PTA（精对苯二甲酸）是重要的有机原料之一，主要用于生产聚酯（PET），是化纤行业的主要原料。PTA生产装置属于资金、技术密集型装备，国外大型PTA装备技术发展较早，长期以来一直处于领先和垄断地位。PTA装备技术发展至今已日趋完善，技术经济指标先进，且装置向大型化发展。单一PTA装置的产能从最初只有每年几万吨，到20世纪90年代初达到25万t/年，2003年建成了45万t/年的装置。

工艺空气压缩机组（空气压缩机、尾气膨胀机、蒸汽轮机以及其他的辅助设备和控制系统等）在PTA装置中位于整个工艺流程的源头，是该工艺生产的核心设备，具有反应余热能量回收利用和提供PTA工艺空气两大功能。在化学反应生产过程中固、液、汽三相共存，其研制横跨多学科、多专业领域。机组设计制造难度大，整套装置连锁控制点多。

当时，国际上能够生产PTA能量回收装置用压缩机组的知名供货商主要有德国曼透平公司、德国西门子公司和日本三菱公司等，他们在PTA能量回收装置用压缩机组研制方面起步非常早，且具有丰富的经验和业绩，具备世界一流的制造水平。这三家企业在全球占有较大市场份额，而且垄断了中国市场。

为摆脱国外技术对中国PTA市场的垄断，在各方努力下开展了相关的国产化研制工作。2009年6月，沈鼓集团承接了江阴市石化产业旗舰型项目——江苏海伦化学有限公司的120万t/年PTA项目的配套任务。随后沈鼓集团围绕大型PTA装置用离心压缩机所涉及的组装式向心膨胀机和压缩机优化设计、机组可靠性研究、耐蚀材料研究及应用、产品加工及装配、联动试验、系统优化和控制技术等方面开展了科研攻关，完成了PTA能量回收工艺空气压缩机组的国产化研制任务。主要研究内容如下：

1）PTA工艺空气压缩机组气动技术方案优化设计。

2）PTA一拖三工艺空气压缩机组工艺流程匹配性研究。

3）PTA工艺空气压缩机与膨胀机机械运转及性能试验。

4）大型组装式压缩机、膨胀机用蜗壳性能优化。

5）组装式透平机械叶轮型环间隙的分析与优化。

6）PTA组装式压缩机组复杂轴系动力特性研究。

7）关键零部件力学分析与结构优化。

8）大型组装式压缩机定子件结构分析。

9）PTA装置用工艺空气压缩机组控制系统的优化设计。

2010年6月，完成机组厂内安装、调试、整机性能试验（见图A-12）空载试车一次成功，各项指标完全达到设计要求及国际标准。

图A-12 厂内整机性能试验

2010年11月—12月，机械工业风机产品质量监督检测中心分别对该机组中空气压缩机和膨胀机进行了检测，压缩机在设计工况的质量流量、压比、轴功率等指标符合设计要求，达到合同规定，为合格产品。

2011年9月，该机组采取整装单元供货方式发往江苏海伦化学有限公司项目现场（见图A-13），进入现场调试阶段。2012年1月，机组调试成功。2012年2月，完成了国内首个大型PTA空压机组的“交钥匙工程”，这标志着国产化120万t/年PTA机组已经达到国际先进水平。

图A-13 江苏海伦化学有限公司项目机组现场

2012年9月，该机组通过了科技成果鉴定，认为大型PTA装置用工艺空气压缩机组成套设备达到了研制合同要求，在用户现场运行平稳，各项技术指标运转良好。该机组的主要性能和关键技术指标达到了国际先进水平，可广泛应用于冶金、化工、煤炭等行业。(www.daowen.com)

沈鼓集团在多年离心压缩机组设计、制造经验和技术积累的基础上，自主研制出采用多项先进单元技术的具有国际先进水平的PTA能量回收工艺空气压缩机组。该机组的主要技术关键和创新点如下：

（1）机组匹配性设计 该机组同时包含了化工尾气余热余压利用的能量回收膨胀机与压缩工艺空气的离心压缩机，两台相互影响的功能性设备的匹配性设计是技术关键。空压机的气动设计核心是确保空压机的能头和通流能力的前提下，尽可能提高效率。膨胀机则要求尽可能回收尾气残余能量，其流量、压阻、效率要匹配，同时有尽可能大的调节范围以适应工艺条件的变化。机组的核心控制是确保空压机工艺性能，再通过膨胀机进口导叶与进口阀门综合控制膨胀机的工艺参数。

（2）机组气动性能设计

1）压缩机气动设计。采用自主开发的组装式压缩机气动设计软件，通过LKZX四参数方程准确计算各级凝结水析出气量，确保压缩机性能计算的准确性。采用高效、高能头三元离心模型级，确保整机压比大，效率高。采用逐级冷却方式，使压缩机更接近等温压缩过程，在同能压比的情况下，尽可能降低机组能耗。

2）膨胀机气动设计。采用自主开发的CAERT气动设计软件，通过比转速计算合理分配膨胀比，确定工作转速。采用中间加热方式，充分利用化工尾气余压，获得更好的能量回收效果。采用双级进口喷嘴叶片可调机构，调节范围为-8°～8°预旋调节，保证宽广的稳定运行区域，确保在各种变工况条件下高效回收尾气能量。

（3）机组的高可靠性

1）转子动力学分析。采用具有自主知识产权的转子动力学分析软件RBSP对轴流压缩机转子-轴承系统进行了横向振动和扭转振动特性的分析，保证了转子具有合格的隔离裕度和良好的稳定性。

2）各结构部件的结构优化分析。对有限元分析软件ANSYS进行二次开发，编制专门的分析程序对齿式整体组装式膨胀机和压缩机的齿轮轴、叶轮、喷嘴、壳体、螺栓、专用工装等主要部件进行强度、刚度等性能分析，优化了机组结构，极大地提高了压缩机运行的平稳性和可靠性。

3）关键旋转件动力特性分析和测试。对膨胀机和压缩机中最关键的旋转件——叶轮进行了离心力和温度场作用下的模态分析和实验测试，确保叶片的各阶固有频率与其所受的转速激励和气流激励具有足够的隔离裕度，保证机组能够长周期安全可靠地工作。

4）设置了冷却空气阀。在事故停机或者尾气切除情况下，从空压机中引入部分压缩空气对膨胀机进行冷却，避免膨胀机空转造成设备过热而损坏。

（4）机组结构设计

1）优化齿轮箱结构，缩短轴承跨距，使转子刚性大，稳定性好，在异常条件下其转子不易被激发大幅振动，有效提高机组的运行稳定性。

2）采用高强度沉淀硬化不锈钢制造叶轮，有效提高机组关键部件的使用寿命。

3）型环采用可磨涂层，避免了较小设计间隙下意外刮碰对叶轮造成的伤害，有效提高机组安全性，同时降低了叶顶泄漏，保证了较高的效率。

（5）控制系统设计 机组采用双重冗余控制系统（CCC+HIMA）实现机组的控制、空压机性能调节、防喘振保护、紧急放风保护、防逆流保护、膨胀机性能调节、能量回收控制、冷却空气控制等，有效保护机组的安全稳定运转。

PTA能量回收工艺空气压缩机组的研制成功，是我国整体齿轮组装式能量回收工艺空气压缩机组设计制造技术的重大突破，填补了国内空白。继该压缩机组在江苏海伦化学有限公司现场稳定运行后，沈鼓集团设计制造的大型PTA装置用压缩机组先后在中石化扬子石化分公司、绍兴远东石化、中石化上海石化等单位得到推广应用，极大地提高了国产机组的市场认可度，打破了国外垄断，促使国外同类压缩机组供应商在中国市场大幅度降低其产品价格。

“大型PTA装置用离心压缩机组研制”获2013年国家重点新产品奖、中国机械工业科学技术奖一等奖、2014年辽宁省科学技术奖二等奖。