中温中压PTA装置组装式向心膨胀机技术特点及故障预防

中温中压PTA装置组装式向心膨胀机技术特点及故障预防

刘凤祺智强王国欣

（沈阳鼓风机集团股份有限公司辽宁沈阳110869）

摘要：PTA即精对苯二甲酸，是生产聚酯薄膜、纤维及包装树脂的原料，是人们日常生活中不可缺少的、关系到国计民生的重要物资。工艺空气压缩机组（空气压缩机、尾气膨胀机、蒸汽轮机以及其它的辅助设备和控制系统等）是PTA装置的“心脏”设备，为氧化反应提供所需要的原料空气，是整个工艺流程顺利实现的前提保证。为了更充分、更有效地利用氧化反应中产生的余热蒸汽和尾气，达到整个装置运行的功率平衡，降低能源消耗，工艺空气压缩机组中尾气膨胀机的正常运转是至关重要的。

关键词：膨胀机；组装式；技术特点；故障预防

1导言

工艺气压缩机由副产蒸汽和尾气作为驱动能源的蒸汽轮机和尾气膨胀机联合驱动。启动时，汽轮机引外界高品质新鲜蒸汽驱动，待流程中产生副产蒸汽和尾气后，装置副产的蒸汽切入汽轮机，尾气进入膨胀机做功。尾气膨胀机，实现对化工尾气残余能量的有效回收利用。膨胀机作为蒸汽轮机的补充动力直接用于驱动压缩机，而蒸汽轮机是利用装置自身化学反应热产生的低品质副产蒸汽作为工作介质，机组不需要外界再额外提供能量，实现了工艺装置内部机组功率平衡。因为膨胀机是由高能头向低能头自然流动，依靠对叶轮的冲击做功，在工艺空气压缩机组中，将工艺流程中产生的尾气通过膨胀机，并尽可能多的回收能量。膨胀机是确保整套装置运行功率平衡的关键设备，加强对透平膨胀机使用、维护和保养的研究是非常必要的。

2组装式向心膨胀机技术特点

用于能量回收的膨胀机有轴流式和向心式两种，轴流式膨胀机组主要应用于大流量、大功率的尾气能量回收,本文不做论述。组装式向心膨胀机如下图所示，采用2级2段膨胀，2级膨胀均采用高效半开式三元叶轮，第一级与第二级采用不同转速，分别与两个小齿轮连接，确保较高的能量回收效率和可靠的性能。流程上采用逐级加热，结构上采用双级进口喷嘴叶片联动调节技术充分利用尾气余热余压，提高了能量回收效率，降低了机组能耗。采用管壳式蒸汽加热器，使用工艺流程中自产的低品位副产蒸汽，利用饱和蒸汽相变释放的潜热加热化工尾气，使尾气焓值增高，从而提高了尾气能量有效转化率。膨胀机设置尾气紧急速关阀，旁通冷却管线速开阀等，与流程尾气参数实时耦合，确保膨胀机的安全性。

组装式向心膨胀机剖面图

随着PTA装置规模的大型化，并且正常运行过程中要求装置对外来汽源的依赖越小越好，在启动过程中将压缩机部分压缩空气通过膨胀机回收，以降低对启动汽源的消耗。在装置运行过程中，有时需要将压缩空气直接导入膨胀机或直接排除，这些都需要膨胀机拥有较宽的稳定运行范围。

组装式向心膨胀机，采用可调进口导叶来满足膨胀机工况调节的需要。在透平机械中，转动通流部件进口平均直径与出口平均直径的比值（D1/D2）是进口导叶调节能力的最直观特征值。即D1/D2越大，导叶调节能力越强。可知，调节能力依次是向心膨胀机＞轴流压缩机＞轴流膨胀机＞离心压缩机，与轴流膨胀机相比，向心膨胀机的稳定运转范围更宽，适应变工况能力更强，并可以实现径向进气、级间加热、同机多转速匹配优化等功能。

3组装式向心膨胀机的常见故障

3.1叶轮损伤（磨损）

PTA装置用膨胀机工作介质主要是氧化尾气，氧化尾气有残余醋酸、溴离子的存在，具有较强的腐蚀性。叶轮在这种工况介质环境下运行，易发生叶片腐蚀及剥落现象。导致膨胀机转子动平衡破坏，使机器发生振动，严重时动叶轮盘与定子机壳的碰磨，造成机组损坏。

3.2轴头螺母松动

常规叶轮由轴头螺母通过螺纹连接锁紧固定在主轴上，在静载荷和工作温度变化不大时不会自动松脱。但在变载荷冲击和振动下，螺纹间的摩擦力可能在某一瞬时消失或减小，会使螺纹联接松动，螺母松动后会使轮盘与定子机壳发生严重摩擦从而造成损坏。

3.3喷嘴损伤

PTA尾气膨胀机工作介质具有较强的腐蚀性，喷嘴叶片尾部在运转中易产生腐蚀性气流冲刷，造成蜂窝状腐蚀，会造成喷嘴叶片损伤，影响机组性能机安全使用。

3.4喷嘴叶片支撑轴承卡死

喷嘴叶片支撑轴承卡死的原因：一方面，是因为当叶片轴及叶片轴孔本身的加工精度不够，不满足叶片轴及支撑轴承安装所需的同心度，造成叶片转动时产生的摩擦阻力矩过大而卡死；另一方案，是因为介质中的微小尘埃颗粒随离心力进入叶片轴孔及轴承内部，影响叶片轴与支撑轴承间隙及润滑，造成支撑轴承卡死。

4PTA组装式向心膨胀机常见故障的处理和预防

4.1防止转子失去动平衡

通过对膨胀机叶轮用材料耐蚀性能研究，选用耐蚀性能更加稳定的高强度合金钢作为叶轮的材料，提高叶轮本身的耐蚀性能。在机组投运后，定期检修叶轮，当叶轮附上灰尘和水锈时，使转子失去动平衡而诱发振动，必须彻底清扫灰尘和水锈。虽然用眼睛看不出叶轮腐蚀和磨损，但振动仍不能恢复原振动值时，则仍认为是清扫不干净引起的不平衡的缘故，须再次彻底清扫后进行动平衡校正。当叶轮因磨损和腐蚀使转子失去动平衡时，必须根据磨损和腐蚀的情况采取相应的措施，对叶片进行修复，修复后进行动平衡校正。

4.2防止叶轮固定螺纹联接松动

针对叶轮固定螺纹松动风险，优化轴头螺母结构，在膨胀机轴头设置预拉伸液压拉杆，并通过拉杆将叶轮固定在主轴上，轴头螺母与叶轮采用端面法兰把合结构，通过圆周均布的锁紧螺钉把紧，锁紧螺钉采用机械防松，通过设置防松垫片防止螺钉脱落。在轴头螺母的中央设置一个锁紧螺钉，将轴头螺母叶轮及拉杆连接成一个整体。通过上述改进结构，可满足机组长期运行的技术要求。在机组投运后，定期检修轴头螺母锁紧螺钉连接紧固情况，并使用力矩扳手进行锁紧。

4.3喷嘴防腐蚀处理

针对喷嘴叶片腐蚀问题，选用耐蚀性较强的耐高温高强度合金钢作为喷嘴叶片材料，并在喷嘴叶片表面采用化学镀镍-磷、制备氮化钛涂层进行表面强化。喷嘴壳选用不锈钢材料，并在型环、进口喷嘴叶片蜗壳处挡板表面喷涂复合可磨涂层。在机组投运后，定期检修喷嘴叶片及喷嘴蜗壳表面损伤状态并进行修补。

4.4防止喷嘴叶片支撑轴承卡死

通过在数控镗床上采用专用微调镗刀加工叶片轴孔，保证叶片轴孔两侧的同轴度不大于0.01mm。静叶支撑轴承使用无油润滑衬套，材料可选用含石墨成分的非金属衬套，这种衬套摩擦系数较小，在使用温度范围内摩擦系数受温度的变化影响较小，确保了在机组运行，叶片角度调节时所产生的摩擦阻力矩尽可小。在机组投运后，定期清洗无油润滑衬套，检查无油润滑衬套内孔尺寸，损毁严重时更换无油润滑衬套。

5结论

目前国内外先进的PTA工艺压缩机组制造商在中温中压工艺包三机组中，均采用组装式空气压缩机和组装式膨胀机的技术配置方案。PTA装置用能量回收机组是先进成熟单元技术的集成，在国家大力提倡高效节能型重大技术装备的今天，可广泛的移植到钢铁、石化等行业中大型能量回收机组中去。加强对组装式膨胀机组使用、维护和保养的研究，努力提高组装式膨胀机组运行维护的可靠性，为组装式膨胀机组的节能增效及稳定运行提供技术支撑，有利于组装式膨胀机组在能量回收装置领域的进一步推广。

参考文献

[1]郑志国，杨树华，孙丽莉，罗劲.大型PTA工艺气压缩机组国产化技术概述[J].通用机械,2010（02）：26.

[2]郑志国，李凤民，孙玉莹.向心膨胀机在大型PTA工艺气压缩机组国产化中的应用[J].风机技术,2009（02）：65-66.