过程装备与控制工程学科前沿技术

过程装备与控制工程前沿技术
一、快速原型制造(RPM)技术
快速原型制造技术是三维CAD技术、数控技术、激光技术、材料工程技术等多项前沿技术的有机集成，其特点是能以最快的速度将CAD模型转换为产品原型或直接制造零件，从而使产品开发可以进行快速测试、评价和改进，以实现完成设计定型，或快速形成精密铸件和模具等的批量生产能力，因此RPM技术对于化工设备的试制以及相关零部件的制造将具有革命性的影响。

在化工装备的研究、放大、生产等诸环节均有广泛的应用前景。

RPM技术则是单件或小批量产品的理想制造系统。

以异形板式换热器为例，当换热器材料为铝、钢等时，可采用层合实体成型(LOM)、选域激光烧结(SLS)、熔融沉积造型(FDM)、三维喷涂豁接等RPM技术制作出原型。

当原型在强度、表面质量等方面不足时，可采用高温烧结、液态金属浸、涂、镀等后处理方法，不但一般可满足设计要求，而且还可以探索采用RPM技术研制以新型材料为基础的低成本、高强度或满足特殊要求的新型异形板式换热器。

如应用立体印刷成型(SLA)技术研制高分子材料、复合材料类型的异形板式换热器；利用选域激光烧结、三维喷涂粘接等技术研制陶瓷材料类型的异形板式换热器。

RPM技术不仅可应用于异形板式换热器的开发，该技术对其它单件、非标、异形或结构复杂零部件的开发与制造均具有突出的优势，并已有较多的成功经验。

以大型容器的制作为例，德国采用焊接成型(全焊缝金属零件制造)技术，制造的产品尺寸可达数米，性能可与传统方法相当。

目前，利用快速原型制造手段开发新产品的主要优势体现在快速性，一般可比传统方法缩短时间5—10倍，且可节省大量人力、物力、财力，可与其他工作并行开展，并可在正式产品投放市场前，了解用户的意见，把握市场反应，对确保新产品开发的成功率具有重要价值。

化工装备用户对产品种类、性能的要求千差万别，产品发展速度快，新产品开发的不确定性因素多，市场竞争激烈，解决这类问题正是快速原型制造(RPM)技术的优势所在。

二、在役再制造技术
汽轮机、离心式压缩机、往复式压缩机等典型过程装备在役再制造支撑技术有：效率提升关键技术、装备与过程匹配性技术、故障预测与健康管理技术等。

1.效率提升关键技术
⑴减少离心式压缩机转子级间密封泄漏的软密封技术压缩机工艺气体会通过轴端密封、叶轮密封、级间密封、平衡盘密封等所有梳齿密封泄漏。

当压缩机采用窄叶轮并且压力由低到高排列时，定子部件梳齿密封由工程塑料代替常规的钢质梳齿密封更为有效，它的间隙仅有钢质梳齿密封的30%~40%，节能可达2%-8%（依压缩机大小、叶轮流量系数、叶轮配置和压缩比而变化）。

⑵提高通流部分气动效率的叶轮三元流场设计技术如果在设计中选用流量系数φ为
0.07~0.1，且采用三元叶轮（扭曲叶片）时，离心式压缩机会达到最高可能的效率。

⑶减少离心式压缩机平衡盘或叶轮口环级间密封泄漏的蜂窝密封技术蜂窝密封技术适用于高温、高压差工况，对于同一进气压比，梳齿式蜂窝密封的泄漏量明显小于蜂窝、梳齿的密封泄漏量，静子为蜂窝密封、转子为梳齿密封结构相结合效果较好。

⑷降低平衡盘气流扰动激振的反旋流密封技术大型离心式压缩机组转子平衡盘密封增加反旋流结构，能提高转子系统动力稳定性；与无反旋流密封相比，反旋流密封可有效降低密封
有效刚度，增加密封的等效阻尼，提高密封的稳定性。

2.装备与过程匹配技术
1)往复式压缩机无级气量自适应调节技术往复式压缩机无级气量自适应调节技术可实现0%~100%负荷范围内无级气量调节，相比“出口打回流”、“可变余隙容积”等往复式压缩机气量调节方式，该技术能够根据工艺过程需求自适应调整流量大小且运行高效、节能。

2)离心泵、离心式风机变频调速流量自适应调节技术变频调速因其调速效率高、力能指标（功率因数）高、调速范围宽、调速精度高、可以软启动、对电网电流冲击小、能够延长设备使用寿命且能够实现自适应控制，是鼠笼型电动机拖动的风机、水泵理想的调速节能方案。

3)离心式压缩机防喘振优化控制技术离心式压缩机防喘振优化控制技术能使离心式压缩机在设计工况范围内压喘振控制线运行、防喘振阀关闭且投自控运行，是离心式压缩机本质安全、可靠、高效运行的关键技术。

4)液体余压回收再利用液力透平技术工艺过程大量高压液体通过减压阀或孔板减压泄放造成能量被浪费掉。

采用液体余压能量回收液力透平技术，将其高压液体压力能转换为液力透平的机械能，以轴功率的形式输出利用达到回收能量的目的。

5)故障自愈化技术对机器复杂系统运行状态及工况实时监测，探测分析可能产生故障的条件及早期故障征兆，采用比较判别、诊断预测、智能决策和主动控制方法在运行中使机器系统不具备产生故障的条件或自行将故障消除在萌芽状态中，或在运行中自行修复机器部件的损伤，从而机器可不停机由异常状态恢复到正常状态。

3.故障预测与健康管理技术
1)转子多频率成分振动自适应变阻尼变刚度减振技术和磁流变阻尼减振技术旋转机械转子采用磁流变阻尼器和粘滞阻尼器复合阻尼器减振。

转子的振动传递到磁流变阻尼器和粘滞性阻尼器活塞上，通过推动活塞在磁流变阻尼器和粘滞阻尼器中做往复运动吸收和耗散振动能量来达到减振目的。

采用复合阻尼器，既可以在转子过临界转速时抑制振动，又可以在转子系统的非临界状况下抑制振动。

2)基于大数据分析的预测性维修技术基于设备振动、工艺、电力等海量监测数据，开展数据抽取与集成、数据分析（机器学习、数据挖掘、统计分析）、数据解释（可视化、人机交互）等大数据分析，建立机器聚类自适应学习机制，利用知识提取算法进行横向（机器-机器）和纵向（时间-时间）比较，给用户提供日常运行维护、在线检测、预测性维护、故障预警、诊断与修复、运行优化建议。

3)基于工业物联网的装备健康能效监测诊断技术建立基于工业互联网的设备健康能效监测远程运维平台，能够对设备上传数据进行有效筛选、梳理、存储与管理，并通过数据挖掘、分析，实时评估设备健康度、可靠性和运行效率。

三、新型过程装备虚拟装配技术
将新型高效节能换热设备设计技术与计算机辅助设计技术相结合，利用三维CAD数字化建模和装配仿真技术，进行新型高效换热设备现代设计技术研究与开发。

所开发的新型高效节能换热设备装配子系统，操作简便，快捷高效，其自动化程度可使普通设计人员的设计质量达到专家水平，设计质量和设计效率大幅提高，其可操作性及效率均明显优于二维CAD系统。