大型离心压缩机设备制造的新特点
大型离心压缩机设备制造的新特点
关键词：离心压缩机 制造业 新特点 机组效率 运行可靠
摘 要：在经济全球化和激烈竞争的背景下，压缩机制造业面临着机组规模大型化、运行成本更低、运行周期更长以及按期交货更困难等挑战。为应对这些挑战,国 内外压缩机制造企业相继进行了战略重组、技术升级和设备改造，在压缩机的设计制造和技术进步等各方面都呈现出一些新的特点。
作者：王玉台
国内的压缩机制造企业应借国家大力推进装备制造业振兴的良好时机，不断提高管理能力、技术水平和产品质量，在国际市场上与国外企业一比高低，为提高我国民族制造业的水平做出贡献。
1、产业集中度更高
近十年来，特别是2000年以来，国外离心压缩机制造业经历了不断地并购重组，2000年，日本EBARA公司购买了美国ELLIOTT公司的全部股份，组建了ELLIOTT-2EBARA透平机械公司。2001年，德国MAN集团重组了GHH BOSIG和苏尔寿，形成了MAN TURBO公司；SIEMENS并购了DEMAG DELEVAL公司，重组为SIEMENS透平机械部，1994年以来，GE并购了新比隆、AC等压缩机制造厂，成为压缩机行业的领先企业。国内的压缩机制造企业也进行了兼并重组，沈阳鼓风机厂重组了沈阳气体压缩机厂，锦西化机压缩机部分被SIEMENS收购，成为SIEMENS葫芦岛透平公司。
经过重组整合，过去一些著名的压缩机制造企业，如苏尔寿、DEMAG、GHH等都改换了门庭，国外大型离心压缩机制造商形成了GE、SIEMENS、MAN TURBO、MHI、DRESSER-RAND 和ELLIOTT-EBARA等大型离心压缩机集团企业。
这些压缩机制造商的母公司，基本上都是大型跨国公司，像GE、MHI本身也是金融业大鳄，业务范围广，人力资源丰富，资金雄厚，能够投入巨大的技术研发和设施改造资金，使压缩机制造商的竞争优势更加明显，市场地位突出，在部分类型的压缩机上形成寡头垄断地位。如大型LNG压缩机，GE占有绝大部分的市场份额，大型乙烯压缩机，ELLIOTT-EBARA、MHI和SIEMENS三分天下，大型空分压缩机，MAN TURBO和SIEMENS各据半壁江山。
2、大型化技术渐趋成熟
近年来，生产装置的大型化趋势日益明显，以乙烯装置为例，在20世纪60、70年代，乙烯装置规模在200kt/a以下，到90年代达到 600～800kt/a，2000年以后，则达到1000～1400kt/a，未来几年，2000kt/a规模的乙烯装置将变为现实。预计 2000kt/a规模的乙烯装置的裂解气压缩机组功率将超过100MW，压缩机重量将近千吨。此外大型LNG装置、大型空分装置的发展，都推进了压缩机的大型化进程。
为满足大型化的要求，压缩机制造企业在大型转子、大型壳体等设计制造技术方面进行了大量的研发工作并取得了长足的进步，大型壳体的内直径达到 3.6～3.8m，大型转子直径达到1.5～1.75m，广泛应用了大型壳体有限元分析，大型转子的分析软件技术更加先进。通过增添加工设备、扩大生产厂房、增建大型试车台，提升了制造大型压缩机的能力，国外已有了轴功率达70MW的压缩机制造业绩，其配套汽轮机功率达到了80MW。
3、设计制造一体化和产品系列化趋势明显
近年来，国内外大型压缩机制造企业加大了内部资源的整合力度，通过优化内部资源配置，设计研发力量更加专注于核心技术的开发和提高， 工厂的加工制造能力更加集中，通过专业化分工和协作，实施统一的生产管理系统、质量保证体系和试车试验程序，保证压缩机组整机的可靠性和按期交货。
国外压缩机制造企业，业务范围涵盖了与压缩机相关的主要辅助机械。不但生产压缩机，同时也设计制造汽轮机、燃气透平甚至电机，MHI、GE、 DRESSER-RAND和SIEMENS无一例外，EBARA以前需外购汽轮机，但现在也由ELLIOTT-EBARA自己生产。这种产品的多元化，使压缩机制造厂内部信息交流更为通畅，减少了责任界面，对异常情况反应更为快捷，实现了对用户的单点负责。
国外压缩机制造企业广泛采用了模块化设计，入口壳体、出口壳体、轴承体、中间流通部件及叶轮等压缩机主要构件，都被设计成标准化的系列结构，实现了设计制造的快速、高效和低成本。
4、机组效率和运行可靠性不断提高
由于机组的大型化，单台机组的功率达数万千瓦，提高效率以减少功耗，可显著降低机组的运行成本。以百万吨级乙烯裂解气压缩机为例，机组效率每提高1%，可节省功耗500kW以上，年运行成本可减少数百万元。因此，国内外压缩机制造企业都在努力提高压缩机效率，近年来压缩机的多变效率达到89%以上，表1为国外某公司近年来效率的改进情况。
提高效率的主要部位集中在叶轮及回流器、扩压器等静止部件上，通过对叶轮和静叶片的三元流设计、从入口到出口的全流程的CFD、优化设计和制造工艺及加气抽气的流道改进等，压缩机的整机效率显著提高。
在提高效率的同时，努力提高机组运行的可靠性，减少故障和计划外停车。为此，高速动平衡技术逐渐成为基本的制造工序，通过各种技术措施降低机组运行的振动值，运用60管理程序加强设计制造过程的质量管理，将备用转子与主机同时采购，以减少转子故障带来的损失，节省大修的时间。
为提高效率和运行的可靠性，压缩机制造企业采取了一系列有效地措施。在技术进步上加大了资金投入，如GE，从2000年到2005年，6年共投入3.27亿美元，研发资金年均增长37%；开展技术升级活动，如MHI的EDGE（Evolution and Development for Growth and Expansion），以及ELLIOT T-EBARA的逆向解析法设计技术等；扩大三元流技术的应用范围，叶轮设计从准三元流发展到全三元流，把三元流动分析技术应用到叶片扩压器等静止部件的设计中；广泛应用新的设计分析软件，与高等院校、科研单位合作开发新的应用软件，提高设计水平；广泛应用数控加工中心，研发新的加工方法，增添新的加工设备，提高加工制造精度。
5、试车验证能力得到高度重视
由于装置的大型化，压缩机作为装置的核心设备，其延期投用或非计划停车，损失都将是压缩机直接采购成本的数倍之巨，因而用户除要求进行标准规定的试验外，一半以上的用户要求进行全负荷性能试验，以确保设计制造的质量和在高效区内运行。
国外压缩机制造商非常重视基本级试验，试验设施齐全，单级试验台能力达到2500kW，试验叶轮直径可达800mm。压缩机基本级试验集中在基本级的进出口结构、加气抽气影响及局部结构的优化(如预旋、消旋结构等) 和大直径、大流量、高压力的基本级的模型试验。通过对各种性能参数的试验测量分析，不断优化基本级参数，提高基本级效率。如GE通过试验分析，从2003 年开始采用新的基本级，叶轮效率提高2%～3%，稳定运行范围增加5%～10%。
压缩机组的试验能力不断提高，国外压缩机厂都可同时进行7～8台机组的试验，有的可同时进行十多台机组的试验。同时试车手段多样化，可用电机驱动，也能够用汽轮机或燃气透平驱动。电机的驱动功率高达50MW。为满足大型乙烯装置压缩机试车的要求，MHI、SIEMENS和GE新建的压缩机试车台已经投用或将要投用，其驱动功率达到100MW以上，可进行2000kt/a规模乙烯压缩机的全负荷性能试验。
同时，国外压缩机制造商也非常重视试验结果的利用，把试验作为压缩机制造的一个重要环节。通过设计制造试验及分析优化设计制造的循环，实现设计要求和试验结果的高度一致，提高压缩机组性能的可预测性。
6、技术上的新进展
（1）叶轮制造技术
3D叶轮在大型离心压缩机上得到全面应用，叶轮制造普遍采用“两件焊”，钎焊和开槽焊技术在叶轮制造中广泛应用，GE生产的压缩机主要采用单件整体铣制的三元叶轮和电腐蚀加工的二元叶轮，整体铣制、电腐蚀加工和钎焊技术可高度自动化，加工的叶轮精度高，制造缺陷少，制造时间短，促进了转子水平的提高。
（2）密封技术
干气密封得到了广泛应用，高压、高温、低压、特殊介质的干气密封的成功应用，提高了压缩机密封的可靠性。级间密封使用了内衬泰氟隆材料的可接触式迷宫密封，提高级间密封的效果。通过在压缩机轴端密封增加消旋控制气，可减少气体回流引进的扰动，提高转子稳定性。静密封通过增加副密封环，提高高压环境下静密封的密封性和可靠性。
（3）减振环
密闭在压缩机轴承外侧的减振环，通过与轴之间的油膜，吸收转子不稳定运行时产生的激振力，提高转子的运行稳定性。
（4）直接润滑轴承
可减少润滑油消耗，降低轴承温度，节省压缩机的功率消耗。
（5）防止叶轮积垢技术
乙烯裂解气压缩机由于含有不饱和烯烃，高温下容易在转子上聚集， 引进转子振动和动静部件的摩擦磨损，为防止转子上的积垢，国外开发了防止积垢的转子涂层技术，但广泛应用的仍然是喷水喷油技术，包括可在线拆卸清洗的喷嘴、优化喷水位置和喷水量等。
日益优化的设计技术，先进的制造装备，完善的试车验证能力和不断丰富的经验，支撑着压缩机技术的不断发展。与国外相比，国内压缩机制造企业不论在压缩机的基本级水平、设计手段、制造工艺、试车验证能力及生产与技术管理，还是在压缩机产品的振动、噪音、外观、可靠性和经济性方面，都还存在不小的差距。国内的压缩机制造企业应借国家大力推进装备制造业振兴的良好时机，不断提高管理能力、技术水平和产品质量，在国际市场上与国外企业一比高低，为提高我国民族制造业的水平做出贡献。
来源：《石油化工设备技术》