汪 波 劉慧穎

（江蘇利士德化工有限責(zé)任公司） （江蘇雙良鍋爐有限公司)

苯乙烯裝置尾氣壓縮機(jī)的理想特性及優(yōu)化策略

對苯乙烯裝置尾氣壓縮機(jī)的理想特性進(jìn)行分析，并對提高壓縮機(jī)能力問題進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

尾氣壓縮機(jī) 理想特性 優(yōu)化設(shè)計 螺桿轉(zhuǎn)子 密封

0 前言

對稱轉(zhuǎn)子螺桿壓縮機(jī)由瑞典Svenska Rotor Maskina(SRM)公司開發(fā)并于上世紀(jì)50年代投入市場。到了1970年代，SRM又開發(fā)出了不對稱轉(zhuǎn)子，并且用于螺桿壓縮機(jī)。這種改進(jìn)對螺桿壓縮機(jī)帶來了較好的效果因而被工業(yè)界認(rèn)可，從而得到廣泛的使用。1980年代,一家日本壓縮機(jī)制造商——日本神戶制鋼所，開發(fā)出用于研究螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電腦程序，使神戶制鋼所能夠研制自己的新的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。近年來，在乙苯/苯乙烯 （EB/SM）裝置中，人們對苯乙烯工藝反應(yīng)工段的尾氣壓縮機(jī)不僅要求其具有更大的能力，而且要求其具有更高的可靠性，因此無油螺桿壓縮機(jī)作為尾氣壓縮機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。

本文介紹了使尾氣壓縮機(jī)更具可靠性的最新綜合技術(shù)，以及壓縮機(jī)在設(shè)計上的改進(jìn)，并對提高壓縮機(jī)能力的問題進(jìn)行了討論。

1 尾氣壓縮機(jī)的理想特性

在各種氣體壓縮機(jī)中，無油螺桿壓縮機(jī)被認(rèn)為最適用于具有某些典型特征的氣體，如表1所示。

汪 波*劉慧穎

（江蘇利士德化工有限責(zé)任公司） （江蘇雙良鍋爐有限公司)

由于無油螺桿壓縮機(jī)的這些特性，設(shè)計苯乙烯尾氣壓縮機(jī)時，必須考慮下述問題：

（1）聚合成分；

（2）夾帶液體；

（3） 腐蝕性組分 (CO2和水)；

表1 無油螺桿壓縮機(jī)的特性

圖1 可調(diào)同步齒輪

（4）分子質(zhì)量的改變；

（5）流量波動。

進(jìn)一步說，無油螺桿壓縮機(jī)用作尾氣壓縮機(jī)時，應(yīng)注意下述若干問題。

1.1 運行

（1）底部出口管

在工藝發(fā)生波動時,壓縮機(jī)內(nèi)部可能會形成聚合物，而且聚合物通常是在出口端形成。 “底部出口”的設(shè)計避免了從出口管道和消音器處掉落的堅硬聚合物對轉(zhuǎn)子造成的損壞。

通過壓縮機(jī)注水口噴水至吸入腔，可使出口溫度維持在工藝要求的溫度或更低的溫度。同時也可加入某些溶劑以軟化可能在壓縮機(jī)內(nèi)形成的聚合物。 “底部出口”的設(shè)計使壓縮機(jī)具有自我排放功能，從而防止水或溶劑在殼體內(nèi)積聚。

（2） 盤車機(jī)構(gòu)

在壓縮機(jī)內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)子的盤車機(jī)構(gòu)，以防止在停車期間可能產(chǎn)生的聚合物 “凍結(jié)”轉(zhuǎn)子。盤車機(jī)構(gòu)可以安裝在壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子端、驅(qū)動軸端或齒輪處（若裝有齒輪）。壓縮機(jī)運行時，盤車機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)動部件脫開。

（3） 消音器

反應(yīng) （復(fù)室）型消音器對低頻、離散和恒速情況下產(chǎn)生的噪音有效果，而吸收型消音器則適用于高頻噪音和變速設(shè)備產(chǎn)生的噪音。對于苯乙烯壓縮機(jī)， “反應(yīng)吸收”型消音器最為理想。

1.2 機(jī)械可靠性

（1）水平剖分殼體

在長期運行中，壓縮機(jī)殼體因受到氣體壓力和熱應(yīng)力的作用而發(fā)生變形。為了防止由于變形而導(dǎo)致氣體泄漏，殼體上與工藝氣體接觸的部分不應(yīng)有T形或十字形剖分結(jié)構(gòu)。簡潔的 “水平剖分”結(jié)構(gòu)能減小壓縮機(jī)殼體變形，這種設(shè)計通常優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（2）同步齒輪間隙

在無油螺桿壓縮機(jī)中，同步齒輪是壓縮機(jī)可靠性較薄弱的環(huán)節(jié)之一。如果同步齒輪間隙大于轉(zhuǎn)子間的間隙，那么當(dāng)緊急停車、氣體回流引起轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時，可能會造成轉(zhuǎn)子的故障。減小同步齒輪的間隙能最大限度地消除這種現(xiàn)象，但是這給同步齒輪的制造帶來很大的難度。 “拼接”設(shè)計使同步齒輪間隙可以調(diào)整，從而解決了這一難題。圖1即為一可調(diào)同步齒輪結(jié)構(gòu)。

（3）傾斜瓦塊止推軸承

傾斜瓦塊止推軸承具有適宜的軸承功能，甚至在緊急停車、回流氣體導(dǎo)致反向轉(zhuǎn)動時，傾斜瓦塊止推軸承也有此功能。

（4）逆向錐型霧狀噴嘴

在氣流中噴射的水和溶劑霧滴促使轉(zhuǎn)子和殼體發(fā)生腐蝕。逆向錐型霧狀噴嘴將霧狀液滴均勻分布在氣流中，最大限度地減少了對轉(zhuǎn)子和殼體的腐蝕。

（5）殼體冷卻夾套

殼體冷卻夾套大大減少了不利的殼體熱變形，帶來更高的可靠性，尤其是不銹鋼殼體。

（6）耐腐蝕殼體——不銹鋼堆焊殼體

殼體材料應(yīng)耐腐蝕。通常使用整體不銹鋼或碳鋼堆焊不銹鋼的殼體。其中，碳鋼堆焊不銹鋼的殼體由于不易熱變形，因而有更高的可靠性，是首選的方案。

（7） 耐磨轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子應(yīng)采用耐腐蝕的材料。通常選用的材質(zhì)為相當(dāng)于ASTM A182 F6NM(13Cr-4Ni)的不銹鋼鍛件。

1.3 維護(hù)

（1）確定同步齒輪安裝位置時應(yīng)考慮方便維護(hù)

同步齒輪和止推軸承是螺桿壓縮機(jī)的高風(fēng)險部件之一，拆卸同步齒輪幾乎意味著壓縮機(jī)的整體拆卸。結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)將同步齒輪與止推軸承分別安裝在不同側(cè)，從而方便止推軸承的維護(hù)。檢修或更換止推軸承時不需要徹底大修壓縮機(jī)，因此可最大限度地減少相關(guān)的停車時間。

（2）水平剖分式殼體

水平剖分式殼體適用于大型壓縮機(jī)。對于大能力壓縮機(jī)，水平剖分式結(jié)構(gòu)便于取出和安裝殼體內(nèi)的重而長的轉(zhuǎn)子，如圖2所示。

圖2 水平剖分式殼體

1.4 軸封選擇

在選擇軸封系統(tǒng)時，應(yīng)考慮以下因素：

（1）公用工程中密封氣體或隔離氣體的可用性；

（2）密封氣體或隔離氣體的消耗量；

（3）注入密封部位的密封氣體或隔離氣體對工藝氣體的污染；

（4）與工藝氣體的接觸造成潤滑油污染；

（5）減少設(shè)備安裝和運行中的損耗 （密封氣體或隔離氣體的消耗量，油泄漏量，大修時間間隔等)。

在苯乙烯裝置中成功應(yīng)用的軸封有下述幾種：

（1）帶有密封介質(zhì) （氮氣、蒸汽、天然氣、水）的節(jié)流碳環(huán)密封；

（2）帶有隔離氣體 （氮氣、天然氣）的軸承油膜密封；

（3）干氣密封。

帶有密封介質(zhì)的節(jié)流碳環(huán)密封具有下述特點：應(yīng)用最普遍、最經(jīng)濟(jì)；有大量密封介質(zhì)。當(dāng)蒸汽和水用作一次密封介質(zhì)時，可能會對潤滑油造成污染。因此必須注入二次隔離氣體。

帶有隔離氣體的軸承油膜密封具有下述特點：系統(tǒng)利用徑向軸承的潤滑油膜作為密封油膜。加入隔離氣體可使?jié)櫥筒缓臀矚饨佑|，免受污染。惰性氣體 （氮氣）或甲烷用作隔離氣體。加入的隔離氣體被密封在徑向軸承的油膜處。其隔離氣體的消耗比節(jié)流碳環(huán)密封更少。此外，維護(hù)費用也較低（軸套充當(dāng)密封環(huán)）。

2 苯乙烯無油螺桿壓縮機(jī)的最新設(shè)計

（1） 干氣密封

干氣密封 (氣體隔離、靜態(tài)干氣密封，非接觸型密封)有兩種，一種是自立 （動態(tài)）型，另一種是氣體隔離 （靜態(tài)）型。

如果含有水和聚合成分，自立型干氣密封可能會失效。為此密封內(nèi)側(cè)必須注入完全干凈和干燥的密封氣，系統(tǒng)極為復(fù)雜。

氣體隔離 (靜態(tài))型密封的開發(fā)是基于工藝氣體特性的考慮，并被成功地應(yīng)用于苯乙烯尾氣壓縮機(jī)以及其他氣體壓縮機(jī)。

以下為氣體隔離（靜態(tài)）型非接觸密封的特性：（a）密封氣 （N2等）注入一次密封段;（b）消耗/進(jìn)入工藝中的隔離氣體少;（c）工藝氣體不會污染潤滑油;

（d）沒有摩擦，因而沒有機(jī)械損失;

（e）密封使用壽命長。

現(xiàn)有的密封形式有單端面、單端面加支撐限制環(huán)和串聯(lián)等多種形式。

（2）采用水平剖分殼體

采用下進(jìn)下出的水平剖分殼體，可以有效地防止苯乙烯或其它易結(jié)焦的物質(zhì)進(jìn)入機(jī)體，提高壓縮機(jī)的平穩(wěn)性和可靠性；另一方面，還便于消音器的合理布置，使主機(jī)平臺布置得便于維修和巡檢。

（3） 采用新型的 “3×5” 轉(zhuǎn)子

一對嚙合的螺桿轉(zhuǎn)子是壓縮機(jī)的關(guān)鍵部件，該轉(zhuǎn)子水平且平行地安放在殼體內(nèi)。國內(nèi)的壓縮機(jī)大多采用 “4×6”轉(zhuǎn)子，陽轉(zhuǎn)子有四個凸齒，陰轉(zhuǎn)子有六個與之相嚙合的凹槽。螺桿轉(zhuǎn)子型線為SRMA型線，如圖3所示。3×5”轉(zhuǎn)子如圖4所示。

圖3 “4×6” 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖4 “3 x 5”轉(zhuǎn)子和 “4 x 6”轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的比較

在直徑不變的情況下，采用 “3×5”轉(zhuǎn)子可提高壓縮機(jī)的效率。 “3×5”轉(zhuǎn)子和 “4×6”轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的比較如圖4所示。

3 現(xiàn)有的壓縮機(jī)改造

一些苯乙烯裝置業(yè)主對現(xiàn)有壓縮機(jī)增加能力的問題很感興趣，而且希望改建工程盡量投資少、工期短。對于現(xiàn)有壓縮機(jī)增加能力的問題，筆者提出如下建議。

（1）能力少量增加 (增加5%～10%)

由于大部分尾氣壓縮機(jī)是由蒸汽透平驅(qū)動的，因此將原先額定速度增加5%是完全有可能的。 尾氣壓縮機(jī)是容積型的，其能力增加幾乎與速度增加成正比。這是增加少量能力最簡易的方法。 如果設(shè)備允許進(jìn)一步增加速度，例如增加到10%，那么壓縮機(jī)就可以增加更大的能力。當(dāng)然，這還要取決于驅(qū)動器的能力。如果是電機(jī)驅(qū)動，可以通過更換齒輪增加速度。

壓縮機(jī)改造時用戶必須咨詢原設(shè)備供應(yīng)商，以避免發(fā)生機(jī)械故障，例如由扭轉(zhuǎn)引起的共振等。有時還需要更換聯(lián)軸器以避免共振。

（2）能力較大量增加 （15%或更多）

高速度時注入水和溶劑會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過度腐蝕。為此，連續(xù)運轉(zhuǎn)的尾氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子頂端線速度應(yīng)限制在150～155 m/s以內(nèi)。當(dāng)能力較大量增加時，壓縮機(jī)的大多數(shù)結(jié)構(gòu)必須改變。即使根據(jù)推測，增加速度不會發(fā)生機(jī)械故障也不行。建議用戶綜合考慮：采用新結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子，并且增加轉(zhuǎn)子長度。如果更換相同直徑的轉(zhuǎn)子， “3×5”轉(zhuǎn)子能夠提供更大的能力。

4 結(jié)語

苯乙烯裝置的尾氣壓縮機(jī)做為苯乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其對裝置的穩(wěn)定運行及生產(chǎn)能力的提高有著至關(guān)重要的作用。對苯乙烯裝置尾氣壓縮機(jī)理想特性進(jìn)行深入的研究，對壓縮機(jī)的使用、維護(hù)、優(yōu)化設(shè)計和能力的提高都有著十分重要的意義。

Ideal Characteristics and Optimization Strategy for Tail Gas Compressor of Styrene Plant

Wang Bo Liu Huiying

Analyzes the ideal characteristics of tail gas compressor in styrene plant,and describes how to improve the ability of compressor in detail.

Tail gas compressor;Ideal characteristics;Optimize design;Screw rotor;Seal

TQ 051.3

*汪波，男，1971年生，工程師。江陰市，214444。

2012-06-16）