(中國(guó)平煤神馬集團(tuán)許昌首山焦化公司，河南許昌 461700)

中國(guó)平煤神馬集團(tuán)(許昌)首山焦化公司制氫廠是首山焦化2009年底新上的化工項(xiàng)目，主要以首山焦化公司焦?fàn)t煤氣為原料，采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的變壓吸附工藝生產(chǎn)純氫，也是目前國(guó)內(nèi)最大的焦?fàn)t煤氣制氫裝置。純度為99.99%的產(chǎn)品氫氣通過17 km管線送至中國(guó)平煤神馬尼龍化工公司，作為生產(chǎn)尼龍66鹽的重要原料。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了煤化工到尼龍化工領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)延伸，形成了世界上最完整的煤基尼龍化工產(chǎn)業(yè)鏈。作為制氫廠核心部分的壓縮機(jī)是保證不間斷向尼龍化工輸送氫氣的動(dòng)力之源。

但是，2011年1月18日～2月8日，7臺(tái)壓縮機(jī)中的4臺(tái)壓縮機(jī)電機(jī)軸分別出現(xiàn)斷裂，更換新的電機(jī)軸需要3個(gè)月。為了能不間斷向用戶輸送氫氣，采用了降低變壓吸附壓力等方法，解決了供氣危機(jī)。

1 裝置流程簡(jiǎn)介

制氫裝置工藝流程是:經(jīng)電除焦單元過來的焦?fàn)t煤氣首先進(jìn)入7臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)加壓，加壓至0.122 MPa后送至 200#變溫吸附預(yù)處理、300#變壓吸附預(yù)處理，氣體進(jìn)入200#、300#脫除碳?xì)漕惖却蠓肿与s質(zhì)后再次進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行提壓，當(dāng)壓力達(dá)到1.6 MPa后送至400#變壓吸附單元，由8個(gè)吸附塔進(jìn)行PSA氫提純和脫氧，最后得到純度為99.99%的氫氣，經(jīng)由輸氫管道送至用戶公司。

2 電機(jī)軸斷裂原因簡(jiǎn)析

2010年10月18日制氫裝置安裝完成并試車成功，11月13日制氫廠根據(jù)用戶需求單機(jī)滿負(fù)荷正式向中國(guó)平煤神馬尼龍化工公司輸送氫氣。2011年11月18日～12月8日1#～4#機(jī)相繼出現(xiàn)電機(jī)軸斷裂。

表1 1#～4#壓縮機(jī)累積運(yùn)行時(shí)間及應(yīng)力循環(huán)周數(shù)表

從表可以看出，1#～4#壓縮機(jī)斷軸運(yùn)行時(shí)間最短191 h，最長(zhǎng)395 h。1#～4#壓縮機(jī)運(yùn)行周數(shù)均小于107發(fā)生斷裂，在疲勞斷裂周數(shù)范圍內(nèi)。

從圖片中斷裂面可以看出:

電機(jī)軸斷裂面詳見圖1所示，①疲勞源區(qū)光亮度最大，在斷口上常能看到明顯的亮斑;②疲勞區(qū)的斷口比較光滑并分布有貝紋線;③瞬斷區(qū)的特點(diǎn)是中間平面應(yīng)變區(qū)為放射狀斷口，邊緣平面應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)剪切唇;④具有非常明顯的疲勞斷裂特征。

圖1 電機(jī)軸斷裂面

3 降低電機(jī)軸交變應(yīng)力的具體方法

為了保證生產(chǎn)得以為續(xù)，整體產(chǎn)業(yè)鏈的平衡，在更換電機(jī)軸之前，我們以降低操作壓力為主，減輕電機(jī)軸質(zhì)量為輔，從而降低電機(jī)軸承受的交變應(yīng)力。

3.1 減輕電機(jī)軸質(zhì)量

為了減輕電機(jī)軸質(zhì)量，降低電機(jī)軸應(yīng)力，我們采取了不摘除飛輪直接摘除齒輪圈，并將齒輪圈固定的方法，該方法直接減少電機(jī)軸質(zhì)量230 kg。

首先將齒輪圈摘除，將摘除的齒輪圈固定在不影響電機(jī)及壓縮機(jī)運(yùn)行的支架上，從而達(dá)到摘除齒輪圈的目的，此方法不僅檢修周期短，而且回裝速度快，不影響正常生產(chǎn)，實(shí)施方便，詳見圖2、3。

圖2 飛輪示意圖

圖3 齒輪圈摘除前后示意圖

表1 降壓分析數(shù)據(jù)表

3.2 降低吸附塔工藝操作壓力及壓縮機(jī)電流

降低400#吸附塔吸附壓力，從而減少壓縮機(jī)電機(jī)輸出功率，進(jìn)而降低電機(jī)軸承受的交變應(yīng)力。

在降低操作壓力時(shí)需要逐步降低，并加強(qiáng)分析監(jiān)控，嚴(yán)防超標(biāo)。200#、300#吸附壓力每次降低5 kPa，400#吸附壓力每次降低 0.1 MPa，每次降壓后監(jiān)控運(yùn)行72 h，分析指標(biāo)合格后方可繼續(xù)進(jìn)行降壓，直至降至最低臨界值。

將每次降壓后的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表2 壓縮機(jī)運(yùn)行記錄表

通過對(duì)以上降壓過程的分析研究，我們最終將二級(jí)進(jìn)氣壓力控制在70～75 kPa，四級(jí)出口壓力為1.1 MPa。降低壓力后，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)和對(duì)比發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)功率明顯下降，由原來的1 700 kW降為1 500 kW，電流為105 A以下，有效降低了電機(jī)軸承受的交變應(yīng)力，保證了工藝生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

壓縮機(jī)運(yùn)行記錄如表2所示。

4 實(shí)施效果

兩種方法的實(shí)施有效地降低了壓縮機(jī)電機(jī)軸的交變應(yīng)力，使5#、6#、7#壓縮機(jī)能長(zhǎng)久穩(wěn)定的運(yùn)行。

至2011年4月20日1#、2#新的電機(jī)軸恢復(fù)完畢，我們對(duì)5#，6#，7#壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間及應(yīng)力循環(huán)周數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

表3 壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間及應(yīng)力循環(huán)周數(shù)統(tǒng)計(jì)表

從表中可以看出，5#、6#、7#壓縮機(jī)的運(yùn)行周數(shù)均大于107次方仍未斷裂，均超過疲勞極限運(yùn)行時(shí)間，我們采用的方法有效降低了電機(jī)軸的交變應(yīng)力，確保了煤基尼龍化工產(chǎn)業(yè)鏈安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行，得到了尼龍化工公司的肯定，達(dá)到了預(yù)期的效果。

5 結(jié)論

通過上述方法的實(shí)施，我們得知在特殊的條件下，適當(dāng)減少軸的重量，可以有效降低軸的負(fù)載，延長(zhǎng)軸的使用壽命。變壓吸附工藝的操作彈性較大，在負(fù)荷允許的前提條件下，適當(dāng)降低壓力，可以很好利用作為長(zhǎng)期運(yùn)行和降低能耗的有效方法之一。