關(guān)于空分裝置中用插入式渦街流量計組的研究
點(diǎn)擊次數：1719 發(fā)布時(shí)間：2021-01-06 11:43:25
摘要：隨著(zhù)現代化工業(yè)的不斷發(fā)展，不論是鋼鐵企業(yè)，還是石油、化工等部門(mén)，對空分中制氧裝置的要求，無(wú)論是數量，還是技術(shù)水平，都需亟待提高，促使制氧裝置中的關(guān)鍵設備之一的氧氣插入式渦街流量計不斷增加和迅速發(fā)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(jìn)行詳細說(shuō)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(yáng)鼓風(fēng)機廠(chǎng)杭州制氧機廠(chǎng)等。沈鼓從 1976 年開(kāi)始引進(jìn)意大利新比隆公司離心壓縮設計、制造技術(shù)，包括離心氧壓機，但由于當時(shí)計劃經(jīng)濟，受行業(yè)分工的限制，沈鼓未生產(chǎn)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(zhù)市場(chǎng)經(jīng)濟的發(fā)展，1992 年沈鼓廠(chǎng)為攀鋼設計生產(chǎn)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(chǎn)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(lái)又先后為通化鋼廠(chǎng)，邯鄲鋼廠(chǎng)制造了兩臺10000Nm 3 /h，壓力為 31kg/cm 2 氧壓機，北臺鋼廠(chǎng) 1 臺 6000Nm 3 /h，壓力 31kg/cm 2 的氧壓機。進(jìn)入 21 世紀，我廠(chǎng)先后又設計制造了 10 多臺 6000 ～ 20000NM 3 /h 的制氧機。隨著(zhù)沈鼓廠(chǎng)設計制造氧壓機數量逐漸增多，技術(shù)水平也逐漸提高。我們在這一方面也積累了一些經(jīng)驗，沈鼓廠(chǎng)針對小流量、高壓比的氧壓機主要如下技術(shù)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(guān)鍵設備，其安全性、可靠性、運轉平穩性是保證機組長(cháng)周期、長(cháng)壽命安全可靠、連續運行的*重要目標，為實(shí)現這一目的，我廠(chǎng)在消化、吸收，引進(jìn)技術(shù)的基礎上用了近八年的時(shí)間，投入了大量的人力、物力、財力，與西安交通大學(xué)等院（校）所共同開(kāi)發(fā)了達到**先進(jìn)水平或**水平的計算軟件包，并已成功地應用在產(chǎn)品設計上。
新開(kāi)發(fā)的聯(lián)接管線(xiàn)優(yōu)化設計計算程序，尚屬?lài)鴥瓤瞻?。它可自?dòng)優(yōu)化布置設計管線(xiàn)走向及支吊架的位置、支承剛度，還可計算出管線(xiàn)的應力、自振頻率、管端力、力矩大小，管路氣體流動(dòng)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(chǎng)生產(chǎn)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(jīng)過(guò)試驗并實(shí)際驗證過(guò)的。每個(gè)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(chǎn)周期。針對氧壓機的特殊特點(diǎn)，在設計制造中我們有所改進(jìn)。
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(guān)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(kāi)，避免軸承殼體內油進(jìn)入機殼內。上機殼在必要時(shí)可以很容易地進(jìn)行拆卸與組裝，便于維護、檢修和使用。兩缸四個(gè)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(wú)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(jìn)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(dòng)平衡后的殘余軸向推力，又可承受任何結構形式的聯(lián)軸器在允許偏差內所引起的軸向推力。全部采用膜片聯(lián)軸器，不用潤滑，壽命長(cháng)，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(guò)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(gè)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(jìn)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(dòng)，因為氧氣的流動(dòng)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(dòng)死區，也降低了氣體的流動(dòng)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(guò)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(guò)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(jìn)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(shí)，為保證流量計停車(chē)前必需的供油，因此，設有高位油箱。自控系統能在事故狀態(tài)下對氧壓機實(shí)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(lián)鎖與排出氧氣的閥門(mén)與充入氮氣聯(lián)鎖。還能?chē)婪来?，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(fā)熱和著(zhù)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(lián)鎖停機。軸振動(dòng)及軸位移設置流量計軸振動(dòng)和軸位移監視還有軸承溫度，以便在正常工作時(shí)檢查和出現故障時(shí)報警及停車(chē)。
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(wèn)題就是防火問(wèn)題。因此，怎樣保證正常運轉而不起火，是氧壓機設計中的關(guān)鍵問(wèn)題。
（1）機組入口設置了 1 臺獨立的氧氣過(guò)濾器，它對進(jìn)入機組的氧氣進(jìn)行過(guò)濾，以免氣體中灰塵、砂粒等雜物進(jìn)入缸內，在高、低壓缸之間也設置有過(guò)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(jiǎn)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(jìn)入下一段進(jìn)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(huán)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(lián)軸器聯(lián)接，它具有不需潤滑，減振和壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，其中，低壓缸與變速機間的聯(lián)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(wàn)分不致過(guò)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(gè)腔，高壓缸兩軸端密封均有四個(gè)腔，其中*內側的腔為高壓缸高壓氧氣自動(dòng)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(jìn)行流動(dòng)。
（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(chǎn)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(chǎng)設計生產(chǎn)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(jīng)驗，特別是用戶(hù)現場(chǎng)運行經(jīng)驗，借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)，繼續完善氧壓機的設計，使我廠(chǎng)的氧壓機技術(shù)水平達到了國際先進(jìn)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(yáng)鼓風(fēng)機廠(chǎng)杭州制氧機廠(chǎng)等。沈鼓從 1976 年開(kāi)始引進(jìn)意大利新比隆公司離心壓縮設計、制造技術(shù)，包括離心氧壓機，但由于當時(shí)計劃經(jīng)濟，受行業(yè)分工的限制，沈鼓未生產(chǎn)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(zhù)市場(chǎng)經(jīng)濟的發(fā)展，1992 年沈鼓廠(chǎng)為攀鋼設計生產(chǎn)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(chǎn)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(lái)又先后為通化鋼廠(chǎng)，邯鄲鋼廠(chǎng)制造了兩臺10000Nm 3 /h，壓力為 31kg/cm 2 氧壓機，北臺鋼廠(chǎng) 1 臺 6000Nm 3 /h，壓力 31kg/cm 2 的氧壓機。進(jìn)入 21 世紀，我廠(chǎng)先后又設計制造了 10 多臺 6000 ～ 20000NM 3 /h 的制氧機。隨著(zhù)沈鼓廠(chǎng)設計制造氧壓機數量逐漸增多，技術(shù)水平也逐漸提高。我們在這一方面也積累了一些經(jīng)驗，沈鼓廠(chǎng)針對小流量、高壓比的氧壓機主要如下技術(shù)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(guān)鍵設備，其安全性、可靠性、運轉平穩性是保證機組長(cháng)周期、長(cháng)壽命安全可靠、連續運行的*重要目標，為實(shí)現這一目的，我廠(chǎng)在消化、吸收，引進(jìn)技術(shù)的基礎上用了近八年的時(shí)間，投入了大量的人力、物力、財力，與西安交通大學(xué)等院（校）所共同開(kāi)發(fā)了達到**先進(jìn)水平或**水平的計算軟件包，并已成功地應用在產(chǎn)品設計上。
新開(kāi)發(fā)的聯(lián)接管線(xiàn)優(yōu)化設計計算程序，尚屬?lài)鴥瓤瞻?。它可自?dòng)優(yōu)化布置設計管線(xiàn)走向及支吊架的位置、支承剛度，還可計算出管線(xiàn)的應力、自振頻率、管端力、力矩大小，管路氣體流動(dòng)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(chǎng)生產(chǎn)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(jīng)過(guò)試驗并實(shí)際驗證過(guò)的。每個(gè)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(chǎn)周期。針對氧壓機的特殊特點(diǎn)，在設計制造中我們有所改進(jìn)。
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(guān)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(kāi)，避免軸承殼體內油進(jìn)入機殼內。上機殼在必要時(shí)可以很容易地進(jìn)行拆卸與組裝，便于維護、檢修和使用。兩缸四個(gè)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(wú)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(jìn)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(dòng)平衡后的殘余軸向推力，又可承受任何結構形式的聯(lián)軸器在允許偏差內所引起的軸向推力。全部采用膜片聯(lián)軸器，不用潤滑，壽命長(cháng)，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(guò)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(gè)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(jìn)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(dòng)，因為氧氣的流動(dòng)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(dòng)死區，也降低了氣體的流動(dòng)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(guò)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(guò)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(jìn)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(shí)，為保證流量計停車(chē)前必需的供油，因此，設有高位油箱。自控系統能在事故狀態(tài)下對氧壓機實(shí)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(lián)鎖與排出氧氣的閥門(mén)與充入氮氣聯(lián)鎖。還能?chē)婪来?，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(fā)熱和著(zhù)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(lián)鎖停機。軸振動(dòng)及軸位移設置流量計軸振動(dòng)和軸位移監視還有軸承溫度，以便在正常工作時(shí)檢查和出現故障時(shí)報警及停車(chē)。
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(wèn)題就是防火問(wèn)題。因此，怎樣保證正常運轉而不起火，是氧壓機設計中的關(guān)鍵問(wèn)題。
（1）機組入口設置了 1 臺獨立的氧氣過(guò)濾器，它對進(jìn)入機組的氧氣進(jìn)行過(guò)濾，以免氣體中灰塵、砂粒等雜物進(jìn)入缸內，在高、低壓缸之間也設置有過(guò)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(jiǎn)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(jìn)入下一段進(jìn)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(huán)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(lián)軸器聯(lián)接，它具有不需潤滑，減振和壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，其中，低壓缸與變速機間的聯(lián)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(wàn)分不致過(guò)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(gè)腔，高壓缸兩軸端密封均有四個(gè)腔，其中*內側的腔為高壓缸高壓氧氣自動(dòng)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(jìn)行流動(dòng)。
（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(chǎn)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(chǎng)設計生產(chǎn)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(jīng)驗，特別是用戶(hù)現場(chǎng)運行經(jīng)驗，借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)，繼續完善氧壓機的設計，使我廠(chǎng)的氧壓機技術(shù)水平達到了國際先進(jìn)水平。