金鑫，李春梅，刘洋

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869）

1 主要内容及方法

本项目主要针对大型乙二醇装置对氢气循环气压缩机组大型化、高参数和稳定、高效、长周期运行的重大战略需求，依据装置工艺特点，自主研制了具有国际技术水平的大型氢气循环气压缩机组。

氢气循环气压缩机设计参数：

流量：2457700～421320Nm3/h

进口压力：2.56bar 出口压力：5.56bar

进口温度：35℃ 出口温度：85℃

1.1 压缩机气动方案研究

乙二醇装置氢气循环气压缩机组分子量约为2.5，常规工艺升压在1～3 公斤，流量调节范围70%～120%，随着工艺的调整，要求大型氢气循环气压缩机的升压达到10kg，根据设计参数，按照常规技术，需要BCL7010，即700mm 叶轮直径，10 级压缩机，此方案成本高效率低，竞争力很差，与国内同行处于同一技术水平，比国外机组差很多。基于介质特性，设计参数特性，结合流场分析，攻克轻介质、大升压、宽调节范围的单缸单段八级压缩方案优化。针对氢气循环气离心式压缩机，开发流量系数覆盖0.045～0.065，效率84%以上的高效率高能头系数模型级系列。将压缩机机型降低到BCL608，即600mm 叶轮直径，8 级压缩，而且效率提高了4%左右，极大地增强了竞争力。

通过全新模型级开发，实现减小大型离心式压缩机结构尺寸、减少级数、提高工作转速的有效节能目标。减小机组尺寸，有利于降低机组的制造成本以及占地面积，并方便运行维护；减少大型压缩机单机级数，可缩短转子跨距，提高转子稳定性；降低工作转速，提高机组运行的安全可靠性。

在节能型高能量头系数模型级级开发过程中，首先通过先进的气动设计软件包COMPAL/PREDIG 模块，先进行一维反问题设计，然后通过CCAD 模块，对进气、叶轮，扩压器、回流器排气等部件进行三维设计，按优化准则调整相关结构几何参数，获得最佳气动性能与结构方案。对模型级的内部整个气流进行准三维黏性流动数值模拟，获得气体在模型级内部的气流分布。

通过对模型级内部气体流场的分析，改进流道的几何参数，最大限度地避免气体流动过程中发生旋涡、回流或分离等流动的出现，从而提高模型级的效率和能量头系数。最后通过模型级试验，验证最终开发结果，从而获得各项参数最优的模型级。

大流量、高压比、高速等特点的大型压缩机模型级，极易产生气流不稳定现象，甚至发生“激振”现象，因此，必须通过CFD 气动设计和分析软件，预先进行流场模拟分析，并进行初步的设计修改后，才能进行高速模型级性能试验，以提高试验的成功率和安全性。

1.2 机组可靠性研究

压缩机设计的可靠性主要体现在结构和运行两个方面。结构可靠性关注压缩机结构完整性，研究叶轮等关键零部件在复杂工况环境下的强度、变形及疲劳特性；运行可靠性关注机组长期安全稳定运转，研究转子-轴承-密封动力系统的振动特性及动力稳定性。本项目在考虑叶轮安全性和定子刚强度等结构可靠性的同时，重点完成了以下几个方面的工作。

大功率、高转速、高稳定性的转子优化设计。

采用气动、力学、工艺等多学科优化技术，缩短转子跨距，提高转子刚性，确保机组在高压力、高转速下平稳运转。

氢气循环气压缩机叶轮数量较多，且均为较宽三元叶轮，在常规设计时，机组跨距较长，L：D 过大，影响机组允许，为保证机组的运行安全，针对模型级进行缩小跨距研究。

分析对象：LR2 叶轮及其后的叶片扩压器、叶片回流器与LR3 叶轮及其后的叶片扩压器组成的两级。

分析用途：分分减小析LR2 及LR3 两级间的间距对气动性能的影响。

分析内容：分析LR2 叶轮及其后的叶片扩压器、叶片回流器与LR3 叶轮及其后的叶片扩压器组成的两级的气动性能。

分析软件：NUMECA、CFD、CAXA。

利用CFD 软件NUMECA 进行计算分析，采用Autogrid5进行叶轮网格自动划分，利用FINE/TURBO 求解器进行求解。

原始方案和优化方案模型级均采用单通道计算域网格模型单通道计算域网格模型。壁面距离ywall 均为0.01mm。

表1 LR2+LR3 不同跨距性能对比

经过分析计算，级间距的缩短对机组性能的影响可以忽略，但是对机组动力学特性有着很大的改善(如表1)，因此采用缩短级间距从而减小L/D 的方案。

由上述分析，该转子在工作转速运行范围内，在最小轴承间隙下转子一阶正进对数衰减率0.142，转子的稳定性分析满足API617 标准的要求，如图1/2。

图1 对数衰减变速曲线

图2 转子一阶正进动复模态图

为保证模型级的较高能头，均所有叶轮均采用叶片扩压器，带叶片扩压器的机组，叶轮的叶片与扩压器的叶片可能存在频率干涉，长周期运转时，可能会发生叶片疲劳断裂，造成机组长周期停车，业主装置停产，对整个装置影响巨大，因此需要对机组叶轮进行频率分析，避免疲劳破坏。

图3 叶轮各阶频率

从图3/4 可看出，出口扩压器叶片数OGV=10 对应的谐波指数1.9 的叶轮自然频率族中，第1/2 阶自然频率未落在额定转速范围内。叶轮自然频率校核通过。

图4 叶轮频率干涉图

2 结语

项目完成后，大大填补了乙二醇市场的缺口，也间接促进了国内乙二醇规模由25～50万吨的跨越，每年可为企业带来5～10 个亿的订货，实现企业向高端装备制造的转型发展；沈鼓氢气循环气压缩机完全达到甚至局部超过了国际同类压缩机的水平，而且交货期更短，服务更好，也为业主节约了初期投资和后期维护费用，同时，使业主的装置建设周期减少了5 个月，大大提高了业主的融资成本与盈利。该机组的国产化研制成功，解决了大型乙二醇装置压缩机组的共性技术问题，实现了多学科、多领域技术的集成和行业间的跨越，将带动装备制造业及能源产业的技术进步和发展。