貼片法在透平膨脹機(jī)檢修安裝中的應(yīng)用

劉永龍,王仲楊,張志男

(白銀有色集團(tuán)股份有限公司 銅業(yè)公司,甘肅 白銀 730900)

0 引言

白銀有色集團(tuán)股份有限公司銅業(yè)公司(以下簡(jiǎn)稱“白銀銅業(yè)”)經(jīng)過數(shù)次技術(shù)改造,發(fā)展成為陰極銅180 kt/a,硫酸550 kt/a 的大型銅冶煉企業(yè)。白銀銅業(yè)20 000 Nm3/h 制氧系統(tǒng)通過自潔式過濾器將原料氣體吸入,并將機(jī)械雜質(zhì)、塵埃等過濾后,進(jìn)入透平空壓機(jī)進(jìn)行多級(jí)壓縮。預(yù)冷系統(tǒng)的空冷塔將壓縮后的氣體進(jìn)行預(yù)冷,預(yù)冷后的氣體進(jìn)入純化系統(tǒng)去除氣體中的二氧化碳及水分,純化后的氣體再經(jīng)過透平膨脹機(jī)、主換熱器及精餾塔得到產(chǎn)品氧氣。供氧系統(tǒng)提供白銀爐、轉(zhuǎn)爐、卡爾多爐用氧。20 000 Nm3/h 制氧系統(tǒng)擁有1#、2#兩臺(tái)透平膨脹機(jī),其在整個(gè)制氧空分設(shè)備中起著關(guān)鍵作用,空分塔內(nèi)的冷量絕大部分由膨脹機(jī)提供,膨脹機(jī)主要起著制冷作用。

1 透平膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理

透平膨脹機(jī)由主體、膨脹端、制動(dòng)器(增壓端)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、氣封系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)組成。白銀銅業(yè)采用的是離心式-軸流單級(jí)反動(dòng)膨脹機(jī),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、焓降大、轉(zhuǎn)速高、效率高等特點(diǎn),其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。透平膨脹機(jī)的工藝流程為:純化后的一部分空氣進(jìn)入增壓端壓縮后,再進(jìn)入主板式換熱器并與反流氣體換熱降溫至-120 ℃左右進(jìn)入膨脹端;冷卻后的氣體在膨脹端經(jīng)過等熵膨脹的過程對(duì)外做功,焓值下降,從而使溫度與壓力進(jìn)一步降低,氣體溫度接近液化溫度后直接進(jìn)入分餾塔下塔;膨脹端主要是氣體膨脹將熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的過程,而增壓端是利用膨脹端所產(chǎn)生的機(jī)械能對(duì)氣體進(jìn)行壓縮。此過程可視為絕熱可逆過程,效率遠(yuǎn)大于節(jié)流膨脹。

圖1 透平膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)圖

具體工作原理為,透平膨脹機(jī)膨脹端將來自上游的高壓氣體膨脹為低溫、低壓氣體,連續(xù)不斷將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。高速氣流使葉輪旋轉(zhuǎn),再通過由軸承支撐的轉(zhuǎn)軸將機(jī)械能傳遞給增壓端制動(dòng)消耗。工作介質(zhì)在透平膨脹機(jī)的通流部分中膨脹獲得動(dòng)能,并由工作輪輸出外功,從而降低了膨脹端出口工作介質(zhì)的內(nèi)能和溫度,如圖2 所示。工作介質(zhì)先經(jīng)增壓端增壓,再冷卻后進(jìn)入主換熱器,然后在膨脹端絕熱等熵膨脹產(chǎn)生空分裝置所需的冷量,與此同時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械功又為增壓端所利用。當(dāng)氣體具有一定的壓力和溫度時(shí),具有由壓力而體現(xiàn)的勢(shì)能和由溫度所體現(xiàn)的動(dòng)能,這兩種能量總稱為熱能。膨脹機(jī)將氣體在膨脹端內(nèi)進(jìn)行絕熱等熵膨脹對(duì)外做功消耗氣體本身的內(nèi)能,使氣體的壓力和溫度大幅度降低達(dá)到制冷與降溫目的。

圖2 透平膨脹機(jī)工作原理圖

2 透平膨脹機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

白銀銅業(yè)制氧系統(tǒng)于2011 年建成投產(chǎn),使用的透平膨脹機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下:

型號(hào) PLPK-313/7.28 ×0.38

流量 312 m3/min

進(jìn)口壓力 0.891 MPa

出口壓力 0.138 MPa

進(jìn)口溫度 -113 ℃

轉(zhuǎn)速 18 700 r/min

經(jīng)增壓機(jī)增壓后的空氣在主換熱器內(nèi)被反流氣體冷卻至-120 ℃左右,進(jìn)入膨脹機(jī)絕熱膨脹降溫,產(chǎn)生空分裝置所需的冷量,與此同時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械功用來驅(qū)動(dòng)增壓機(jī)。

3 透平膨脹機(jī)檢修故障分析

20 000 Nm3/h 制氧系統(tǒng)透平膨脹機(jī)經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行,近期出現(xiàn)膨脹效率偏低的情況,該膨脹機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為18 700 r/min,實(shí)際運(yùn)行最大轉(zhuǎn)速只能達(dá)到約16 000 r/min,膨脹效率僅為75%～80%之間,該問題一直制約著制氧系統(tǒng)整體運(yùn)行的工作效率,所以如何提高膨脹機(jī)運(yùn)行效率和轉(zhuǎn)速顯得非常重要,經(jīng)過對(duì)膨脹機(jī)檢查分析及加強(qiáng)實(shí)際操作,均不能有效提高運(yùn)行效率,膨脹機(jī)在后期運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)震動(dòng)及聲音異常的情況,所以決定對(duì)膨脹機(jī)進(jìn)行解體檢查。解體后拆下轉(zhuǎn)子發(fā)現(xiàn),膨脹輪及膨脹端蝸殼內(nèi)T 型密封均磨損嚴(yán)重,而且膨脹輪外沿出現(xiàn)缺口,葉輪及轉(zhuǎn)子已無法繼續(xù)使用。通過分析認(rèn)為,造成該故障的主要原因?yàn)槿~輪與T 型密封之間的安裝尺寸過小,在運(yùn)行中葉輪與密封一直處于刮蹭狀態(tài),隨著設(shè)備的使用周期增長(zhǎng),各處磨損的加劇,最終導(dǎo)致葉輪被拉傷。制約膨脹機(jī)工作效率的主要原因?yàn)檗D(zhuǎn)子安裝間隙不合理導(dǎo)致。那么,對(duì)于此類高轉(zhuǎn)速、高精密的設(shè)備葉輪與T 型密封的配合安裝間隙就非常重要,葉輪與T 型密封的安裝間隙必須控制在0.10～0.15 mm 之間,才能使膨脹機(jī)的效率達(dá)到最理想的狀態(tài)。安裝間隙不能過大也不能過小,太小容易損傷T 型密封導(dǎo)致漏氣,或者損壞葉輪,造成動(dòng)平衡失效,使機(jī)體震動(dòng)過大;如果葉輪與軸封安裝間隙過大,轉(zhuǎn)速無法達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速,而且運(yùn)行時(shí)一部分高溫氣體會(huì)直接從此間隙處流走,直接與經(jīng)過膨脹的低溫氣體混合,發(fā)生氣體碰撞,進(jìn)一步影響并制約膨脹效果,大幅影響膨脹機(jī)的膨脹效率。

4 透平膨脹機(jī)故障問題

(1)在以往的檢修安裝時(shí)一直采用壓鉛絲測(cè)機(jī)殼間隙的方法,是在轉(zhuǎn)子與膨脹機(jī)機(jī)殼的接觸面用壓鉛絲的方法來測(cè)量安裝間隙,但用該方法測(cè)量結(jié)果存在一定的不準(zhǔn)確性,因?yàn)橥ㄟ^該方法測(cè)得數(shù)據(jù)為間接數(shù)據(jù),不能夠直接反應(yīng)密封與葉輪的實(shí)際間隙,存在過大的誤差,對(duì)于該類安裝精度較高的設(shè)備通過該方法,只能反應(yīng)出葉輪與T 型密封的安裝是否有間隙、葉輪與密封是否出現(xiàn)安裝的刮蹭,而不能夠反應(yīng)出間隙的實(shí)際尺寸。

(2)檢修20 000 Nm3/h 制氧系統(tǒng)1#膨脹機(jī)時(shí),在安裝膨脹機(jī)新的轉(zhuǎn)子時(shí)發(fā)現(xiàn),將轉(zhuǎn)子外殼螺絲緊固后,與T 型密封擠住,沒有轉(zhuǎn)動(dòng)間隙,拆除后經(jīng)過對(duì)備件的仔細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)膨脹端葉輪無法安裝到軸根底部,存在安裝縫隙,無法與軸肩貼合,用塞尺測(cè)量發(fā)現(xiàn)有間隙為0.65 mm,拆下后與原葉輪對(duì)比,發(fā)現(xiàn)原葉輪的軸孔安裝位置倒角為0.75 mm,而新葉輪的軸孔倒角為0.25 mm。而且由于新軸的葉輪安裝軸肩處存在圓弧角,使新葉輪無法安裝到底,導(dǎo)致葉輪安裝位置靠前。這樣,新葉輪的安裝尺寸比舊葉輪的安裝尺寸大了0.65 mm。

(3)在檢修時(shí)對(duì)軸進(jìn)行尺寸核準(zhǔn)后發(fā)現(xiàn)該軸的膨脹端安裝尺寸,也就是軸肩到軸頭的距離比圖紙大了0.50 mm,使安裝帶來較大困難。由于葉輪與軸的尺寸偏差導(dǎo)致新的一套轉(zhuǎn)子的安裝尺寸比原轉(zhuǎn)子大了0.65 +0.50=1.15 mm,直接導(dǎo)致在實(shí)際安裝時(shí)安裝尺寸偏差過大,無法正常安裝,葉輪與T型密封會(huì)直接接觸。

5 透平膨脹機(jī)間隙控制改進(jìn)方案

通常采用的機(jī)殼壓鉛絲測(cè)量間隙方法,在實(shí)際操作中轉(zhuǎn)子與機(jī)殼接觸面安裝之間是通O 型圈密封,由于橡膠具有回彈性,彈性量隨著螺栓的壓縮緊固增大,導(dǎo)致測(cè)量的不確定性,這嚴(yán)重制約著檢修的質(zhì)量與進(jìn)度。實(shí)際工作中,采用該方法不能有效地解決間隙控制的難題。

為了短時(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)子及葉輪的安裝問題,如何找出安裝尺寸間隙,并使安裝間隙符合設(shè)計(jì)要求。為了保證葉輪與T 型密封有合適的間隙,針對(duì)該問題經(jīng)研究決定在轉(zhuǎn)子與機(jī)殼壓蓋密封圈前面加裝墊片(正常情況下此處不必加裝墊片,直接安裝即可),但是制作安裝墊片的厚度困擾著檢修正常進(jìn)行,因?yàn)檗D(zhuǎn)子與密封的間隙在機(jī)殼里,無法觀測(cè),只能經(jīng)過安裝嘗試后糾正,通過盤車發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與T 型密封均不接觸,但其間隙尺寸又無法測(cè)量。

經(jīng)過反復(fù)探討最終決定采用“貼片壓裝法”,取用厚度0.25 mm 的貼片,剛好在可以測(cè)得0.15 mm 的間隙的范圍內(nèi),于是用貼片剪成小片均勻貼至T 型密封上壓間隙試裝,試裝后測(cè)得貼片厚度為0.23 mm,所以轉(zhuǎn)子與機(jī)殼之間的墊片只需去掉0.10 mm 即可,通過用白色布膠帶貼片找間隙的方法,快速又直觀地測(cè)得了間隙,不僅加快了檢修進(jìn)度,也確保了檢修質(zhì)量,測(cè)得此處間隙為0.14 mm,符合設(shè)計(jì)要求,僅試裝三次可以直觀明了的解決控制間隙的問題。

6 改進(jìn)后效果

透平膨脹機(jī)運(yùn)行效果良好,而且膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速,膨脹效率由原本的80%上升至95%,從而降低制氧系統(tǒng)主要的耗能設(shè)備空壓機(jī)電流,經(jīng)測(cè)算每天可節(jié)省電量約0.2 萬kW·h。

7 結(jié)語

膨脹機(jī)作為制氧系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,工作效率的高低直接影響著制氧系統(tǒng)的生產(chǎn),所以檢修質(zhì)量尤為重要。采用該“貼片壓裝法”簡(jiǎn)便又直觀地反映出葉輪間隙,確保了檢修質(zhì)量,又極大提高了檢修進(jìn)度。并且該方法也可推廣運(yùn)用到其他類似精密設(shè)備或大型風(fēng)機(jī)的葉輪與蝸殼內(nèi)部設(shè)備的間隙測(cè)量控制中,也可以運(yùn)用到其他密閉空間的間隙控制,找正安裝中,不但能夠保證設(shè)備的檢修質(zhì)量,有效提高設(shè)備運(yùn)行效率,而且還可以提高檢修安裝工作效率,延長(zhǎng)設(shè)備使用周期,降低檢修費(fèi)用。