沈阳鼓风机集团股份有限公司 辽宁沈阳 110869
摘要：我国属于富煤的国家，但煤资源利用率不高。粉煤加压气化技术对于清洁、高效利用我国丰富煤炭资源，满足国民经济与社会可持续发展需求具有重要意义。本文介绍了单喷嘴冷壁式粉煤加压气化CO2压缩机组的热力学设计、结构布置及参数，并对其合规性进行分析。结果表明，压缩机组的设计符合标准，完全满足产品的各项性能指标，投入运行后预期会产生巨大的经济效益及社会效益。
关键词：粉煤加压气化技术，CO2离心压缩机，热力学设计，合规性分析
0 引言
煤炭对于“贫油、少气、富煤”的中国而言，是主要的化石能源，随着社会经济持续、高速发展，在全球对替代化工原料和替代能源的需求越发迫切、节能减排大势所趋的大背景下，使用洁净煤技术取代油气资源生产化工产品不仅成本相对较低，而且对于中国减轻燃煤造成的环境污染、降低中国对进口石油的依赖均有着重大意义。粉煤气流床加压气化技术具有煤种适应性广、原料消耗低、碳转化率高、冷煤气效率高等技术优势，有更强的市场竞争力。该单喷嘴冷壁式粉煤加压气化制合成气项目，煤粉输送载气为CO2。故而该CO2压缩机组可视为整个装置的“心脏设备”，对整套工艺流程的顺利实施至关重要。本文通过对介绍CO2压缩机组的气路系统设计、结构布置及参数，并对其转子不平衡响应曲线及预期性能等进行合规性分析，结果表明该压缩机组性能可靠、符合标准。
1 机组参数
本机组设计运行三组工况，分别为正常工况、额定工况及最小工况。正常工况为长期运行工况，额定工况及最小工况作为考核工况，流量分别为正常工况的107%及88%。其中最小工况需要开低压缸入口防喘振回路来实现，回流量为5000Nm3/h。具体工况设计要求正常工况进口流量：18700 Nm3/h，进口压力：0.1176 MPa（A），进口温度：20℃，出口压力：8.1 MPa（A），分子量：43.65。
2 气路系统设计
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图1. 气路系统简图
离心压缩机压比一般在3-3.5以上，甚至更高。例如，该CO2压缩机压力比约为68.9。对于这样高的压力比，在压缩过程中，若不进行冷却，压缩后的气体温度会十分高。这不但使压缩机多消耗功，而且对压缩机的运行也十分不利。因此，对于压力比较高的压缩机，进行中间冷却是十分必要的。目前，国内外对气体冷却主要是采用外部冷却，亦称为中间冷却。这种冷却方式是：气体经历一段的压缩之后，离开压缩机，引入中间冷却器，在冷却器中气体与冷却介质进行不互相混合的热交换，冷却后的气体再次引入压缩机的下一段进行压缩，此后以此类推。由于采用了中间冷却，需要将压缩机分成多段，每一段可有单级或者多级组成。当段数较多时，一个气缸可能容纳不下，就必须将压缩机分成几个缸，由多缸串联组成压缩机组。
基于多方面综合考虑，最终该CO2压缩机机型定为2MCL527+2BCL305，机组由两个缸组成，分为四段，气体经过三次冷却。
表1：压缩机数据表
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图2：低压缸预期性能曲线
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图3：高压缸预期性能曲线
3 装置布置
该压缩机组是为某公司单喷嘴冷壁式粉煤加压气化工业化示范项目设计的CO2离心压缩机组。该机组主要由汽轮机+2MCL527 (LP)+变速机+2BCL305 (HP)及润滑油站等组成。压缩机由四段十二级（共十二个叶轮）组成，轴端密封：2MCL527 (LP)采用迷宫密封；2BCL305 (HP)采用干气密封。原动机为凝汽式汽轮机。压缩机与汽轮机之间均用膜片/盘联轴器联接。整个机组由同一润滑油站提供润滑油，压缩机、汽轮机布置在公用钢底座上。
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图4：机组布置图
4 压缩机结构设计
（1）压缩机材料选择 压缩机在转定子材料选择上，充分考虑酸性腐蚀问题,对于转子部分均采用沉淀硬化马氏体不锈钢。
（2）压缩机叶轮强度分析 叶轮是离心压缩机对气体做功，提高气体能量的部件，不仅关系着离心压缩机的性能，更对离心压缩机能否稳定运转有着重要的影响。叶轮在实际工作的时候，由于需要承受气动压力、离心力等作用，若其强度不足，叶轮则会加大发生疲劳破坏的几率。本产品采用沈鼓自主研发的高效三元叶轮，考虑气体组分的腐蚀性，叶轮材质选用沉淀硬化马氏体不锈钢，使用ANSYS软件对本产品其中两个叶轮进行经超速预过载计算分析，两个叶轮热处理后材料的屈服强度分别大于730MPa，686MPa时，叶轮强度满足要求，分析结果如图5所示。
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图5：叶轮在跳闸转速下等效应力分布图
（2）压缩机临界转速分析 不平衡响应主要是指转子在不平衡力或者力矩的激励作用下产生的强迫振动。由于压缩机的转速相对较高，即使很小的质量偏心数值，也会产生大的离心力，进而引起很大的振动。为了明确转子对不平衡量的瞬态响应，需要对离心压缩机转子进行不平衡响应分析。本产品设计中采用转子－轴承系统动力特性分析软件进行了不平衡响应分析计算，根据API617标准对结果进行评判，转子的动力性能满足设计要求，不平衡响应曲线如图6、7所示。
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图6：低压缸不平衡响应曲线
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图7：高压缸不平衡响应曲线
5 结语
CO2离心压缩机是粉煤加压气化技术中的关键设备，在国内有着广阔的开发市场及前景。该项目的实施对风机行业和相关产业技术进步起到了促进与推动作用，加快了煤转化装置用压缩机组的国产化进程。
参考文献：
[1] 美国石油学会.石油、化工与气体工业用轴流、离心压缩机及膨胀机-压缩机[S].API617-2002.
[2] 徐忠.离心式压缩机原理.机械工业出版.1990
[3] 沈维道等.工程热力学.高等教育出版社.2000
[4] 景思睿 张鸣远.流体力学.西安交通大学出版社.2001
[5] 刘士学，方先清，透平压缩机强度与振动[M].北京：机械工业出版社，1997：194-196.