关于空分装置中用天然气流量表组的研究

摘要：随着现代化工业的不断发展，不论是钢铁企业，还是石油、化工等部门，对空分中制氧装置的要求，无论是数量，还是技术水平，都需亟待提高，促使制氧装置中的关键设备之一的氧气天然气流量表不断增加和迅速发展。本文主要对天然气流量表运行的稳定性和安全可靠性、天然气流量表结构、氧气透平流量计辅机系统和氧压机安全防火措施等几方面进行详细说明。
目前，**上能够独立设计、制造离心式氧压机的公司有：瑞士苏尔寿公司、德国德马格公司、意大利新比隆公司、美国克拉克公司、日本日立公司、中国沈阳鼓风机厂杭州制氧机厂等。沈鼓从 1976 年开始引进意大利新比隆公司离心压缩设计、制造技术，包括离心氧压机，但由于当时计划经济，受行业分工的限制，沈鼓未生产氧压机。20 世纪 80 年代，沈鼓为山东齐鲁石化公司设计制造 1 台 6000Nm 3 /h，压力 13kg/cm 2 的氧压机。90 年代以后，随着市场经济的发展，1992 年沈鼓厂为攀钢设计生产了* 1 台 10000Nm 3 /h, 压力为31kg/cm 2 的氧压机。1993 年，又为天津乙烯工程项目设计生产了* 1 台 6000Nm 3 /h，压力 31kg/cm 2 的氧压机，已安全运行两年了。后来又先后为通化钢厂，邯郸钢厂制造了两台10000Nm 3 /h，压力为 31kg/cm 2 氧压机，北台钢厂 1 台 6000Nm 3 /h，压力 31kg/cm 2 的氧压机。进入 21 世纪，我厂先后又设计制造了 10 多台 6000 ～ 20000NM 3 /h 的制氧机。随着沈鼓厂设计制造氧压机数量逐渐增多，技术水平也逐渐提高。我们在这一方面也积累了一些经验，沈鼓厂针对小流量、高压比的氧压机主要如下技术方面处于**地位。
1 天然气流量表运行的稳定性和安全可靠性分析
天然气流量表是装置中关键设备，其安全性、可靠性、运转平稳性是保证机组长周期、长寿命安全可靠、连续运行的*重要目标，为实现这一目的，我厂在消化、吸收，引进技术的基础上用了近八年的时间，投入了大量的人力、物力、财力，与西安交通大学等院（校）所共同开发了达到**先进水平或**水平的计算软件包，并已成功地应用在产品设计上。
新开发的联接管线优化设计计算程序，尚属国内空白。它可自动优化布置设计管线走向及支吊架的位置、支承刚度，还可计算出管线的应力、自振频率、管端力、力矩大小，管路气体流动损失大小、定位键的应力大小等，从而提高了装置设计水平和机器运行的平衡性。
2 天然气流量表结构
沈鼓厂生产的各种系列天然气流量表主要结构件：机壳、隔板、叶轮、密封等都是在完善结构尺寸，系列规划后，建立起积木组合设计的结构型谱。所有系列化的结构元件都经过试验并实际验证过的。每个标准系列化元件图都存档案图库中，或存于电脑图库中，任何新参数，特殊工艺流程要求的流量计，均能应用规划好的系列结构件，并积木式设计出新机组，可大大缩短设计周期和生产周期。针对氧压机的特殊特点，在设计制造中我们有所改进。
低压缸和高压缸均为水平剖分型，由上下机壳组成，系列机壳全部为焊接机壳，不仅外观美，且流道光滑，易于镀铜，两端轴承壳体采用铸钢并与下机壳焊接在一起，与上机壳分开，避免轴承壳体内油进入机壳内。上机壳在必要时可以很容易地进行拆卸与组装，便于维护、检修和使用。两缸四个轴端部位均为低温端，温度在 42℃以下，因此，特别安全可靠。
隔板采用焊接隔板，与氧气接触的表面均镀铜。扩压器采用无叶扩压器，可以获得良好的喘振特性，与有叶扩压器相比，工作范围宽，安全可靠。级间及轴端密封全部采用拉别令密封。密封体用铜或铝合金材料，其中缸内密封为镶银片结构。这些特殊材料的应用，可使密封间隙小，内泄漏少，减少耗功。低压缸转子为四级两段，叶轮背靠背布置：高压转子为六级三段，叶轮可根据需要配置于末端或中间位置；这样，既可平衡轴向推力，又可降低轴端压差，减少外泄漏量。径向轴承采用可倾瓦轴承，设在机壳的进口与出口侧，大轴承体上内衬有白合金。推力轴承采用金斯伯雷式，有主推力轴承和副推力轴承，既可承受气动平衡后的残余轴向推力，又可承受任何结构形式的联轴器在允许偏差内所引起的轴向推力。全部采用膜片联轴器，不用润滑，寿命长，为了防止感应电流，我们在变速要与低压缸间采用电气绝缘。流量计各段气体管路都有接地要求。低压缸、高压缸、变速机采用整体底座。通过地脚螺栓固定在水泥基础上，底座下有高速垫铁，因此，安装方便。流量计本体与底座之间设有横向导向键和纵向导向键，每个猫爪下面都设有高速螺钉和高速垫片，以便安装找正。
3 氧气透平流量计辅机系统
氧气透平流量计辅机系统有气体冷却器、润滑油装置、先进的自控系统等几大方面。氧压机的气体冷却器，采用填料函浮头式冷却器，管束为直管，氧气在管内流动，因为氧气的流动速度本身不能太高，氧气走管内可增大通流面积，降低流速，避免流动死区，也降低了气体的流动阻力，提高效率。此种结构、管整可以自由伸缩，避免了温差大引起的热胀应力。润滑油装置中油站为流量计、电机轴承及齿轮供油。由油箱、油泵、油冷却器、油过滤器及排烟机等组成，按 API614 标准设计、制造，两套油泵、油冷却器、油过滤器等互为备用，因此，润滑油装置可以在不停机的情况下进行检修和清洗，并保证供油系统安全可靠。在停电等情况下，油泵停止时，为保证流量计停车前必需的供油，因此，设有高位油箱。自控系统能在事故状态下对氧压机实施保护，任何原因引起的事故停机，都需急速排出氧气，并立刻充氮，因此，停机联锁与排出氧气的阀门与充入氮气联锁。还能严防喘振，一是避免机件碰撞损坏，二是避免氧气湿度高，碰憧中引起机壳内部件发热和着火。每段出口处设置氧气温度检测，如果高于所规定温度以上便报警及联锁停机。轴振动及轴位移设置流量计轴振动和轴位移监视还有轴承温度，以便在正常工作时检查和出现故障时报警及停车。
4 氧压机安全防火措施
氧压机与其他气体流量计相比，核心问题就是防火问题。因此，怎样保证正常运转而不起火，是氧压机设计中的关键问题。
（1）机组入口设置了 1 台独立的氧气过滤器，它对进入机组的氧气进行过滤，以免气体中灰尘、砂粒等杂物进入缸内，在高、低压缸之间也设置有过滤器，它一般装在气体管道中，以缩小装置的占地面积并使气管路大大简化。
（2）氧压机分若干段，在相邻两段间均设置气体冷却器 1 台，它使上段出口的高温氧气冷却到规定的温度而进入下一段进口，在机组的出口也设置有 1 台气体冷却器，它使机组出口的高温氧气冷却到规定的温度，然后输送到规定的流程中去。中间环节一旦有温度超高现象出现，我们还设置了相应的报警停机措施。
（3）在变速机与低压缸之间以及高低压缸间均采用膜片联轴器联接，它具有不需润滑，减振和寿命长等优点，其中，低压缸与变速机间的联轴器具有绝缘作用，防止主电机的静电流入氧压机缸办引起火花而燃烧。
（4）为减少缸内氧气外漏，使防火墙内的氧气万分不致过高，高、低压缸均采用了充气密封，把惰性气体（N 2 ）引人端密封外侧的氮气腔室，汽缸内的氧气只能漏到轴端密封内侧的氧气腔室，处于中间的氮和氧的混合腔内的混合气体被引到室外放空，从而保证了防火墙内的氧气浓度始终在允许的范围内。
（5）流量计的低压缸两轴端密封均有 3 个腔，高压缸两轴端密封均有四个腔，其中*内侧的腔为高压缸高压氧气自动平衡腔，其他与低压缸同位。从内向外依次是氧气平衡腔、氮氧混合腔、氮气腔，其功能是靠一定压差封住流量计内氧气，使氧气、混合气、氮气按设计规律进行流动。
（6）轴承箱的内侧油封也设有充氮气腔以阻止油气外漏。
（7）为了具有良好的密封性，机壳法兰中分面需要精加工，下机壳向外倾斜，其斜度一般为 0.2%，再涂上水玻璃，具有良好的密封性。
（8）流量计机壳隔板内表面，（配合面除外）均镀铜，防止机壳生锈产生的粉未与高温高压的纯氧接触而引起打火燃烧。
（9）转子、气管路及气体冷却器等与氧气直接接触的零部件全部采用不锈钢。
鉴于以上种种设计上的考虑，我厂设计生产的空分装置中的天然气流量表已日渐成熟，我们将不断总结经验，特别是用户现场运行经验，借鉴国外的先进技术，继续完善氧压机的设计，使我厂的氧压机技术水平达到了国际先进水平。