孫家姝 刁 全 亢天明/沈陽鼓風機集團股份有限公司

0 引言

組裝式離心壓縮機又稱為組裝型整體齒輪增速式離心壓縮機，近年來在世界上發(fā)展得很快[1]。隨著壓縮機設計技術(shù)的不斷提高，組裝式離心壓縮機由于單級壓比高、效率高以及在多級時采用級間冷卻方法可以大大減少耗功[2]等優(yōu)點，應用領(lǐng)域不斷擴大。由于機組將壓縮機與齒輪箱結(jié)合成一體，省略了單獨的變速箱，與單軸壓縮機相比，具有成本低、集成度高、占地面積小和安裝方便等特點[3]。

我公司于2004年正式研制開發(fā)了組裝式單級懸臂循環(huán)氣壓縮機產(chǎn)品，主要應用于石油化工行業(yè)的乙烯、化肥[4]、煤氣化等裝置中。近年來隨著煤化工及烯烴產(chǎn)品的開發(fā)，循環(huán)氣壓縮機的需求量大大增加，以前該類產(chǎn)品全部依賴國外進口。作為循環(huán)段上的壓縮機，它的壓力等級很高，一般在2MPa 以上，最高出口壓力能達到8.6MPa。但是壓比不大，采用單級的閉式葉輪就可以實現(xiàn)。其介質(zhì)主要是烴類混合氣體，含有毒有害成分，易造成環(huán)境污染[5]，這就需要采用干氣密封[6]來解決泄漏問題。為此我公司對原有壓縮機進行技術(shù)改造，論文重點闡述了改進后的激冷氣壓縮機技術(shù)特點。

1 激冷氣壓縮機典型應用實例

激冷氣壓縮機又稱高溫循環(huán)氣壓縮機，主要應用于石油化工行業(yè)的煤氣化裝置中。激冷氣壓縮機在煤氣化裝置中屬于核心設備，整個系統(tǒng)采用激冷流程，將粗煤氣溫度降至900℃以下，而后利用換熱器回收高位熱能，副產(chǎn)過熱蒸汽，用以驅(qū)動甲醇的合成氣壓縮機[7]。其激冷流程如下：在濕洗和干洗除灰后，按溫度控制比例抽取粗煤氣，混合后的200℃煤氣經(jīng)激冷氣壓縮機加壓后送至氣化爐激冷段，與從氣化反應室出來的1 500℃的高溫煤氣充分混合，將其溫度迅速激冷至850℃～900℃[8]。煤氣經(jīng)激冷后，氣相中的液態(tài)渣全部以干灰或固體顆粒存在，從而具備了進行見壁式換熱的條件。該類壓縮機市場范圍廣闊，過去幾年中，國內(nèi)用戶均選用了國外進口機組如西門子等，工藝為殼牌工藝。目前，沈鼓已經(jīng)研制了能與國外機組抗衡的高溫循環(huán)氣壓縮機，并且根據(jù)國內(nèi)用戶的需求對機組的整個布置方式進行了改進，機組運轉(zhuǎn)良好。

以河南龍宇煤化工有限公司現(xiàn)有的激冷氣機組為例，采用德國西門子（KK&K）設計制造的單級懸臂離心式壓縮機，型號為R39K63，由變頻調(diào)速電機驅(qū)動，主要由變頻調(diào)速電機、增速箱、壓縮機、潤滑油系統(tǒng)和干氣密封系統(tǒng)等組成。由于要進行擴建，此臺機組已經(jīng)不能滿足工作要求，需要進行改造。沈鼓承接了此改造項目。由于激冷氣壓縮機工況多，運行范圍寬，通過與用戶的溝通，決定采用電機加液力耦合器的驅(qū)動方式代替電機加變頻器的驅(qū)動方式。在同樣滿足工作條件的前提下機組的成套價格減少了總成套價格的20%左右，為用戶節(jié)約了資金。機組整體布置進行改進后，增加了整個機組的設計難度。與以往激冷氣壓縮機組相比，改造后的機組整機長度增加了近4m。改造后的機組結(jié)構(gòu)為壓縮機、液力耦合器、主電機安裝在一個公用的鋼制底座上，要求整機在廠內(nèi)組裝完畢，機組整體吊裝發(fā)往用戶，便于用戶現(xiàn)場的整體安裝。這就要求機組的公用底座要有足夠的強度，能承受30噸重的載荷，并且滿足整體的吊裝要求，保證底座在吊裝的過程中不出現(xiàn)變形。改造機組設計參數(shù)見表1。

表1 SV12-M機組改造設計參數(shù)表

機組介質(zhì)組分：氫氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、氬氣、氮氣、水。

2 改進后的激冷氣壓縮機主要技術(shù)特性及優(yōu)點

2.1 結(jié)構(gòu)緊湊，便于機組的安裝、找正及維護

電動機、液力耦合器與壓縮機安裝在一個公用底座上，為機組的安裝、找正、維護帶來了方便。電動機與液力耦合器，液力耦合器與壓縮機之間配有柔性疊片聯(lián)軸器，并帶有全封閉無火花護罩。機組為雙層布置，主機置于樓上，油站以及液力耦合器配套的泵站、板式換熱器等置于樓下。圖1為壓縮機組布置圖。

圖1 壓縮機組布置圖

2.2 葉輪材料的選用及鎳基合金材料的應用

由于激冷氣壓縮機的介質(zhì)中含有多種極強腐蝕性的組分，對葉輪材料的要求較高，如果葉輪材料不能耐腐蝕，將對轉(zhuǎn)子的平衡造成嚴重破壞。根據(jù)殼牌標準要求采用鎳基合金材料。該類材料沈鼓以前從未使用過，給材料的焊接、加工等帶來了極大困難，必須進行大量的工藝試驗，而且工藝試驗與產(chǎn)品試驗需同時進行。最后經(jīng)過計算葉輪強度及多種分析決定材料選用鎳基合金，流道表面和葉輪蓋盤做滲硼硬化處理。鎳基合金是含鈮、鉬的沉淀硬化型鎳鉻鐵合金，在700℃時具有高強度和良好的韌性以及在高低溫環(huán)境下均具有耐腐蝕性。

對葉輪進行強度與變形分析，經(jīng)過計算，葉輪在超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下的最大等效應力為556MPa。圖2 為葉輪強度分析云圖，圖3 為葉輪超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下局部等效應力分布云圖。

圖2 葉輪強度分析云圖

2.3 流道表面材料處理

由于激冷氣壓縮機介質(zhì)中含有顆粒，并且含有腐蝕性較強的介質(zhì)，這就要求對通流部分材料表面進行處理，提高耐磨性，延長機組的使用壽命。蝸殼及過流元件選用鑄鋼，流道表面噴涂鎳基合金。鎳基合金在650℃～1 000℃高溫下有較高的強度及一定的抗氧化腐蝕能力，由于足夠高的高溫強度與抗氧化腐蝕能力，所以常用于制造航空發(fā)動機葉片和火箭發(fā)動機、核反應堆、能源轉(zhuǎn)換設備上的高溫零部件。

圖3 葉輪超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下局部等效應力分布云圖

2.4 迷宮密封材料的選用

由于機組進口溫度較高（200℃），普通的ZL104 密封已經(jīng)不能滿足工作要求。改進后迷宮氣封采用特種工程塑料聚醚醚酮（PEEK），其具有如下特性：

1）耐高溫性——聚醚醚酮（PEEK）具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg=143℃）和熔點（Tm=334℃），其負載熱變形溫度高達316℃，長期使用溫度為260℃，瞬時使用溫度可達300℃；

2）耐腐蝕性——除濃硫酸外，PEEK 不溶于任何溶劑和強酸、強堿，而且耐水解，具有很高的化學穩(wěn)定性。所以它能滿足在高溫情況下長期運行，提高機組效率。

2.5 干氣密封的選用

激冷氣壓縮機的干氣密封選用帶中間進氣的串聯(lián)式干氣密封[9]。它的結(jié)構(gòu)是在串聯(lián)式干氣密封的兩級之間加入迷宮密封的結(jié)構(gòu)。所用氣體除工藝氣體本身外，還需另外引一路氮氣作為第二級密封與中間密封間的使用氣體[10]。當一級密封失效時，第二級密封可以起到輔助安全的作用。通常適用于既不允許工藝介質(zhì)泄漏到大氣中，也不允許阻封氣泄漏到工藝介質(zhì)中的情況，且介質(zhì)壓力較高[11]。在激冷氣壓縮機中共需要引入兩路氮氣源，分別是高溫高壓氮氣和高壓氮氣。由于高溫循環(huán)氣壓縮機介質(zhì)多含有氫氣、一氧化氮、硫化氫等有毒易燃易爆的氣體，這就要求工作介質(zhì)對外零泄漏，此種干氣密封可以滿足這一要求。由于高溫循環(huán)氣的進口溫度較高，為200℃～205℃，這就要求干氣密封與工藝介質(zhì)接觸的所有材料可以耐高溫、耐腐蝕。圖4為中間帶迷宮的串聯(lián)集裝式干氣密封。

圖4 中間帶迷宮的串聯(lián)式集裝式干氣密封圖

密封是離心壓縮機中應用最多，數(shù)量最多的元件。其對壓縮機的使用效果及應用成本也備受工程技術(shù)人員和研發(fā)人員的關(guān)注。在追求性能的同時，也更加追求安全和環(huán)保。因此合理選用高效先進的軸端密封，使其消耗低，更加節(jié)能、安全、環(huán)保，實現(xiàn)零泄漏，是離心壓縮機設計過程中一直追求的目標[5]。干氣密封的應用為壓縮機組的可靠性和高效率提供了保證[12]。

2.6 轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的分析計算

由于激冷氣壓縮機組工況多，運行范圍寬，工作轉(zhuǎn)速從5 800r/min 到8 500r/min 均要求轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作。另外由于應用了干氣密封并增加了高溫緩沖氣密封腔，所以懸臂端比普通機組長50%以上，轉(zhuǎn)子動力學分析困難。通過合理的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及軸承設計，解決了此問題。圖5為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡圖及相應的不平衡相應曲線。轉(zhuǎn)子動力學分析結(jié)果詳見表2。

圖5 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡圖及相應的不平衡相應曲線圖

表2 轉(zhuǎn)子動力學分析結(jié)果表

2.7 軸承的選用

激冷氣壓縮機高速轉(zhuǎn)子采用可傾瓦與金斯伯雷軸承的復合結(jié)構(gòu)。這種組合式軸承的運用，在承受更大軸向推力的同時縮短了轉(zhuǎn)子的跨距，節(jié)約了空間。在兩推力瓦塊之間的水準塊上加工油孔，使油路通暢，及時帶走熱量，避免機組運行中燒瓦的現(xiàn)象發(fā)生。每組軸承裝有兩個調(diào)整墊，能夠方便調(diào)整推力及葉輪所需要的軸向間隙。由于機組工況多，轉(zhuǎn)子推力變化范圍大，金斯伯雷軸承能更好地適應這種工況條件，同時為檢修裝配帶來了方便。

2.8 完善的潤滑油系統(tǒng)及控制系統(tǒng)

經(jīng)過改造后機組有兩個潤滑油系統(tǒng)，壓縮機的潤滑油系統(tǒng)及液力耦合器的潤滑油系統(tǒng)。壓縮機的潤滑油系統(tǒng)主要向壓縮機及主電機供油，具有8分鐘停留容積和5分鐘工作容積。潤滑油系統(tǒng)配有兩臺120%負荷電機驅(qū)動的螺桿泵，一臺主泵，一臺輔泵，可相互切換，互為備用；一臺120%負荷雙聯(lián)管殼式油冷卻器；一臺120%負荷的雙聯(lián)潤滑油過濾器；一臺不銹鋼材料的事故停車高位油箱；視油計、三閥組以及防爆恒溫電加熱器等。

液力耦合器的潤滑油系統(tǒng)僅向液力耦合器供油，主要包括高位油箱、視油計、三閥組、雙聯(lián)油泵站及一臺板式油冷卻器。

油站儀表主要有測量儀表、控制儀表和安全儀表組。測量儀表主要包括：潤滑油箱液位測量、油溫及油壓測量儀表?？刂苾x表和安全儀表主要組成包括：油箱液位報警、油壓調(diào)節(jié)、油溫報警、過濾器差壓報警、備用油泵啟動、報警、聯(lián)鎖等回路。

壓縮機控制系統(tǒng)主要包含PLC、觸摸屏、繼電器、溫度變送器、閃光報警器、24VDC 電源、斷路器以及按鈕等。系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)的處理和顯示兩大部分，數(shù)據(jù)處理主要由PLC 完成，數(shù)據(jù)的顯示及參數(shù)設定由觸摸屏完成。PLC 用于信號的采集和處理，實現(xiàn)邏輯程序，并且在觸摸屏上進行操作和實時監(jiān)控。對運行、報警、聯(lián)鎖、故障等重要信號做閃光顯示或聲音提示。

3 激冷氣壓縮機啟停時應注意的問題及管道材質(zhì)的選用

3.1 激冷氣壓縮機啟停時的注意事項

激冷氣壓縮機的氣源為粗煤氣，粗煤氣中含有一定量的灰分和水蒸氣，隨著運行時間的延長，一些有黏結(jié)性的細灰會黏結(jié)在壓縮機的葉輪上，會破壞葉輪的動平衡，引起整個機組的振動[13]。所以機組在啟動開車時要做到以下幾點：

1）開車時盡快提高壓縮機進口溫度至正常的操作溫度；

2）正常運行時盡量控制壓縮機進口溫度高于200℃，延緩葉輪積灰；

3）停車后不能馬上停止壓縮機，應該用干燥、清潔的氮氣對管路中的粗煤氣進行氣體置換，直到置換干凈為止；

4）利用停車的時間對壓縮機葉輪進行清灰，以便恢復葉輪的動平衡。

另外激冷氣壓縮機組還設置了伴熱裝置。由于機組要求介質(zhì)溫度不能低于200℃，因此開車前必須對機殼進行加熱，在機殼表面布置電伴熱的方法來滿足該項要求。在停車過程中，也要最大限度的保持伴熱。停車時還需完成大吹掃，保證整個系統(tǒng)置換完全。圖6為機殼伴熱裝置。

3.2 管道材質(zhì)的選用

激冷氣壓縮機進口管道的設計也要考慮到介質(zhì)組分對材質(zhì)的腐蝕問題。由于介質(zhì)中的H2S對碳鋼的腐蝕嚴重，特別是開機及停機時經(jīng)過壓縮機進口管道的氣體溫度較低，加劇了管道的腐蝕程度，會產(chǎn)生一定量的銹皮，隨著激冷氣壓縮機的轉(zhuǎn)速升高，激冷氣量增加，銹皮被吹掉，之后被帶入壓縮機的進口管道過濾器處，致使脫落的銹皮將進口管道過濾器的濾網(wǎng)堵塞，從而造成差壓升高。時間長了，隨著差壓的不斷升高，激冷氣量越來越小，氣化爐被迫降負荷運行，最終造成整個氣化裝置停車[7]。

圖6 機殼伴熱裝置圖

最終的解決方案是將激冷氣壓縮機進口前的碳鋼管道內(nèi)襯316L 不銹鋼，并且進口管道過濾器的濾網(wǎng)采用incoloy 825 材料。通過這些材料的選用，就能有效地減緩壓縮機進口管道的腐蝕程度，增加了整個機組的運轉(zhuǎn)周期。

4 結(jié)論

激冷氣壓縮機經(jīng)改造后，具有結(jié)構(gòu)緊湊，高效低耗等優(yōu)點，而且操作范圍寬、穩(wěn)定，不易發(fā)生喘振，連續(xù)運轉(zhuǎn)周期長，噪聲小，維修保養(yǎng)方便的優(yōu)點，可廣泛推廣，市場前景廣闊。根據(jù)市場情況分析，預計今后幾年，以每年代替進口產(chǎn)品十臺計算，可節(jié)約大量外匯，社會效益顯著。

[1]翁立偉，刁全，楊永江.整體齒輪組裝式離心壓縮機設計[J].風機技術(shù)，2009(4)：34-36.

[2]徐忠.離心壓縮機原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，1990.

[3]成正朝，牛大勇.組裝式離心壓縮機的特點及發(fā)展趨勢[J].風機技術(shù)，2003(4)：3-5.

[4]高海濱，莊軍.SV6 型循環(huán)機的應用[J].小氮肥，2007，35(10)：24-25.

[5]孫家姝，亢天明，崔勇.組裝式離心壓縮機及循環(huán)氣離心壓縮機密封的分析與應用[J].風機技術(shù)，2012(6)：66-69.

[6]王樹術(shù).干氣密封技術(shù)在離心壓縮機中的應用[J].風機技術(shù)，2008(5)：78-81.

[7]李孟安，朱白欽，牛玉奇.殼牌煤氣化裝置激冷氣壓縮機問題及對策[J].河南化工，2010(16)：119-120.

[8]蘇志強.Shell煤氣化裝置激冷氣流程綜述[J].廣州化工，2010，38(8)：264-266.

[9]李桂琴，王玉華.壓縮機干氣密封基本原理及使用分析[J].風機技術(shù)，2000(1)：19-23.

[10]刁全，任玉姝.雙端面干氣密封在單級懸臂循環(huán)氣壓縮機中的應用[J].風機技術(shù)，2013(5)：38-42.

[11]姚圣兵.串聯(lián)式干氣密封在離心壓縮機上的應用[J].化工技術(shù)與開發(fā)，2012，41(5)：48-50.

[12]王玉華，姜大任.干氣密封在離心壓縮機上的應用[J].風機技術(shù)，2008(1)：43-45.

[13]郭會敏，劉紅宇.激冷氣壓縮機入口過濾器壓差高的原因與處理[J].大氮肥，2008(5)：330.