合成氨氮气压缩机的研制

黄映富

摘要：合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨，为一种基本无机化工流程。现代化学工业中，氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料。本文对于合成氨中适用的氮气压缩机为研究对象进行详细的介绍。

绪论

虽然我国早已开始新能源的研发和投入使用，但是对于煤的使用仍然占据工业生产、生活的主要位置，尤其是内地城市水资源缺乏，发电、取暖、生产等都依赖于煤炭的供应。煤炭燃烧产品的污染性颗粒物体及气体，是破坏空气质量，引起雾霾的主要原因之一，尤其是劣质煤产生的危害更大国家相关部门已经将劣质煤列入严禁使用的名单。为了综合利用劣质煤，中煤集团所属平朔公司劣质煤综合利用示范项目全面启动，包括一套30万吨/年的合成氨装置（副产液化天然气1.1亿标方/年）、两套18万吨/年的硝酸装置和两套20万吨/年的硝酸铵装置，配套建设供电、供水、蒸汽等公用工程。

合成氨反应式如下：

（该反应为可逆反应，等号上反应条件为：“高溫高压”，下为：“催化剂”）

合成氨需要在高温高压下进行，我们需要提高氮气的压力。

1.氮气压缩机的选型计算

在平朔公司项目中氮气的进口流量为10700Nm3/h，入口压力为4.70ata，入口温度为40℃，出口压力为33ata，可调节范围75-105%。

CALC300 是沈鼓集团从意大利引进的气动计算程序，它以 LKZX方程为基础实现热物性计算，同时在相似模化设计中使用了从新比隆引进和沈鼓集团自主开发的大型叶轮基本级数据库。根据 CALC300 程序计算结果，该氮气离心压缩机机型为3MCL607，型号释义3表示压缩机需要多段压缩，带中间冷却器，M 表 示压缩机安装形式为水平剖分形式，C L表示压缩机采 用无叶扩压器，60表示压缩机叶轮名义直径600mm，7表示压缩机缸内叶轮级数7级。

压缩机设计正常工况轴功率为9760KW，转速为8575rpm，最大工况轴功率为10820KW，转速为8818rpm，压缩机整机效率80%。驱动机使用汽轮机驱动，转速调节范围为6430-9260rpm。

2.压缩机设计的要点

2.1 叶轮

叶轮采用沈鼓开发的高效大流量三元叶轮。该系列叶轮该叶轮是沈鼓总结多 年该类压缩机设计经验，其具有流量系数大，能头系数高的特点，保证压缩机的整机效率达到国内一流水平。该叶轮采用闭式铣制焊接方式。

2.2 材料选择

由于该压缩机转速较高，叶轮的圆周速度达到300m/s，对材料的要求较高。所以选取了FV520B作为叶轮材料。FV520B是马氏体沉淀不锈钢，具有低温力学性能优良，在高温回火下有很好的低温拉伸性能。当冷却液氮温度是仍旧保持常温下的机械性能。

2.3 叶轮强度以及叶轮口圈变形计算

压缩机叶轮强度计算采用通用的计算软件A N S Y S 进行，在三维软件中对叶轮进行建模并通过接口导入到A N S Y S 软件中进行应力及变形计算。

经计算，叶轮在跳闸转速下的最大等效应力为858MPa，小于材料屈服极限880MPa，符合材料要求，应力分布如图 1 所示。

在跳闸转速下轴孔的径向变形如图2所示，轴孔最大径向变形量为0.328mm，设计半径最小过盈量0.217mm，满足50%接触要求。

2.4 转子不平衡响应及稳定性分析

离心压缩机运行时转子经常受到压力、离心力和非稳定形式流体激励的综合作用，发生剧烈振动，并产生相应的噪声，严重的会引起共振。为了避开转子的临界转速，不平衡响应以及转子的稳定性分析是非常有必要的。

2.4.1 转子不平衡响应

转子的不平衡响应分析采用RBSP软件。RBSP是沈鼓集团与西安交通大学、上海复旦大学联合开发的转子动力学分析软件[6] 。该软件是根据转子动力学理论、API 617-2002标准和沈鼓集团产品的实际需求，开发出的转子—轴承系统动力特性分析软件。该软件能完成实模态分析、不平衡响应分析、复频率坎贝尔分析、一级稳定性分析和扭转共振分析。

转子的不平衡响应分析如图3所示。

经分析，转子一阶临界转速（图4）为3553rpm，放大系数5.07，要求格力裕度13.10%，实际隔离裕度46.28%;转子二阶临界转速（图5）为17911rpm，放大系数5.96，要球隔离裕度23.97%，实际隔离裕度97%。转子不平衡响应符合设计要求。

2.4.2 转子稳定性分析

一级稳定性分析结果（对数衰减率-交叉耦合刚度曲线图）如图所示，图中显示了转子一阶正进动对数衰减率与交叉耦合刚度的关系，QA为预期的交叉耦合刚度，Q0 为产生零对数衰减率所要求的交叉耦合刚度。当轴承间隙取最小值时，Q0/QA=2.38，对数衰减率 =0.20815，需要看API 图的CSR 值决定是否需要进一步稳定性分析。当轴承间隙取最大值时，Q0/QA=3.5，对数衰减率 =0.34945，需要看API 图的CSR 值决定是否需要进一步稳定性分析。

由图7一阶稳定性原则筛选图中可看出，CSR值落在A区，满足API617标准，不需要进行进一步稳定性分析，转子的设计符合要求。

3.研制结果

该氮气压缩机在出厂前进行了机械运转试验，试验表明整机运行良好，转子运转稳定，转子振动小于23.5 .该压缩机的设计符合API617的标准，相关性能达到国内领先水平。

参考文献：

[1] 周芒.大型离心压缩机叶轮疲劳分析[D].大连：大连理工大学，2013.

[2] 成大仙.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2] 徐忠.离心式压缩机原理[M].北京：机械工业出版社，1990.

（作者单位：沈阳鼓风机集团股份有限公司）