CO2离心压缩机组推力瓦温高问题的分析

苏中帅，周 慧，王 硕，王延飞，王 俊

（沈阳鼓风机集团有限公司，辽宁 沈阳 110869）

CO2离心压缩机组推力瓦温高问题的分析

苏中帅，周 慧，王 硕，王延飞，王 俊

（沈阳鼓风机集团有限公司，辽宁 沈阳 110869）

目前国内多家煤化企业反映，CO2离心压缩机组的高压缸在运行期间止推轴承瓦温高，接近甚至超过机组温度报警值，严重影响机组的正常运转，给装置的安全也带来了隐患。根据用户提供的压缩机组现场运行参数，我们对各个机组现场运行情况进行了分析和总结，提出了解决的办法及处理问题的新思路。

止推轴承；轴向推力；轴向位移

0 引言

近年来，国内尿素装置用二氧化碳离心压缩机组，装置设计的产能也在不断增大，由早期的30/52大颗粒尿素装置到现如今的60/104大颗粒尿素装置。而最近几年常有用户反映CO2离心压缩机组在开车及运行期间出现止推轴承瓦温高，接近甚至超过机组检测系统的联锁报警值，给机组开车及生产带来很多问题，在开车过程中由于止推轴承瓦温高，致使机组运行转速无法升高，达不到机组设计运行点，机组不能正常开车；在运行机组，由于止推轴承瓦温高，机组不能再进行变工况升速调节，达不到设计的额定产能。这些问题不但影响了装置的安全和产量，也影响了客户的经济效益，而且增加了维修成本。针对这个问题，我们对用户现场问题机组的运行参数进行了综合分析与研究，总结了一些经验，并提出了解决办法与一些设计改进的新想法。

1 引起止推轴承瓦温高的主要因素

现在市场上大部分离心压缩机组使用的止推轴承为Kingsbury自平衡式，是由若干个止推块组成。止推块下垫有上水准块、下水准块、基环，相当于三层零件叠放在基环上，止推块与水准块之间通过球面支点接触。经过我们对大量压缩机组现场运行参数分析后，认为引起止推轴承瓦温高主要有以下几个方面因素：

1.1 轴承没有正确安装

（1）Kingsbury式止推轴承结构复杂多样，不同的生产厂家、不同的压缩机组在设计时采用的轴承的机构形式也不尽相同。有的止推轴承的止推块与水准块是对称结构的，有的是偏心结构的（见图1）。

图1 推力瓦块与水准块配合示意图Fig.1 Thrust segment with standard block diagram

偏心结构的止推瓦块安装时要注意安装方向，若安装反了，则会导致推力瓦温过高。

（2）安装间隙调节不当也会引起止推轴承瓦温高。应经常采取增加或减少非工作侧（副推）方向的调整垫片的厚度来调整。

1.2 轴承润滑油回路不畅

（1）轴承体外部进、回油结构设计不合理引起的推力瓦温过高。在产品设计过程中要根据轴承需要的润滑油量充分考虑进、回油口径的大小，以满足轴承润滑冷却用的润滑油量。

（2）轴承本身设计结构局限引起的推力瓦温过高。有的止推轴承带油控制环结构，但一般油控制环的出油口径设计偏小，导致轴承体内部润滑油不能及时排掉，大量热量在轴承体内蓄积造成。

1.3 机组转子系残余轴向推力大

现场运行时止推轴承瓦温高的CO2机组中，大部分机组都是由于转子系统轴向推力大引起的。

（1）转子轴向推力过大引起的危害：轻微的引起推力瓦温高，推力瓦磨损。严重的导致定子部件磨损，如机壳、隔板、密封等部件的磨损；更为严重的能使转子部件损坏，甚至能将整个机组转子报废。

（2）影响机组轴向推力的主要因素：有气动因素产生的轴向推力与非气动因素产生的轴向推力两种情况。此外，压缩机在用户现场运行时，压缩机各段压比对机组的轴向推力影响也比较大。机组各段的压比一定要与压缩机制造厂提供的设计值相匹配，否则机组的轴向推力就会偏离设计值。

（3）轴向推力计算的新思路：在产生轴向推力的因素中，气动引起的轴向推力是最直接的，也是最主要的。但常规的轴向推力计算，应用在高压力、重介质机组上。以下是转子轴向推力的计算方法：

图2 轴向推力计算简图Fig.2 The axial thrust calculation diagram

F1—叶轮进口气体对叶轮的作用力；F2—叶轮进出口气体轴向动量变化对叶轮产生的作用力；F3—轮盖外侧间隙气体对叶轮产生的作用力；F4—轮盘外侧间隙气体对叶轮产生的作用力；P0—叶轮进口处的静压；P1—轮盘外侧间隙气体对叶轮产生的作用力；Qm—介质的质量流量；u1z—叶轮入口处的切线速度；u2z—叶轮出口处的切线速度。

图3 离心力作用下的单元体模型Fig.3 Under the action of centrifugal force model of the unit cell

由于存在离心力的作用和级间的影响，叶轮进口处的静压P0沿径向不是一个恒定值，此时，叶轮进口气体静压对叶轮产生的轴向推力P1为：

现有算法假设叶轮进口气流静压均匀分布，此时：

叶轮进出口气体轴向动量变化对叶轮产生的作用力P2，根据牛顿动量定理：F2=Qm（u2z-u1z）。现有计算方法中一般简化为：F2=-Qmu1z。

由于进口速度无法直接求得，该力经常被直接忽略。因轮盘外侧气体受摩擦力的作用，间隙中的气体以角速度ωras旋转，对图中所示的微流体单元，根据力的平衡，得：

由此可得轮盘外侧间隙气体对叶轮产生的作用力：

不考虑叶轮出口盘侧盖侧压力及密度的差别时，叶轮轴向推力F等于：F=F4-F3-F2-F1。

假设轮盘轮盖外侧压力都等于出口压力，并且不考虑叶轮进出口气体轴向动量的变化：

当总压超过30ATA时，按照GE-NuoVo Pignone考虑二次效应的计算公式：

实际上离心压缩机在不同的转速下，压缩的工艺介质的不同，叶轮口圈密封及级间密封形式的不同，叶轮形式的不同，都会对机组的轴向推力产生影响；不同转速，不同流量系数对应不同的轴向推力，有泄漏与无泄漏时，叶轮两侧的静压不同，叶轮与定子部件间隙中气流的速度分布等等，也会对机组的轴向推力产生影响；综合考虑上述因素，对于已有计算结果的模型级系列，采用的公式如下：

2 用户现场问题解决实例

某CO2离心压缩机组高压缸2BCL356机型：用公式（1）设计时，转子系的轴向残余推力为984 kgf/cm2，平衡盘直径为 146 mm。我们采用新计算方法校核后：轴向残余推力实际为 1963kgf/cm2，比原计算结果增加了979kgf/cm2，增大了一倍。

平衡盘直径修改为152mm后，轴向推力与原设计值相当。其机组转子经返制造厂改造后，将平衡盘直径增加了6mm，重新装配运转后，止推轴承瓦温与轴向位移值均降到了正常设计值，与理论分析计算结果相符。

3 结束语

轴向推力大，推力瓦温度高，往往不是由一种因素所造成的，而是多种因素综合作用的结果。只有对所有因素进行综合分析，才可能制定切实可行的处理方案，取得令人满意的效果。笔者对上述项目设计过程中遇到的设计难点和关键点，进行了有限总结、分析和改进，希望能对后继设计以启迪和参考。

表1 叶轮进出口气动参数Tab.1 Aerodynamic parameters of impeller import and export

图4 用新计算方法计算的轴向推力结果Fig.4 The results of new calculation method to calculate the axial thrust

图5 平衡盘直径增加后的计算结果Fig.5 The calculation results of after balance drum diameter increases

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Analysis on High Temperature Issue of Thrust Bearing of CO2Centrifugal Compressor

SU Zhong-Shuai，ZHOU Hui，WANG Shuo，WANG Yan-Fei，WANG Jun
（Shenyang Blower Works Group Corporation Ltd.,Shenyang Liaoning 110869，China）

Currently,according to feedback from many coal-chemical enterprises in China,thrust bearing temperature of high pressure cylinder of CO2centrifugal compressor unit is high during operation period,which is close to or exceeds temperature alarm value of the unit; therefore it seriously affects normal operation of the unit,which causes potential safety hazard to the unit.upon operation parameters of compressor unit at site from our endusers,we have analyzed and summarized operation status of each unit at site,and thus brought forward solutions and some new ideas for trouble shooting.

thrust bearing；axial thrust；axial displacement

TB47

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.008

1002－6673（2014）03－020－03

2014－04－03

苏中帅（1979-），男，辽宁人，工学学士，主任科员。从事离心压缩机装置国际项目的开发与设计工作。