VPSA修改-精简

对VPSA系统机械设备优化的研究

阳谷祥光铜业有限公司 能源中心 辛庚嘉

摘 要

在现代金属冶炼中，除了需要鼓风吹入空气之外，还需要提供大量的纯氧，这样可以明显地提高金属产量并可以节约能源。随着金属冶炼工业的发展，对氧气的需求量与日俱增。由于工业对氧气的需求量过大，并且要求氧气的纯度非常高，无法从自然界中直接提取氧气。制取氧气的原料有水、空气和氧化物。其相应的制取方法是水电解法、空气分离法和化学法。而空气分离法又分为膜分离法、低温法和变压吸附法。风机在制取氧气的工艺中起着举足轻重的作用，是大耗能的部位之一。我国的风机设计一般采用一元流设计方法和二元流设计方法。本次研究就是基于变压吸附制氧工艺（VPSA）的基础上对鼓风机进行的一次改造，目的是在保证产量不变得情况下节约能源。

关键词：制氧；风机；三元流

一、引 言

真空变压吸附制氧技术是一种新型的从空气中制取富氧的技术，真空变压吸附（VACUUM PRESSURE SWING ADSORPTION，简称VPSA），是一个近似等温变化的物理过程，它是利用气体介质中不同组分在吸附剂上的吸附容量不同而产生的气体分离，吸附剂在压力升高时进行选择性吸附，在压力降低至负压时得到脱附再生。

二、VPSA系统中各类鼓风机的原理与应用

（1）罗茨风机为定容积式风机，输送的风量与转数成比例，三叶型叶轮每转动一次由2个叶轮进行3次吸、排气，与二叶型相比，气体脉动变少，负荷变化小，机械强度高，噪声低，振动也小。叶轮互为反方向匀速旋转，使箱体和叶

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轮所包围着的一定量的气体由吸入的一侧输送到排出的一侧。各支叶轮始终由同步齿轮保持正确的相位，不会出现互相碰触现象，因而可以高速化。

（2）离心式鼓风机中，当电机转动带动风机叶轮旋转时，叶轮中叶片之间的气体也跟着旋转，并在离心力的作用下甩出这些气体，气体流速增大，使气体在流动中把动能转换为静压能，然后随着流体的增压，使静压能又转换为速度能，通过排气口排出气体，而在叶轮中间形成了一定的负压，由于入口呈负压，使外界气体在大气压的作用下立即补入，在叶轮连续旋转作用下不断排出和补入气体，从而达到连续鼓风的目的。 同等功率下，风压和风量一般呈反比。

（3）回转式鼓风机结构精巧靠汽缸内偏置的转子偏心运转，并使转子槽中的4支叶片之间的容积变化。在运转中利用鼓风机的压力差自动将润滑送到滴油嘴，滴入汽缸内以减少摩擦及噪声，同时可保持汽缸内气体不回流。

离心鼓风机、罗茨鼓风机、回转式风机的特性的区别如下：

（1）罗茨鼓风机属于恒流量风机，工作的主参数是风量，输出的压力随管道和负载的变化而变化，风量变化很小。在负载需要恒流量效果的情况下使用。

（2）离心风机属于恒压风机，在负载需要恒压效果的情况下使用。 （3）罗茨鼓风机一般来说风量比较大，压力也比较大，同样罗茨风机噪音也很大。

（4）回转式鼓风机的特点是低转速，低噪音，低振动，高效率，高节能。在需要风量比较小，对噪音要求比较高的情况下就选用

（5）轴流风机（叶片式）的主要特点也是恒风压运行，当压力变化或管道内有阻挡物时，便会自动调整送风量来保证风压的恒定。轴流式泵与风机适用于大流量、低压力，电厂中常用作循环水泵及送引风机。

三、对现场设备功能的核算与改造执行

叶轮机械是转轮上装有叶片的一切动力机械的总称， 它的应用遍及国防及国民经济的所有部门，甚至人们的日常生活。为了减少能源危机的压力，世界各国都已投入大量人力和物力研究叶轮机械的三元流动理论和设计方法。叶轮机械内部的气体实际流动是十分复杂的过程 旋转、三元、不定常、粘性、有传热、可压缩、非完全气体，有时甚至是带相变的多相流体的流动, 必须交替考虑相对

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与绝对流动，而且，流场内还可能出现间断面，如附面层分离、激波、惯性分离，描述这样复杂的流动的方程是非线性的，边界条件也十分复杂，这给数学求解带来无法克服的困服，因此人们只能建立合理的近似模型来进行计算。

3.1三元流技术简介

所谓三元流动，其含义是指在实际流动中，所有流动参数都是空间坐标系上三个方向变量的函数。其通用理论的中心思想是将叶轮机械内部非常复杂、难以求解的三元（空间）流动,分解为相交的两族相对流面上比较简单的二元（流片）流动，只使用这两族流面就可以很容易地得到三元流场的近似解，同时使用这两族流面进行迭代计算，可以得到三元流动的完整解。

所谓“三元流叶轮”是指应用三元流理论设计、制造的叶轮，这种叶轮的叶片在空间上是扭曲的，与气体的实际流动更相适应，其效率更高。

目前三元叶轮技术发展迅速，三元叶轮设计可分为两大类， 一类是正命题设计方法，一类是逆命题设计方法。前者是先有叶轮的几何形状和尺寸再进行叶轮内流场分析，根据分析结果判断叶轮设计的好坏，再去修改所设计叶轮的形状和尺寸直到满意为止。后者是先有所希望的流场，后计算得到这一流场的叶轮几何形状和尺寸，它是利用三元流动正命题公式，通过输入叶轮内2 或3 根流线上的叶片压力面与吸力面速度差沿流线的分布， 通过一系列假定,实现用已知流场求得叶轮几何形状和尺寸的目的。

3.2“全可控涡”三元叶轮设计方法

“全可控涡”三元叶轮设计方法解决了叶轮内全部流场控制与叶片光滑加工之间的矛盾。在设计时采用三元流动逆命题公式，输入叶轮内全部流体质点的“涡”( 速度环量) 分布，直接得到三元叶片的型面，从而达到控制叶轮内全部流体质点的速度分布。大大缩短了叶轮设计的计算时间，而且可确保宽叶片或小轴向尺寸条件下设计计算收敛。“全可控涡”三元流离心式鼓风机设计与制造技术，改变了国外引进技术的“直线元素”三元叶轮只能自由控制叶顶和叶根2 个流体质点的运行状态，可实现对叶轮内部全部流体质点运行状态的控制，其效率可比一般三元流叶轮提高2%以上，较二元设计的叶轮提高效率8%～12%，整机效率可

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达84%～86%，它是目前离心鼓风机中效率最高的。这种技术制造的风机叶轮的子午面、回转面及叶片线型设计采用了任意曲面设计方法。

“全可控涡”三元叶轮的制造加工采用整体铣制工艺, 整体锻件在数控加工中心直接将叶片铣制在叶盘上，以保证叶片形状与气动设计完全符合。这样既保证了鼓风机效率，而且叶片与叶盘一体又可以保障叶轮强度。叶轮的叶盘和盖盘均采用高强度合金钢制成，组焊成叶轮组件，并且焊后采用整体热处理进行工艺调质，这样不仅可确保叶轮的整体晶粒组织细密，而且可以消除焊后应力，从而大大提高了叶轮运行的安全可靠性。而定子扩压叶片采用数控铣制安装角度固定可调节式的机翼型叶片，具备了鼓风机组与焦炉管网相匹配的调整手段。

3.3“全可控涡”三元叶轮技术的应用

随着我国焦化行业扩建和新建焦炉的增多，煤气回收系统中鼓风机的回收能力就显得不足了。以往解决这类问题的主要途径有2 种: 一是扩建风机机房, 增加新的风机或更换旧的风机；二是采用双鼓风机并联的运行方式，以提高煤气的回收能力。前者耗资巨大, 后者不但操作困难，运行成本高，而且减少了备用风机，严重地威胁到焦化生产的正常运行。因此上述2 种方法都有缺点。采用“全可控涡”三元叶轮技术对旧风机进行改造是完全可行的。

采用“全可控涡”三元叶轮技术设计制造的节能型压缩机转子已广泛应用于风机制造行业，目前成功应用该技术改造鼓风机的例子有很多，并获得了良好的经济效益，举例如下：南昌钢铁公司炼铁厂的D900- 2.8/0.97 型鼓风机改造；安阳钢铁公司焦化厂的D1200- 2- 5 型鼓风机改造；南京钢铁公司焦化厂的D750- 2- 1 型煤气鼓风机改造。

目前西安交大采用“全可控涡”三元叶轮技术设计制造的缸内静叶可调型“全可控涡”三元叶轮煤气离心式压缩机组性能优越, 较二元风机的效率提高了约12%，较普通三元风机的效率提高了约3%，且机组使用的电动机功率较小，如济南钢铁公司4 台D900 风机使用的是630kW电机、重钢焦化厂D1470 风机使用的是1 000kW 电机、唐钢集团D3000 风机使用的是1 600kW电机。

总之，“全可控涡”三元流离心式鼓风机设计与制造技术是目前离心鼓风机中效率最高的，节能效果明显。利用“全可控涡”三元叶轮技术改造鼓风机是目

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