基于蒸汽壓差驅(qū)動(dòng)的高轉(zhuǎn)速壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

當(dāng)前,我國(guó)現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)模日益增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)已有國(guó)家級(jí)和省級(jí)工業(yè)園區(qū)近2500家,園區(qū)所積聚企業(yè)數(shù)量從十幾家至幾千家不等。盡管園區(qū)已進(jìn)行企業(yè)功能劃分,但企業(yè)類型不同,造成企業(yè)用能需求存在差異。以蒸汽和壓縮空氣為例,現(xiàn)有供應(yīng)模式多為通過(guò)電廠集中供汽結(jié)合自購(gòu)電動(dòng)螺桿空壓機(jī)方式。然而,上述方式存在一系列問(wèn)題:蒸汽集中供應(yīng)管道設(shè)計(jì)時(shí),通常按照?qǐng)@區(qū)最高蒸汽壓力進(jìn)行設(shè)計(jì),造成一半左右的企業(yè)存在蒸汽壓力不匹配的問(wèn)題,需通過(guò)減溫減壓裝置調(diào)整蒸汽壓力,降低蒸汽品位等級(jí),以最終滿足產(chǎn)能需求:而電動(dòng)螺桿空壓機(jī)存在轉(zhuǎn)化效率低、電耗高、維護(hù)成本高等問(wèn)題,且產(chǎn)生的含油廢水處置困難,會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害。

基于上述背景,本文設(shè)計(jì)了撬裝式空壓機(jī)系統(tǒng)并對(duì)其核心部件進(jìn)行了介紹,以利用蒸汽壓差對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng),達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1方案選取

1.1應(yīng)用場(chǎng)景介紹

本文以浙江蘭溪某塑料生產(chǎn)公司作為應(yīng)用場(chǎng)景。該公司耗汽量為6t/h,因處于集中供熱管道前端,蒸汽品質(zhì)較高,為1.1MPa、205℃的過(guò)熱蒸汽,而生產(chǎn)工藝僅需要0.5MPa、155℃的蒸汽。當(dāng)前減溫減壓的實(shí)現(xiàn)方式為采用減壓閥。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律評(píng)估,減溫減壓過(guò)程消耗功率及壓縮空氣折算量如表1所示。由表1可看出,該塑料生產(chǎn)公司在對(duì)蒸汽進(jìn)行減溫減壓的過(guò)程中,浪費(fèi)的輸出功率為150kw,可產(chǎn)生壓縮空氣流量為25m3/min。這表明,該應(yīng)用場(chǎng)景的蒸汽偏差具有足夠大的壓縮空氣生產(chǎn)潛力。

1.2設(shè)計(jì)約束條件說(shuō)明

本文在對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),需遵循以下幾個(gè)約束條件:

(1)運(yùn)行條件約束:

蒸汽進(jìn)口壓力為1.1MPa,出口壓力為0.5MPa,空壓機(jī)排汽壓力高于0.4MPa為另一約束條件。壓縮空氣流量根據(jù)蒸汽流量的波動(dòng)而波動(dòng)。

(2)蒸汽透平條件:

考慮主汽閥損失(5%左右)后,給定進(jìn)口總壓、總溫及出口靜壓,設(shè)置進(jìn)口氣流角度為78О(與徑向夾角),進(jìn)行流量計(jì)算與轉(zhuǎn)速的選取,出口流速(基本沿軸向)為81.3m/S,質(zhì)量流量為1.687kg/S,轉(zhuǎn)速為30000r/min。即蒸汽透平最大功率為150kw,轉(zhuǎn)速在30000r/min。

(3)離心空壓機(jī)參數(shù)選取:

鑒于離心空壓機(jī)輸入功率為150kw,排汽壓力大于0.4MPa,本文中離心空壓機(jī)采用二級(jí)壓縮,部分性能參數(shù)如表2所示。即在給定機(jī)械功率150kw、排汽壓力0.5MPa的條件下,離心空壓機(jī)采用二級(jí)壓縮,轉(zhuǎn)速在71000r/min以上時(shí),可產(chǎn)生25m3/min的壓縮空氣。

1.3方案選取

針對(duì)利用蒸汽壓差驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)的思路,本文首先進(jìn)行用戶側(cè)蒸汽壓差驅(qū)動(dòng)的空壓機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì),采用蒸汽徑向渦輪驅(qū)動(dòng)離心空壓機(jī)整體撬裝設(shè)計(jì),即蒸汽透平和離心空壓機(jī)兩軸之間采用高速齒輪嚙合進(jìn)行匹配,以適應(yīng)較寬范圍內(nèi)的工況變化。

2具體實(shí)施方案

針對(duì)該塑料生產(chǎn)公司蒸汽與壓縮空氣應(yīng)用特點(diǎn),本文特制定以下技術(shù)方案,實(shí)現(xiàn)利用蒸汽差壓的壓縮空氣制備。整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示。

2.1系統(tǒng)流程

整個(gè)系統(tǒng)額定運(yùn)行時(shí),該系統(tǒng)可將1.1MPa、205℃的蒸汽以全周進(jìn)汽方式送入蒸汽透平的徑向渦輪(渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)到30000r/min),輸出功率約150kw,然后徑向渦輪驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)增速齒輪帶動(dòng)離心空壓機(jī)高速軸轉(zhuǎn)動(dòng)(轉(zhuǎn)速為71000r/min),同時(shí)帶動(dòng)高速軸兩端的二級(jí)壓縮葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)?？諝鈴倪M(jìn)汽口進(jìn)入一級(jí)壓縮渦輪(壓比2.824)升壓,進(jìn)入中間冷卻器冷卻后再進(jìn)入二級(jí)壓縮渦輪(壓比2.23),排汽壓力達(dá)到0.5MPa后排出。系統(tǒng)中,核心部件為蒸汽徑向渦輪驅(qū)動(dòng)離心空壓機(jī),該裝置示意圖如圖2所示。

其中,汽封系統(tǒng)采用迷宮密封,針對(duì)不同壓力的蒸汽,通過(guò)充汽、排汽自動(dòng)控制系統(tǒng)以充、抽蒸汽的方式來(lái)達(dá)到密封效果,并且在汽封靠近大氣處設(shè)有擋板,以防止蒸汽沿軸向泄漏。配套地,充汽自動(dòng)控制系統(tǒng)包含減壓閥、自動(dòng)調(diào)節(jié)閥和壓力變送器,充入系統(tǒng)管路的蒸汽依次通過(guò)減壓閥、自動(dòng)調(diào)節(jié)閥和壓力變送器。壓力變送器將信號(hào)傳至PLC控制柜,控制柜根據(jù)壓力設(shè)定值自動(dòng)控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度,從而保證充入的蒸汽壓力滿足密封要求。排汽孔位于蝸殼側(cè)板底部,連通汽封本體和排汽自動(dòng)控制系統(tǒng),排汽自動(dòng)控制系統(tǒng)包含壓力變送器和抽汽泵,排出系統(tǒng)管路的蒸汽依次通過(guò)壓力變送器和抽汽泵。壓力變送器將信號(hào)傳至PLC控制柜,控制柜根據(jù)壓力設(shè)定值自動(dòng)控制汽泵的抽汽。

2.2重點(diǎn)部件校核

項(xiàng)目中,壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可以達(dá)到70000r/min,這意味著空壓機(jī)葉輪有足夠的強(qiáng)度和模態(tài)承受能力。為此,本部分對(duì)設(shè)計(jì)的一、二級(jí)葉輪的強(qiáng)度和模態(tài)進(jìn)行模擬分析。

2.2.1一級(jí)葉輪

該葉輪沿圓周均布6個(gè)長(zhǎng)葉片、6個(gè)短葉片。對(duì)設(shè)計(jì)好的葉輪采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分,網(wǎng)格數(shù)量最終為10.5萬(wàn)個(gè)。網(wǎng)格劃分后的一級(jí)葉輪模型如圖3所示。

模擬邊界條件設(shè)置如下:葉輪材料為TC4,計(jì)算轉(zhuǎn)速為71000r/min,葉輪與主軸接觸傳扭的位置設(shè)置固定約束。模擬后葉輪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可看出,大部分位置的應(yīng)力低于300MPa,葉輪中心孔應(yīng)力最大約為362MPa,考慮超速為115%,計(jì)算最大應(yīng)力為479MPa,與材料的屈服強(qiáng)度890MPa相比有85.8%的安全裕度,考慮到有限元計(jì)算的精度以及實(shí)際應(yīng)用中局部變形會(huì)削減應(yīng)力峰值,該葉輪是足夠安全的。

葉輪變形量如圖5所示,一級(jí)葉輪總變形量最大值約0.07mm,位于葉輪盤(pán)外緣。Z向變形量-0.06~＋0.03mm；徑向最大形變量0.05mm,位于葉輪盤(pán)外緣。

2.2.2二級(jí)葉輪

類似地,該二級(jí)葉輪沿圓周均布6個(gè)長(zhǎng)葉片、7個(gè)短葉片。二級(jí)葉輪采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,單元數(shù)為10萬(wàn)個(gè),葉輪材料為TC4,計(jì)算轉(zhuǎn)速為71000r/min:葉輪與主軸接觸傳扭的位置設(shè)置固定約束。網(wǎng)格劃分后的二級(jí)葉輪模型如圖6所示。

圖6二級(jí)葉輪網(wǎng)格劃分圖

模擬后,葉輪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖7所示,大部分位置的應(yīng)力低于200MPa,葉輪中心孔應(yīng)力最大約為289MPa,考慮超速為115%,計(jì)算最大應(yīng)力為382MPa,與材料的屈服強(qiáng)度890MPa相比有133%的安全裕度,考慮到有限元計(jì)算的精度以及實(shí)際應(yīng)用中局部變形會(huì)削減應(yīng)力峰值,該葉輪是足夠安全的。

圖7二級(jí)葉輪應(yīng)力分布圖

二級(jí)葉輪變形量模擬如圖8所示,其中總變形量最大值約0.07mm,位于葉輪盤(pán)外緣。Z向變形量-0.06~＋0.01mm:徑向最大形變量0.04mm,位于葉輪后盤(pán)。

3調(diào)節(jié)方式

3.1一級(jí)調(diào)節(jié)模式

鑒于本設(shè)計(jì)所提出的離心式空壓機(jī)與原有電驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)為并聯(lián)狀態(tài),根據(jù)蒸汽驅(qū)動(dòng)特點(diǎn),本設(shè)備壓縮空氣量由蒸汽流量和蒸汽壓力決定,即由下游用戶的工藝點(diǎn)用氣量決定,因此本機(jī)組即按照6t/h蒸汽流量滿負(fù)荷運(yùn)行,本機(jī)組產(chǎn)生25m3/min、0.5MPa壓縮空氣進(jìn)入壓縮空氣管網(wǎng)后,管網(wǎng)中壓縮空氣壓力提高,超過(guò)管網(wǎng)設(shè)定壓力后,電動(dòng)空壓機(jī)會(huì)調(diào)節(jié)減少產(chǎn)氣量,從而達(dá)到節(jié)電目的。

3.2二級(jí)調(diào)節(jié)模式

本機(jī)組采用定速調(diào)節(jié)。當(dāng)蒸汽流量波動(dòng)時(shí),離心空壓機(jī)通過(guò)入口導(dǎo)葉控制空氣進(jìn)量,以便離心空壓機(jī)和蒸汽渦輪功率保證同步波動(dòng),即機(jī)組的轉(zhuǎn)速維持不變、空壓機(jī)排汽壓力不變,空壓機(jī)排汽量隨之波動(dòng)。初步擬定的蒸汽流量波動(dòng)范圍在30%~100%。

4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用說(shuō)明

本項(xiàng)目在蘭溪某塑料廠投產(chǎn)應(yīng)用后,運(yùn)行效果良好,可滿足額定設(shè)計(jì)要求。實(shí)際運(yùn)行中,因生產(chǎn)工藝需求變化,該公司采用該高轉(zhuǎn)速空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)了0.512MPa、191.8℃的高壓高溫蒸汽向0.226MPa、137.2℃相對(duì)低壓低溫蒸汽的轉(zhuǎn)變,同時(shí)利用該蒸汽能量產(chǎn)生20.53m3/h、0.391MPa的壓縮空氣。

運(yùn)行DCS界面如圖9所示。

運(yùn)行過(guò)程中,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為30077.5r/min,空壓機(jī)轉(zhuǎn)速為70662.6r/min,過(guò)渡軸轉(zhuǎn)速達(dá)到3916.3r/min,均在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的合理范圍內(nèi),同時(shí)齒輪箱軸溫、振動(dòng)和壓力顯示正常,如齒輪箱低速軸汽輪機(jī)軸溫最高,為72.8℃:最大振動(dòng)出現(xiàn)在二級(jí)空壓機(jī)軸位置,為19.52um:過(guò)渡軸處的位移為91.1um,表明基于蒸汽壓差的壓縮空氣制備系統(tǒng)替代減壓裝置的同時(shí)有效利用了蒸汽能量,從而為不同應(yīng)用環(huán)境的蒸汽壓力利用提供了參考。