硝酸四合一机组辅助系统设计与优化

GXF360 2017-06-20

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硝酸四合一机组辅助系统设计与优化

李志卓，陈久国，郭杨，关丽超

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳 110869）

摘要：硝酸四合一机组由汽轮机、氧化氮压缩机、齿轮箱、轴流空气压缩机、尾气透平膨胀机组成。机组设备多，轴系过长，而且存在齿轮箱平行轴，因此在机组从零转速升至工作转速过程中经常出现问题。通过走访国内多家大型企业，进行了详细的硝酸四合一机组升速问题调研，针对升速过程中普遍出现的问题进行了总结并提出了解决方案。

关键词：硝酸四合一机组；升速；盘车；齿轮箱

硝酸生产工艺有常压法、中压法、高压法、综合法、双加压法五种方法加。双加压法生产稀硝酸氨利用率高，铂消耗低，吸收率高，成品酸的浓度高，是目前世界上最先进的生产工艺之一，也是最适合国内硝酸生产的工艺方法。双加压法生产硝酸工艺，主要设备为四合一机组，由汽轮机、氧化氮压缩机、齿轮箱、空气压缩机、尾气透平组成，是硝酸装置的“心脏”设备。四合一机组设备多，轴系过长，而且存在齿轮箱平行轴，因此在机组启动、升速过程中辅助系统经常出现一些问题。通过走访国内多家大型硝酸生产企业，对采用双加压法生产硝酸装置进行了详细调研，都机组升速过程中普遍存在的问题进行了总结，并提出了相应的解决方案。

1 盘车装置设计问题

所谓“盘车”是指旋转机械或设备在启动之前通过外力使转子或者转子系统缓慢转动，用以判断传动部分是否有卡死或者阻力过大的现象，防止机组在启动过程中因转子有卡死或者刮碰现象导致损坏。盘车装置就是实现机组盘车的一种设备，通常内部为齿轮结构。盘车装置是根据机组整个轴系的静摩擦力矩进行选型和设计的。

单个转子静摩擦力矩 Mi＝f×p×r （1）

式中M为静摩擦力矩；f为钢对巴氐合金的摩擦系数，f～0.15-0.3，取f =0.25；p为转子重量；r为支撑轴承处轴半径。

机组转子轴系静摩擦力矩 M＝ΣMi （2）

硝酸四合一机组由机组设备多，轴系过长，各设备转子质量重，而且存在齿轮箱平行轴，静摩擦力矩和转动惯量都非常大。因此在机组盘车时经常出现盘不动，盘车齿轮损坏和盘车装置缸体开裂问题。以年产27万吨硝酸装置为例，汽轮机、氧化氮压缩机、齿轮箱、轴流空压机、尾气透平转子质量总和约为12000kg，折算到盘车装置上的静摩擦力矩为520N·m。根据盘车力矩确定盘车装置功率为3.3kW左右，但在国内某27万吨硝酸机组盘车时出现了盘车装置缸体外壳发生开裂问题，缸体对盘车棘轮导轨的支撑强度大大减弱，使盘车棘轮齿啮合时传递的力未能够全部传递到被盘动轴上，不能正常盘车。

虽然盘车电机功率能够满足盘车力矩要求，但是一般盘车装置为降低成本通常壳体采用铸造HT250材质，强度低。对于类似硝酸四合一这种大型轴系盘车经常出现问题，应该从材料选择方面进行优化设计，选用ZG230-450或更优质材料，并根据强度计算适当增加了缸体壁厚，提高缸体的刚性。通过以上优化设计后盘车装置能够满足机组盘车装置需求。

2 齿轮箱支撑轴承设计及优化

硝酸四合一机组由汽轮机、氧化氮压缩机、齿轮箱、空气压缩机、尾气透平五个设备组成，每个设备转子都有固有频率，而且转化到汽轮机端一阶临界转速跨度都比较近，需要快速升速通过所有一阶临界转速，考虑跨过临界转速后的隔离裕度，快速升速的转速跨度很宽。

某硝酸四合一机组的临界转速表如表1所示，在该机组升速过程中需要很快跨越三个临界转速，考虑隔离裕度，机组的快速升速范围为1600～4400r/min。

表1 某硝酸四合一机组临界转速表

折算到汽轮机(r/min)氧化氮压缩机(r/min)轴流压缩机(r/min)尾气透平(r/min) 2132 3016（一阶）3022 3760（一阶）3778 4700（一阶）

该机组齿轮箱传递功率很大，达到30000kW，齿轮箱支撑轴承的比压较高，机组运转时通过润滑油的油膜刚度承载转子轴承系统的载荷，润滑油的需求量随着传递功率和转速的增大而增加，所以机组在升速过程中润滑油的供应至关重要。由于硝酸机组临界转速很宽，有2800r/min,再快速通过临界转速时，轴承负载和线速度增速都非常快，支承轴承润滑油需求量急剧增加，如按照常规设计，轴承瓦块经常出现供油不足，轴瓦温度过高，出现烧瓦。跨越临界时轴瓦温度变化曲线如图1所示，轴瓦最高温度已经达到120℃左右。

图1 齿轮箱支撑轴承温度检测曲线

针对上述问题，应对齿轮箱支撑轴承体进行设计改进，提高轴承进油速度，以满足机组转速快速升高时对润滑油的需求。扩大轴承进油孔径，大约扩大到原来孔径的1.35倍，使单位时间内能够通过润滑油量比原来增加约50%；同时增大齿轮箱进油支管压力，齿轮箱转速上升时需要润滑油量增大，会导致供油支管压力下降，供油能力不足。根据润滑油压降考虑，将供油支管压力调至0.18MPa （G）较为合适。

3 联锁控制优化设计

如图2所示，硝酸四合一机组齿轮箱布置在中间，两边分别有汽轮机、氧化氮压缩机和轴流空压机、尾气透平。齿轮箱两侧设备转子都很重，而齿轮箱转子比较轻，在机组刚启动时由于齿轮箱两侧转子惯性很大，而且转子转速低，油膜不能很好的形成，对转子不能起到很好的支撑，导致大小齿轮啮合力方向发生改变，使大小齿轮轴产生角度，因此硝酸机组在200r/min时，齿轮箱支撑轴承容易产生振动过大而导致停车的现象。箱、空气压缩机、尾气透平组成，设备多，轴系长，而且存在齿轮箱平行轴，因此在机组启动、升速过程中辅助系统经常出现问题。通过分析问题的现象查找其产生的原因，从结构、控制等方面进行设计优化，使机组辅助系统得到改进满足使用要求。“硝酸四合一机组”是一种能量自平衡的节能型设备，类似机组如“硝酸三合一”，PTA机组，催化裂化机组、双驱动膨胀机组在石油化工、煤化工、冶金、空分等各个领都有广泛应用。“硝酸四合一”机组辅助系统的设计优化对于类似机组都具有较高的参

图2 机组布置示意图

此类现象主要发生在齿轮箱两侧转子重机组，有一定转速但未达到油膜刚度形成之前，虽然振动较大导致停车，但并不是轴承真正出现了机械问题，所有可以通过进行控制系统优化设计来实现机组开车。通过振动的频谱分析，确定轴承振动从开始增大到联锁停车的时间，经过几次启动升速之后即可以比较准确的掌握振动开始增大到振动回落，达到正常值的时间，通常为几秒钟，根据这一时间对齿轮箱支撑轴承振动联锁停车做延时，进行滤波，跨过振动区，实现开车。