關于空分裝置中用插入式渦街流量計組的研究
點擊次數：2663 發布時間：2021-01-06 11:43:25
摘要：隨著現代化工業的不斷發展，不論是鋼鐵企業，還是石油、化工等部門，對空分中制氧裝置的要求，無論是數量，還是技術水平，都需亟待提高，促使制氧裝置中的關鍵設備之一的氧氣插入式渦街流量計不斷增加和迅速發展。本文主要對插入式渦街流量計運行的穩定性和安全可靠性、插入式渦街流量計結構、氧氣透平流量計輔機系統和氧壓機安全防火措施等幾方面進行詳細說明。
目前，**上能夠獨立設計、制造離心式氧壓機的公司有：瑞士蘇爾壽公司、德國德馬格公司、意大利新比隆公司、美國克拉克公司、日本日立公司、中國沈陽鼓風機廠杭州制氧機廠等。沈鼓從 1976 年開始引進意大利新比隆公司離心壓縮設計、制造技術，包括離心氧壓機，但由于當時計劃經濟，受行業分工的限制，沈鼓未生產氧壓機。20 世紀 80 年代，沈鼓為山東齊魯石化公司設計制造 1 臺 6000Nm 3 /h，壓力 13kg/cm 2 的氧壓機。90 年代以后，隨著市場經濟的發展，1992 年沈鼓廠為攀鋼設計生產了* 1 臺 10000Nm 3 /h, 壓力為31kg/cm 2 的氧壓機。1993 年，又為天津乙烯工程項目設計生產了* 1 臺 6000Nm 3 /h，壓力 31kg/cm 2 的氧壓機，已安全運行兩年了。后來又先后為通化鋼廠，邯鄲鋼廠制造了兩臺10000Nm 3 /h，壓力為 31kg/cm 2 氧壓機，北臺鋼廠 1 臺 6000Nm 3 /h，壓力 31kg/cm 2 的氧壓機。進入 21 世紀，我廠先后又設計制造了 10 多臺 6000 ～ 20000NM 3 /h 的制氧機。隨著沈鼓廠設計制造氧壓機數量逐漸增多，技術水平也逐漸提高。我們在這一方面也積累了一些經驗，沈鼓廠針對小流量、高壓比的氧壓機主要如下技術方面處于**地位。
1 插入式渦街流量計運行的穩定性和安全可靠性分析
插入式渦街流量計是裝置中關鍵設備，其安全性、可靠性、運轉平穩性是保證機組長周期、長壽命安全可靠、連續運行的*重要目標，為實現這一目的，我廠在消化、吸收，引進技術的基礎上用了近八年的時間，投入了大量的人力、物力、財力，與西安交通大學等院（校）所共同開發了達到**先進水平或**水平的計算軟件包，并已成功地應用在產品設計上。
新開發的聯接管線優化設計計算程序，尚屬國內空白。它可自動優化布置設計管線走向及支吊架的位置、支承剛度，還可計算出管線的應力、自振頻率、管端力、力矩大小，管路氣體流動損失大小、定位鍵的應力大小等，從而提高了裝置設計水平和機器運行的平衡性。
2 插入式渦街流量計結構
沈鼓廠生產的各種系列插入式渦街流量計主要結構件：機殼、隔板、葉輪、密封等都是在完善結構尺寸，系列規劃后，建立起積木組合設計的結構型譜。所有系列化的結構元件都經過試驗并實際驗證過的。每個標準系列化元件圖都存檔案圖庫中，或存于電腦圖庫中，任何新參數，特殊工藝流程要求的流量計，均能應用規劃好的系列結構件，并積木式設計出新機組，可大大縮短設計周期和生產周期。針對氧壓機的特殊特點，在設計制造中我們有所改進。
低壓缸和高壓缸均為水平剖分型，由上下機殼組成，系列機殼全部為焊接機殼，不僅外觀美，且流道光滑，易于鍍銅，兩端軸承殼體采用鑄鋼并與下機殼焊接在一起，與上機殼分開，避免軸承殼體內油進入機殼內。上機殼在必要時可以很容易地進行拆卸與組裝，便于維護、檢修和使用。兩缸四個軸端部位均為低溫端，溫度在 42℃以下，因此，特別安全可靠。
隔板采用焊接隔板，與氧氣接觸的表面均鍍銅。擴壓器采用無葉擴壓器，可以獲得良好的喘振特性，與有葉擴壓器相比，工作范圍寬，安全可靠。級間及軸端密封全部采用拉別令密封。密封體用銅或鋁合金材料，其中缸內密封為鑲銀片結構。這些特殊材料的應用，可使密封間隙小，內泄漏少，減少耗功。低壓缸轉子為四級兩段，葉輪背靠背布置：高壓轉子為六級三段，葉輪可根據需要配置于末端或中間位置；這樣，既可平衡軸向推力，又可降低軸端壓差，減少外泄漏量。徑向軸承采用可傾瓦軸承，設在機殼的進口與出口側，大軸承體上內襯有白合金。推力軸承采用金斯伯雷式，有主推力軸承和副推力軸承，既可承受氣動平衡后的殘余軸向推力，又可承受任何結構形式的聯軸器在允許偏差內所引起的軸向推力。全部采用膜片聯軸器，不用潤滑，壽命長，為了防止感應電流，我們在變速要與低壓缸間采用電氣絕緣。流量計各段氣體管路都有接地要求。低壓缸、高壓缸、變速機采用整體底座。通過地腳螺栓固定在水泥基礎上，底座下有高速墊鐵，因此，安裝方便。流量計本體與底座之間設有橫向導向鍵和縱向導向鍵，每個貓爪下面都設有高速螺釘和高速墊片，以便安裝找正。
3 氧氣透平流量計輔機系統
氧氣透平流量計輔機系統有氣體冷卻器、潤滑油裝置、先進的自控系統等幾大方面。氧壓機的氣體冷卻器，采用填料函浮頭式冷卻器，管束為直管，氧氣在管內流動，因為氧氣的流動速度本身不能太高，氧氣走管內可增大通流面積，降低流速，避免流動死區，也降低了氣體的流動阻力，提高效率。此種結構、管整可以自由伸縮，避免了溫差大引起的熱脹應力。潤滑油裝置中油站為流量計、電機軸承及齒輪供油。由油箱、油泵、油冷卻器、油過濾器及排煙機等組成，按 API614 標準設計、制造，兩套油泵、油冷卻器、油過濾器等互為備用，因此，潤滑油裝置可以在不停機的情況下進行檢修和清洗，并保證供油系統安全可靠。在停電等情況下，油泵停止時，為保證流量計停車前必需的供油，因此，設有高位油箱。自控系統能在事故狀態下對氧壓機實施保護，任何原因引起的事故停機，都需急速排出氧氣，并立刻充氮，因此，停機聯鎖與排出氧氣的閥門與充入氮氣聯鎖。還能嚴防喘振，一是避免機件碰撞損壞，二是避免氧氣濕度高，碰憧中引起機殼內部件發熱和著火。每段出口處設置氧氣溫度檢測，如果高于所規定溫度以上便報警及聯鎖停機。軸振動及軸位移設置流量計軸振動和軸位移監視還有軸承溫度，以便在正常工作時檢查和出現故障時報警及停車。
4 氧壓機安全防火措施
氧壓機與其他氣體流量計相比，核心問題就是防火問題。因此，怎樣保證正常運轉而不起火，是氧壓機設計中的關鍵問題。
（1）機組入口設置了 1 臺獨立的氧氣過濾器，它對進入機組的氧氣進行過濾，以免氣體中灰塵、砂粒等雜物進入缸內，在高、低壓缸之間也設置有過濾器，它一般裝在氣體管道中，以縮小裝置的占地面積并使氣管路大大簡化。
（2）氧壓機分若干段，在相鄰兩段間均設置氣體冷卻器 1 臺，它使上段出口的高溫氧氣冷卻到規定的溫度而進入下一段進口，在機組的出口也設置有 1 臺氣體冷卻器，它使機組出口的高溫氧氣冷卻到規定的溫度，然后輸送到規定的流程中去。中間環節一旦有溫度超高現象出現，我們還設置了相應的報警停機措施。
（3）在變速機與低壓缸之間以及高低壓缸間均采用膜片聯軸器聯接，它具有不需潤滑，減振和壽命長等優點，其中，低壓缸與變速機間的聯軸器具有絕緣作用，防止主電機的靜電流入氧壓機缸辦引起火花而燃燒。
（4）為減少缸內氧氣外漏，使防火墻內的氧氣萬分不致過高，高、低壓缸均采用了充氣密封，把惰性氣體（N 2 ）引人端密封外側的氮氣腔室，汽缸內的氧氣只能漏到軸端密封內側的氧氣腔室，處于中間的氮和氧的混合腔內的混合氣體被引到室外放空，從而保證了防火墻內的氧氣濃度始終在允許的范圍內。
（5）流量計的低壓缸兩軸端密封均有 3 個腔，高壓缸兩軸端密封均有四個腔，其中*內側的腔為高壓缸高壓氧氣自動平衡腔，其他與低壓缸同位。從內向外依次是氧氣平衡腔、氮氧混合腔、氮氣腔，其功能是靠一定壓差封住流量計內氧氣，使氧氣、混合氣、氮氣按設計規律進行流動。
（6）軸承箱的內側油封也設有充氮氣腔以阻止油氣外漏。
（7）為了具有良好的密封性，機殼法蘭中分面需要精加工，下機殼向外傾斜，其斜度一般為 0.2%，再涂上水玻璃，具有良好的密封性。
（8）流量計機殼隔板內表面，（配合面除外）均鍍銅，防止機殼生銹產生的粉未與高溫高壓的純氧接觸而引起打火燃燒。
（9）轉子、氣管路及氣體冷卻器等與氧氣直接接觸的零部件全部采用不銹鋼。
鑒于以上種種設計上的考慮，我廠設計生產的空分裝置中的插入式渦街流量計已日漸成熟，我們將不斷總結經驗，特別是用戶現場運行經驗，借鑒國外的先進技術，繼續完善氧壓機的設計，使我廠的氧壓機技術水平達到了國際先進水平。
目前，**上能夠獨立設計、制造離心式氧壓機的公司有：瑞士蘇爾壽公司、德國德馬格公司、意大利新比隆公司、美國克拉克公司、日本日立公司、中國沈陽鼓風機廠杭州制氧機廠等。沈鼓從 1976 年開始引進意大利新比隆公司離心壓縮設計、制造技術，包括離心氧壓機，但由于當時計劃經濟，受行業分工的限制，沈鼓未生產氧壓機。20 世紀 80 年代，沈鼓為山東齊魯石化公司設計制造 1 臺 6000Nm 3 /h，壓力 13kg/cm 2 的氧壓機。90 年代以后，隨著市場經濟的發展，1992 年沈鼓廠為攀鋼設計生產了* 1 臺 10000Nm 3 /h, 壓力為31kg/cm 2 的氧壓機。1993 年，又為天津乙烯工程項目設計生產了* 1 臺 6000Nm 3 /h，壓力 31kg/cm 2 的氧壓機，已安全運行兩年了。后來又先后為通化鋼廠，邯鄲鋼廠制造了兩臺10000Nm 3 /h，壓力為 31kg/cm 2 氧壓機，北臺鋼廠 1 臺 6000Nm 3 /h，壓力 31kg/cm 2 的氧壓機。進入 21 世紀，我廠先后又設計制造了 10 多臺 6000 ～ 20000NM 3 /h 的制氧機。隨著沈鼓廠設計制造氧壓機數量逐漸增多，技術水平也逐漸提高。我們在這一方面也積累了一些經驗，沈鼓廠針對小流量、高壓比的氧壓機主要如下技術方面處于**地位。
1 插入式渦街流量計運行的穩定性和安全可靠性分析
插入式渦街流量計是裝置中關鍵設備，其安全性、可靠性、運轉平穩性是保證機組長周期、長壽命安全可靠、連續運行的*重要目標，為實現這一目的，我廠在消化、吸收，引進技術的基礎上用了近八年的時間，投入了大量的人力、物力、財力，與西安交通大學等院（校）所共同開發了達到**先進水平或**水平的計算軟件包，并已成功地應用在產品設計上。
新開發的聯接管線優化設計計算程序，尚屬國內空白。它可自動優化布置設計管線走向及支吊架的位置、支承剛度，還可計算出管線的應力、自振頻率、管端力、力矩大小，管路氣體流動損失大小、定位鍵的應力大小等，從而提高了裝置設計水平和機器運行的平衡性。
2 插入式渦街流量計結構
沈鼓廠生產的各種系列插入式渦街流量計主要結構件：機殼、隔板、葉輪、密封等都是在完善結構尺寸，系列規劃后，建立起積木組合設計的結構型譜。所有系列化的結構元件都經過試驗并實際驗證過的。每個標準系列化元件圖都存檔案圖庫中，或存于電腦圖庫中，任何新參數，特殊工藝流程要求的流量計，均能應用規劃好的系列結構件，并積木式設計出新機組，可大大縮短設計周期和生產周期。針對氧壓機的特殊特點，在設計制造中我們有所改進。
低壓缸和高壓缸均為水平剖分型，由上下機殼組成，系列機殼全部為焊接機殼，不僅外觀美，且流道光滑，易于鍍銅，兩端軸承殼體采用鑄鋼并與下機殼焊接在一起，與上機殼分開，避免軸承殼體內油進入機殼內。上機殼在必要時可以很容易地進行拆卸與組裝，便于維護、檢修和使用。兩缸四個軸端部位均為低溫端，溫度在 42℃以下，因此，特別安全可靠。
隔板采用焊接隔板，與氧氣接觸的表面均鍍銅。擴壓器采用無葉擴壓器，可以獲得良好的喘振特性，與有葉擴壓器相比，工作范圍寬，安全可靠。級間及軸端密封全部采用拉別令密封。密封體用銅或鋁合金材料，其中缸內密封為鑲銀片結構。這些特殊材料的應用，可使密封間隙小，內泄漏少，減少耗功。低壓缸轉子為四級兩段，葉輪背靠背布置：高壓轉子為六級三段，葉輪可根據需要配置于末端或中間位置；這樣，既可平衡軸向推力，又可降低軸端壓差，減少外泄漏量。徑向軸承采用可傾瓦軸承，設在機殼的進口與出口側，大軸承體上內襯有白合金。推力軸承采用金斯伯雷式，有主推力軸承和副推力軸承，既可承受氣動平衡后的殘余軸向推力，又可承受任何結構形式的聯軸器在允許偏差內所引起的軸向推力。全部采用膜片聯軸器，不用潤滑，壽命長，為了防止感應電流，我們在變速要與低壓缸間采用電氣絕緣。流量計各段氣體管路都有接地要求。低壓缸、高壓缸、變速機采用整體底座。通過地腳螺栓固定在水泥基礎上，底座下有高速墊鐵，因此，安裝方便。流量計本體與底座之間設有橫向導向鍵和縱向導向鍵，每個貓爪下面都設有高速螺釘和高速墊片，以便安裝找正。
3 氧氣透平流量計輔機系統
氧氣透平流量計輔機系統有氣體冷卻器、潤滑油裝置、先進的自控系統等幾大方面。氧壓機的氣體冷卻器，采用填料函浮頭式冷卻器，管束為直管，氧氣在管內流動，因為氧氣的流動速度本身不能太高，氧氣走管內可增大通流面積，降低流速，避免流動死區，也降低了氣體的流動阻力，提高效率。此種結構、管整可以自由伸縮，避免了溫差大引起的熱脹應力。潤滑油裝置中油站為流量計、電機軸承及齒輪供油。由油箱、油泵、油冷卻器、油過濾器及排煙機等組成，按 API614 標準設計、制造，兩套油泵、油冷卻器、油過濾器等互為備用，因此，潤滑油裝置可以在不停機的情況下進行檢修和清洗，并保證供油系統安全可靠。在停電等情況下，油泵停止時，為保證流量計停車前必需的供油，因此，設有高位油箱。自控系統能在事故狀態下對氧壓機實施保護，任何原因引起的事故停機，都需急速排出氧氣，并立刻充氮，因此，停機聯鎖與排出氧氣的閥門與充入氮氣聯鎖。還能嚴防喘振，一是避免機件碰撞損壞，二是避免氧氣濕度高，碰憧中引起機殼內部件發熱和著火。每段出口處設置氧氣溫度檢測，如果高于所規定溫度以上便報警及聯鎖停機。軸振動及軸位移設置流量計軸振動和軸位移監視還有軸承溫度，以便在正常工作時檢查和出現故障時報警及停車。
4 氧壓機安全防火措施
氧壓機與其他氣體流量計相比，核心問題就是防火問題。因此，怎樣保證正常運轉而不起火，是氧壓機設計中的關鍵問題。
（1）機組入口設置了 1 臺獨立的氧氣過濾器，它對進入機組的氧氣進行過濾，以免氣體中灰塵、砂粒等雜物進入缸內，在高、低壓缸之間也設置有過濾器，它一般裝在氣體管道中，以縮小裝置的占地面積并使氣管路大大簡化。
（2）氧壓機分若干段，在相鄰兩段間均設置氣體冷卻器 1 臺，它使上段出口的高溫氧氣冷卻到規定的溫度而進入下一段進口，在機組的出口也設置有 1 臺氣體冷卻器，它使機組出口的高溫氧氣冷卻到規定的溫度，然后輸送到規定的流程中去。中間環節一旦有溫度超高現象出現，我們還設置了相應的報警停機措施。
（3）在變速機與低壓缸之間以及高低壓缸間均采用膜片聯軸器聯接，它具有不需潤滑，減振和壽命長等優點，其中，低壓缸與變速機間的聯軸器具有絕緣作用，防止主電機的靜電流入氧壓機缸辦引起火花而燃燒。
（4）為減少缸內氧氣外漏，使防火墻內的氧氣萬分不致過高，高、低壓缸均采用了充氣密封，把惰性氣體（N 2 ）引人端密封外側的氮氣腔室，汽缸內的氧氣只能漏到軸端密封內側的氧氣腔室，處于中間的氮和氧的混合腔內的混合氣體被引到室外放空，從而保證了防火墻內的氧氣濃度始終在允許的范圍內。
（5）流量計的低壓缸兩軸端密封均有 3 個腔，高壓缸兩軸端密封均有四個腔，其中*內側的腔為高壓缸高壓氧氣自動平衡腔，其他與低壓缸同位。從內向外依次是氧氣平衡腔、氮氧混合腔、氮氣腔，其功能是靠一定壓差封住流量計內氧氣，使氧氣、混合氣、氮氣按設計規律進行流動。
（6）軸承箱的內側油封也設有充氮氣腔以阻止油氣外漏。
（7）為了具有良好的密封性，機殼法蘭中分面需要精加工，下機殼向外傾斜，其斜度一般為 0.2%，再涂上水玻璃，具有良好的密封性。
（8）流量計機殼隔板內表面，（配合面除外）均鍍銅，防止機殼生銹產生的粉未與高溫高壓的純氧接觸而引起打火燃燒。
（9）轉子、氣管路及氣體冷卻器等與氧氣直接接觸的零部件全部采用不銹鋼。
鑒于以上種種設計上的考慮，我廠設計生產的空分裝置中的插入式渦街流量計已日漸成熟，我們將不斷總結經驗，特別是用戶現場運行經驗，借鑒國外的先進技術，繼續完善氧壓機的設計，使我廠的氧壓機技術水平達到了國際先進水平。