１；

２.浙江浙能兰溪发电有限责任公司，浙江金华　３２１１０２）

［摘　要］：以某电厂典型热用户为代表，设计了用户侧蒸汽余压差驱动的空压机系统工艺流程。空压机两级叶轮均采用后弯三元流设计，制造出样机并开展了示范应用。经现场测试，压缩空气产气量达２０ｍ３／ｍｉｎ，出口压力达０３９ＭＰａ，各轴瓦振动和轴瓦温度均优于设计和行业标准，实现了用户侧蒸汽压差回收利用产生高品质压缩空气。

［关键词］：蒸汽压差；高转速；离心空压机；向心汽轮机；用户侧

中图分类号：ＴＨ４５　　文献标志码：Ａ

文章编号：１００６－２９７１（２０２３）０２－００２０－０

１　引言

　　当前，我国现代化产业园区规模日益增长。据 统计，我国已有国家级和省级工业园区近２５００家，园区所积聚企业数量从十几家至几千家不等。尽 管，园区以进行企业功能划分，但因企业类型不 同，造成企业用能需求存在差异。以蒸汽和压缩空气为例，现有供应模式多为通过电厂集中供汽结合自购电动螺杆空压机方式供气［１－３］。然而，上述方式存在一系列问题。蒸汽集中供应管道设计时，通常按照园区最高蒸汽压力进行设计，造成一半左右的企业存在蒸汽压力不匹配，需通过减温减压装置调整蒸汽压力，降低了蒸汽品位等级。而电动螺杆空压机存在转化效率低、电耗高、维护成本高等问题，且产生的含油废水处置困难等问题。

２　产品应用场景分析及设计边界确定

２.１　应用场景分析

本文以浙江某电厂集中供热用户某塑料生产公 司作为应用场景，该公司耗汽量为６ｔ／ｈ，生产工艺仅需要０.６ＭＰａ，１５５℃的蒸汽。而集中供汽用户门站蒸汽参数为１.１ＭＰａ，２０５℃的过热蒸汽，而目前采用减压阀的方式调节参数参数，根据热力学第二定律评估，减温减压过程消耗的功率及折算为压缩空气量见表１。由表１可看出，某塑料生产公司在对蒸汽减温减压过程，浪费的输出功率为１５０ｋＷ，以空压机比功率为６ｋＷ／（ｍ３·ｍｉｎ） （常规空压机比功率为５～６ｋＷ／（ｍ３·ｍｉｎ））计算，可产生压缩空气流量为２０ｍ３／ｍｉｎ。这表明，该应用场景的蒸汽偏差具有足够大的压缩空气生产潜力［４－５］。

２.２　设计约束条件说明

本文在对空压机系统设计时，需遵循以下几个 约束条件。

（１）运行条件约束

蒸汽进口压力为１.１ＭＰａ，空压机排气压力高 于０.４ＭＰａ。压缩空气流量根据蒸汽流量的波动而波动。

（２）向心汽轮机条件

考虑主汽阀损失（５％左右） 后，给定进口总 压、总温及出口静压，设置进口气流角度为７８°（与径向夹角），进行流量计算与转速的选取，出口流速（基本沿轴向） 为８１.３ｍ／ｓ，质量流量为１.６８７ｋｇ／ｓ，转速为３００００ｒ／ｍｉｎ。即向心汽轮机最大功率为１５０ｋＷ，转速在３００００ｒ／ｍｉｎ。

（３）离心空压机参数选取

鉴于离心空压机输入功率为１５０ｋＷ，排气压 力大于０.４ＭＰａ，离心空压机采用两级压缩，部分性能参数见表２。即：在给定机械功率１５０ｋＷ，排气压力０.４ＭＰａ的条件下，离心空压机采用２级压缩，转速在７１０００ｒ／ｍｉｎ以上时，可产生２０ｍ３／ｍｉｎ的压缩空气［６］。

２.３　撬装集成设计

本文提出采用向心汽轮机驱动离心空压机整体 撬装设计，即向心汽轮机和离心空压机不同轴的设计方式，两轴之间采用齿轮啮合来进行匹配，能够灵活运行，适应较宽范围内的工况变化［７］。

３　具体方案设计

３.１　工艺流程设计

１.１ＭＰａ（Ｇ）、２０５℃、６ｔ／ｈ的蒸汽全周进汽 进入向心汽轮机，转速３００００ｒ／ｍｉｎ，输出功率约１５０ｋＷ，向心汽轮机驱动轴通过增速齿轮带动离心空压机高速轴，高速轴转速７１０００ｒ／ｍｉｎ，同时带动高速轴两端的２级空压机压缩叶轮，空气从进气口进入一级压缩涡轮（压比２.８２４） 升压，进入中间冷却器冷却后再进入二级压缩涡轮（压比２.２３），排气压力达到０.５ＭＰａ后排出。

３.２　空压机叶轮设计

空压机采用两级压缩，两级叶轮均采用后弯三 元流叶轮，具有较强做功能力和较宽工作范围。一级叶轮１２个叶片，外径１２７ｍｍ。二级叶轮１４个叶片，外径１１２ｍｍ。

３.３　叶轮强度校核

压缩机转速可以达到７１０００ｒ／ｍｉｎ，空压机叶 轮需有足够的强度和模态承受能力。为此，对设计的一、二级叶轮的强度和模态进行模拟分析［８］。

３.３.１　一级叶轮

该叶轮沿圆周均布６个长叶片、６个短叶片。 对设计好的叶轮采用非结构化网格进行划分，网格数量最终为１０.５万个，一级叶轮网格划分如图１所示。

模拟边界条件的设置如下：叶轮材料为ＴＣ４， 计算转速为７１０００ｒ／ｍｉｎ，叶轮与主轴接触传扭的位置设置固定约束。模拟后叶轮应力计算结果如图２所示。由图２可看出，大部分位置的应力低于３００ＭＰａ，叶轮中心孔应力最大约为３６２ＭＰａ，考虑超速为１１５％，计算最大应力为４７９ＭＰａ，与材料的屈服强度８９０ＭＰａ相比有８５.８％的安全裕度，考虑到有限元计算的精度以及实际应用中局部变形会削减应力峰值，该叶轮是足够安全的。

叶轮变形量如图３所示，总变形量最大值约 ０.０７ｍｍ，位于叶轮盘外缘。Ｚ向变形量－０.０６～＋０.０３ｍｍ。径向最大形变量０.０５ｍｍ，位于叶轮盘外缘。

３.３.２　二级叶轮

二级叶轮沿圆周均布７个长叶片、７个短叶片。 二级叶轮采用非结构化网格，单元数为１０万，二级叶轮网格划分如图４所示。叶轮材料为ＴＣ４，计算转速为７１０００ｒ／ｍｉｎ；叶轮与主轴接触传扭的位置设置固定约束。

模拟后，叶轮应力计算结果如图５所示，大部 分位置的应力低于２００ＭＰａ，叶轮中心孔应力最大约为２８９ＭＰａ，考虑超速为１１５％，计算最大应力为３８２ＭＰａ，与材料的屈服强度８９０ＭＰａ相比有１３３％的安全裕度，考虑到有限元计算的精度以及实际应用中局部变形会削减应力峰值，该叶轮是足够安全的。

叶轮变形量模拟如图６所示，总变形量最大值 约０.０７ｍｍ，位于叶轮盘外缘。Ｚ向变形量－０.０６～＋０.０１ｍｍ。径向最大形变量０.０４ｍｍ，位于叶轮后盘。

４　调节方式

４.１　一级调节模式

根据蒸汽驱动特点，压缩空气产气量由蒸汽流 量和蒸汽压力决定，即由下游用户的工艺点用汽量决定，因此本机组即按照６ｔ／ｈ蒸汽流量满负荷运行，本机组产生２０ｍ３／ｍｉｎ、０.４ＭＰａ压缩空气进入压缩空气管网后，管网中压缩空气压力提高，超过管网设定压力后，其余的空压机会调节减少产气量，从而达到节电目的。

４.２　二级调级模式

本机组采用定速调节。当蒸汽流量波动时，离 心空压机通过入口导叶控制空气进量，离心空压机和蒸汽涡轮功率同步波动，维持转速不变、空压机排气压力不变。蒸汽流量可波动范围在７０％ ～１００％。

５　现场应用测试

　　样机投用后，运行效果良好。汽轮机转速为 ３００７７ｒ／ｍｉｎ，空压机转速为７０６６３ｒ／ｍｉｎ，均在设计转速的合理范围内，同时齿轮箱轴温、振动和压力显示正常。如齿轮箱低速轴汽轮机轴温最高，为７２.４℃；最大振动出现在二级空压机轴位置，为１９.００μｍ；过渡轴处的位移为９１.９μｍ，均优于设计指标和行业指标，产气量２０.３Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ，出口压力０.３９ＭＰａ。

基于蒸汽压差驱动的空压机系统成功研发，填 补了用户侧小流量回收利用装置的空白，实现蒸汽梯级利用，进一步提高集中供汽节能效率。

参考文献：

［１］　徐龙祥．高速旋转机械轴系动力学设计［Ｍ］．北京：国防工业出

版社，１９９４．

［２］　于洋，葛婧，陈云伟，等．离心式空压机国内外发展趋势简述

［Ｊ］．内燃机与配件，２０２０，（１２）：１２２－１２３．

［３］　魏金章．空分装置用透平压缩机的发展［Ｎ］．风机技术，１９９７，９

（６）：１－４．

［４］　任天明．高速水润滑轴承电动离心式空压机关键技术研究［Ｄ］．

北京：北京科技大学，２０１７．

［５］　邢纲．离心压气机叶轮与主轴联接的装配性分析［Ｊ］．压缩机技

术，２０１６，２６０（６）：４２－５０．

［６］　吴鹏．离心式空压机喘振控制方法介绍［Ｊ］．压缩机技术，２０１９，

２７５（３）：４２－４５．

［７］　ＯｚｇｏｋｍｅｎＴＭ，ＪｏｈｎｓＷ Ｅ，ＰｅｔｅｒｓＨ，ｅｔａｌ．ＴｕｒｂｕｌｅｎｔＭｉｘｉｎｇｉｎｔｈｅ ＲｅｄＳｅａＯｕｔｆｌｏｗ Ｐｌｕｍｅｆｒｏｍ ａＨｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｎｇｎｏｎｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ Ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃａｌＯｃｅａｎｏｇｒａｐｈｙ，２００３，３３（８）： １８４６－ １８６９．

［８］　陈晓，陈小兵，龚艳．基于ＡＮＳＹＳ的多翼型离心风机叶轮有限元 分析［Ｊ］．江苏农业科学，２０１７，４５（９）： １８０－１８３．

作者简介：罗海华（１９８３－），男，汉族，江西南昌人，高级工程师，硕士研究生，从事空压机设计及现场测试等工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｄｌｕｏ＠１２６．ｃｏｍ

文章来源：压缩机技术