螺旋沉降離心機扭矩高的原因分析及改進
技術(shù)支持
蘭州石化公司（以下簡稱蘭州石化）高密度聚乙烯裝置采用三井油化淤漿法工藝，裝置設(shè)計能力未7萬t/a。螺旋沉降離心機是該工藝流程中用于分離己烷溶劑和聚乙烯粉料的關(guān)鍵設(shè)備。裝置投產(chǎn)初期，因轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速過高引起扭矩過高，致使離心機頻繁停車，無法正常運轉(zhuǎn)，生產(chǎn)不能連續(xù)穩(wěn)定地進行。
1 離心機概況
裝置使用的是吉林化學(xué)工業(yè)公司（以下簡稱吉化）機械廠制造的LWF1050-N型螺旋沉降離心機。
主要技術(shù)參數(shù)（設(shè)計值）如下：轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速n=1580r/min；轉(zhuǎn)鼓錐角2α=20°；螺旋升角β=8.2°；排渣能力Q=13t/h；分離因數(shù)Z=1465；電機功率N=185kW；電機轉(zhuǎn)速N1=988r/min；差速器比i=80/81；差動轉(zhuǎn)速△n=19r/min；轉(zhuǎn)鼓長高L=1500mm；溢流孔直徑h=110mm；轉(zhuǎn)鼓大端直徑r1=1040mm；轉(zhuǎn)鼓小端直徑r2=820mm；皮帶輪直徑d=590mm。
裝置投產(chǎn)初期，離心機運行不正常，在不到半年的時間里，因各種原因停車多達70余次，其中突出的原因是扭矩過高聯(lián)鎖停車，或因剪切銷剪斷而跳車。
2 離心機扭矩偏高的原因分析
2.1 理論分析
根據(jù)力矩平衡原理，設(shè)定逆時針方向為正向，分別對離心機3個傳動部件差速器、外轉(zhuǎn)鼓、內(nèi)轉(zhuǎn)鼓做力矩分析。
在差速器平穩(wěn)運行時，如果不考慮摩擦損失，整個行星齒輪傳動系上力矩代數(shù)和應(yīng)為零，輸入和輸出功率的代數(shù)和也為零。
推料阻力施加給內(nèi)轉(zhuǎn)鼓的力矩是由聚乙烯粉料沉渣在轉(zhuǎn)鼓錐筒部的離心力與轉(zhuǎn)鼓壁的摩擦力及其與螺旋頁面的摩擦力所產(chǎn)生的，由于沉渣在從脫水區(qū)大端向小端出渣口運動的過程中，回轉(zhuǎn)半徑是逐漸減小的，離心力、螺旋升角和沉渣運動的方向角也隨之改變。
離心機的扭矩與分離因數(shù)成正比，與負(fù)荷成正比。因為分離因數(shù)與轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的平方成正比，與轉(zhuǎn)鼓半徑成正比，所以，離心機的扭矩與轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的平方成正比。
通過以上分析，得出下面結(jié)論：在轉(zhuǎn)鼓尺寸一定的條件下，離心機的扭矩受轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的影響。在負(fù)荷一定的條件下，離心機的扭矩只受轉(zhuǎn)速的影響。
2.2 同類裝置離心機參數(shù)的比較
蘭州石化7萬t/a HDPE裝置的設(shè)計是采用揚子石化公司（以下簡稱揚子）同類生產(chǎn)線工藝，由于考慮到以后的擴容問題，蘭化離心機在設(shè)計時生產(chǎn)能力由7萬t/a改擴到了10萬t/a，處理量由9t/h增加到13t/h。技術(shù)參數(shù)也做了相應(yīng)的調(diào)整。2套裝置離心機的參數(shù)大端直徑D、轉(zhuǎn)速n、分離因數(shù)Z（n2·D/2g）如下表所示：
名稱 | D/mm | n/(r/min) | Z | M/kg·m |
揚子離心機 | 1010 | 1450 | 1194 | 8.4 |
蘭州石化離心機 | 1050 | 1580 | 1465 | 13.8 |
從2套裝置離心機的參數(shù)可以看出，蘭州石化離心機生產(chǎn)能力的提高在設(shè)計上是通過增大轉(zhuǎn)鼓直徑及提高轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的。
離心機轉(zhuǎn)鼓按照 標(biāo)準(zhǔn)，離心機轉(zhuǎn)鼓的基本參數(shù)符合下表的規(guī)定：
基本型號 | D/mm | n/(r/min) | Z |
LW800 | 800 | 1250～2000 | 700～1790 |
LW900 | 900 | 1000～1600 | 500～1290 |
LW1000 | 1000 | 900～1400 | 450～1100 |
LW1120 | 1120 | 800～1250 | 400～980 |
從上表的參數(shù)可以看出，按照臥式螺旋卸料沉降離心機制造的 標(biāo)準(zhǔn)，隨著離心機轉(zhuǎn)鼓直徑的增大，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和分離因數(shù)相應(yīng)地在減小。揚子離心機的基本參數(shù)與 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)參數(shù)基本吻合，而蘭州石化離心機的基本參數(shù)與國標(biāo)規(guī)定的技術(shù)參數(shù)相差甚遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)速和分離因數(shù)明顯偏大，違背了離心機直徑越大，轉(zhuǎn)速和分離因數(shù)應(yīng)相應(yīng)減小的規(guī)律。
因此，可以斷定離心機故障是轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速過高造成的。
3 改造效果
3.1 改造方案
因為離心機扭矩與分離因數(shù)成正比，分離因數(shù)與轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的平方成正比，所以，降低離心機扭矩較便捷的方法是降低轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速，在電機一定即輸入轉(zhuǎn)速不變的前提下，減小電機皮帶輪或增大轉(zhuǎn)鼓皮帶輪均可降低轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，但比較而言，減小電機皮帶輪的方法更為簡單可行。因此，參照其他裝置的技術(shù)參數(shù)，將電機皮帶輪直徑由原來的590mm降低到530mm。
3.2 改造后扭矩降低情況的理論推算
電機皮帶輪減小后，離心機扭矩應(yīng)有較大降低。以離心機負(fù)荷為13t/h（聚合投料量9t/h）為例進行計算，得到2種皮帶輪分別對應(yīng)的轉(zhuǎn)鼓所受總扭矩值及差速器一級太陽輪所受扭矩值如下表所示：
皮帶輪直徑/mm | 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速n/(r/min) | 分離因數(shù)Z | 扭矩M/kg·m | 扭矩M1/kg·m |
590 | 1580 | 1162 | 1057.6 | 13.1 |
530 | 1434 | 955 | 869.2 | 10.7 |
上表所列數(shù)據(jù)是忽略了液相己烷對轉(zhuǎn)鼓產(chǎn)生的扭矩，且將渣料濕含量看作均衡的30%計算得出的。由于液相己烷也會對轉(zhuǎn)鼓產(chǎn)生微小的扭矩，渣料濕含量在整個出料段是逐漸降低的，在出料段起始部分其濕含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于30%，所以，上表所列扭矩值比實際扭矩值要稍偏低。
由上表可見，皮帶輪直徑改小后，分離因數(shù)降低近20%，離心機扭矩M1降低了約19%。
3.3 改造后實測扭矩
電機皮帶輪減小后，在負(fù)荷為13t/h時，實際測得離心機扭矩M1保持在9.5～10.8之間，與上表計算值基本吻合。
4 結(jié)論
（1）蘭州石化7萬t/a HDPE裝置離心機的擴容設(shè)計選用轉(zhuǎn)速偏高，超出了離心機轉(zhuǎn)速規(guī)定指標(biāo)，由此引起了設(shè)備在投運后的一段時間內(nèi)無法正常平穩(wěn)運行。
（2）在保證目前生產(chǎn)負(fù)荷13t/h的前提下，設(shè)備轉(zhuǎn)速由1580r/min降低為1434r/min，從根本上改善了離心機的運行狀況，運行周期長達半年以上。由此可見，對離心機故障的原因分析是準(zhǔn)確的，改造的費用不高，措施簡單，實用有效，達到了預(yù)期的目的。
（3）改造后渣料濕含量無明顯增大，也能滿足7萬t/a的生產(chǎn)能力。但改造后機組實際上負(fù)荷能達到多少，改造后是否會帶來其他問題，還有待于進一步考核。
