劉明洪

(洛陽(yáng)金達(dá)石化有限責(zé)任公司 ， 河南 洛陽(yáng) 471012)

洛陽(yáng)金達(dá)石化特油廠寬餾分裝置新氫增壓機(jī)為兩列對(duì)稱平衡型往復(fù)式壓縮機(jī)，型號(hào)為DW-1.2/30-185，二級(jí)壓縮，少油潤(rùn)滑。自壓縮機(jī)投入運(yùn)行以來(lái)，一級(jí)排氣溫度過高，特別在夏季天氣高溫時(shí)一級(jí)排氣溫度高達(dá)148 ℃。氫氣壓縮機(jī)排氣溫度過高，一方面降低了壓縮機(jī)的容積效率，增加了功耗；另一方面使氣缸內(nèi)潤(rùn)滑油的黏度降低，易加劇氣缸內(nèi)活塞環(huán)的磨損，甚至?xí)?dǎo)致活塞的過分膨脹而卡死在氣缸內(nèi)，嚴(yán)重影響了壓縮機(jī)的正常運(yùn)行，給裝置的安全生產(chǎn)帶來(lái)了不良影響。因此，針對(duì)新氫壓縮機(jī)一級(jí)排氣溫度高進(jìn)行原因分析，并找到解決措施。

1 原因分析及改進(jìn)措施

1.1 溫度絕熱指數(shù)對(duì)排氣溫度的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中，每一種氣相介質(zhì)因?yàn)榻M分的不同，引起絕熱指數(shù)的變化，而這種變化往往對(duì)壓縮機(jī)的正常運(yùn)行帶來(lái)較大的影響。

(1)

式中：T1，一級(jí)吸氣溫度；T2，一級(jí)排氣溫度；p1，一級(jí)吸氣壓力；p2，一級(jí)排氣壓力；Kt，溫度絕熱指數(shù)。

該壓縮機(jī)在進(jìn)行最初設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)提供的氫氣組分(體積分?jǐn)?shù))見表1。

表1 初始的氫氣組分 %

(2)

式中：K，混合氣體的絕熱指數(shù)；Ki，混合氣體中某氣體的絕熱指數(shù)；Ri，混合氣體中某氣體的體積百分比。

根據(jù)公式(1～2)核算對(duì)應(yīng)溫度絕熱指數(shù)Kt≈1.36；但在新氫壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于改用了其他裝置的氫氣，氫氣組分發(fā)生較大的變化，見表2。

表2 變化后的氫氣組分(體積分?jǐn)?shù)) %

對(duì)應(yīng)的溫度絕熱指數(shù)Kt′≈1.406。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Kt′>Kt，因此氫氣組分的變化造成了溫度絕熱指數(shù)的變化，最后導(dǎo)致一級(jí)排氣溫度上升明顯。但是，氫氣組分的變化雖然對(duì)壓縮機(jī)的一級(jí)排氣溫度影響較大，由于該裝置氫氣是外供料，又無(wú)法改變，最初采取對(duì)入口新氫緩沖罐進(jìn)行冷水噴淋來(lái)降低入口溫度，從而降低一級(jí)排氣溫度這一措施，但效果不理想。后來(lái)采取降低系統(tǒng)壓力，降低壓縮機(jī)的壓縮比，從而把排氣溫度降下來(lái)。因此，在對(duì)壓縮機(jī)初步設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到氣體絕熱指數(shù)的影響，把氣體絕熱指數(shù)取大點(diǎn)，后期設(shè)備投用后增大操作彈性，設(shè)備運(yùn)行工況更加合理。

1.2 入口溫度升高對(duì)一級(jí)排氣溫度的影響

從公式(1)發(fā)現(xiàn)，隨著入口溫度T1的上升，一級(jí)排氣溫度T2也隨之上升。夏季7月寬餾分裝置新氫增壓機(jī)一級(jí)排氣溫度超過145 ℃。最初采取對(duì)入口新氫緩沖罐進(jìn)行冷水噴淋措施，通過降低入口溫度來(lái)降低一級(jí)排氣溫度，但是效果不理想，同時(shí)也浪費(fèi)了水資源。實(shí)際上，壓縮機(jī)在初步設(shè)計(jì)時(shí)一般都會(huì)考慮到入口溫度高這一因素(氣溫隨季節(jié)變化而變化)。所以，如果出現(xiàn)入口溫度高而導(dǎo)致一級(jí)排氣溫度高這一現(xiàn)象，說明設(shè)計(jì)或者制造環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題，單純從生產(chǎn)上調(diào)整一般只能做微調(diào)。

1.3 氣缸冷卻不足對(duì)一級(jí)排氣溫度的影響

壓縮機(jī)活塞在做功時(shí)經(jīng)歷了膨脹和壓縮過程，在該過程中，缸內(nèi)壓縮氣體不斷放出熱量。因此，需要冷卻介質(zhì)對(duì)氣體進(jìn)行冷卻，以保證壓縮機(jī)正常做功。

該壓縮機(jī)氣缸采用并聯(lián)水冷式，設(shè)備原設(shè)計(jì)采用除鹽水軟水進(jìn)行循環(huán)冷卻，在建設(shè)時(shí)改為新鮮水處理過的循環(huán)水進(jìn)行冷卻。由于循環(huán)水水質(zhì)相比除鹽水硬度較大，運(yùn)行久了容易在氣缸冷卻壁上結(jié)垢。另外，由于循環(huán)水中易產(chǎn)生細(xì)菌，水處理過程中經(jīng)過殺菌消毒后細(xì)菌尸體形成黏泥附著在氣缸冷卻壁上，造成換熱效率下降，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣溫度升高。

氣缸酸洗前后的參數(shù)對(duì)比見表3。數(shù)據(jù)對(duì)比說明氣缸冷卻效率下降對(duì)排氣溫度的影響。

表3 氣缸酸洗前后的參數(shù)對(duì)比

表3數(shù)據(jù)充分說明了氣缸冷卻水腔的結(jié)垢情況嚴(yán)重影響了壓縮機(jī)的排氣溫度。因此，確保氣缸冷卻水腔不結(jié)垢，對(duì)于壓縮機(jī)排氣溫度具有十分重要的意義。一般來(lái)說，半年左右要對(duì)壓縮機(jī)氣缸冷卻水腔進(jìn)行一次清洗，保證氣缸的冷卻效率，使壓縮機(jī)的排氣溫度保證在正常范圍內(nèi)。

1.4 壓縮比過大對(duì)一級(jí)排氣溫度的影響

壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)常由于壓縮比過大造成一級(jí)排氣溫度較高。所謂壓縮比是出口壓力與進(jìn)口壓力之比。但是造成壓縮比過大的原因較為復(fù)雜，一般來(lái)說，造成壓縮比過大的原因有以下幾種。

1.4.1入口壓力過低造成壓縮比過大

由于系統(tǒng)氫氣是外供，上游氫氣生產(chǎn)裝置一旦波動(dòng)，壓縮機(jī)的運(yùn)行極易受到影響。有時(shí)新氫入口壓力甚至低至2.6 MPa，因生產(chǎn)工藝沒有調(diào)整，壓縮機(jī)二級(jí)出口基本不變，這就造成了一級(jí)壓縮比過大，在氣體組分和入口溫度不變的情況下，一級(jí)排氣溫度很容易升高。

1.4.2活塞環(huán)磨損嚴(yán)重或者密封失效造成串氣導(dǎo)致壓縮比過大

金達(dá)公司脫芳油裝置氫氣壓縮機(jī)增壓機(jī)型號(hào)為2D10-0.35/27-150-0.43/130-150-BX，采用二級(jí)壓縮，2010年壓縮機(jī)在進(jìn)行常規(guī)檢修更換填料后，出現(xiàn)一級(jí)排氣壓力高，排氣溫度高，級(jí)間分液器頂部安全閥頻繁起跳現(xiàn)象?；钊h(huán)和支撐環(huán)材質(zhì)均為CFRP后對(duì)活塞桿抽出檢查發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)與活塞環(huán)槽軸向間隙不到0.06 mm，而設(shè)計(jì)要求裝配間隙為0.15 mm。

后經(jīng)分析，維修工人在裝配活塞環(huán)時(shí)沒有控制好活塞環(huán)與活塞環(huán)槽之間的間隙，造成活塞環(huán)在實(shí)際做功過程中受熱膨脹后卡死在活塞環(huán)槽里面，導(dǎo)致活塞環(huán)密封作用減弱，使二級(jí)高壓缸內(nèi)的氣體竄入一級(jí)氣缸，造成一級(jí)氣缸出口壓力升高，進(jìn)而導(dǎo)致一級(jí)排氣壓力高、排氣溫度高等異?，F(xiàn)象。

1.4.3氣閥設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致壓縮比過大

氣閥設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)在于氣閥彈簧的選取、行程及流通面積的選擇。其中氣閥彈簧的選取是關(guān)鍵，彈簧彈性及彈簧力大小影響氣閥的能量損失和閥片壽命。氣閥全閉時(shí)的彈簧力取值以小為宜，氣閥全開時(shí)的彈簧力就要取值較大，但不能過大和過小。彈簧力過小，導(dǎo)致閥片滯后關(guān)閉，不僅使閥片沖向閥座速度增加，對(duì)閥片壽命不利，而且還使得氣體“回流”，影響壓縮機(jī)效率。氣閥完全開啟時(shí)，若彈簧力過大，大到氣流壓力不足以克服彈簧力將閥片“貼于”升程限制器上時(shí)，閥片便在閥座與升程限制器之間來(lái)回振動(dòng)，使有限的氣閥縫隙面積不能充分利用，增加氣閥額外的能量損失，降低壓縮機(jī)效率，而且在關(guān)閉時(shí)，閥片以較大的速度沖向閥座，對(duì)閥片壽命不利。理想情況是：隨著閥片的開啟，彈簧力呈非線性的增大，在氣閥全開時(shí)有最大值，保證閥片開啟、關(guān)閉的及時(shí)性和迅速性。一般原則是：轉(zhuǎn)速越高、氣閥工作壓力越高、氣閥中的氣流速度越高，則應(yīng)選用較大的彈簧力。處于同一壓縮級(jí)的排氣閥應(yīng)有比吸氣閥更高的彈簧力。

另一個(gè)是氣閥閥片的升程。過小的閥片升程雖然對(duì)閥片壽命有利，但閥縫隙通道氣流速度過大，導(dǎo)致氣閥能量損失增大，過大的閥片升程會(huì)引起閥片開啟不完全和閥片滯后關(guān)閉，不僅不能有效地降低氣閥能量損失，起不到提高壓縮機(jī)效率的作用，反而導(dǎo)致閥片過早損壞。因此，必須根據(jù)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、氣閥的工作壓力、選用的氣閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和壓縮機(jī)的使用條件，恰當(dāng)?shù)剡x擇閥片升程。一般來(lái)說，處于同一級(jí)的排氣閥閥片升程應(yīng)比吸氣閥為低。新氫增壓機(jī)氣閥彈簧和升程優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對(duì)比見表4。

表4 優(yōu)化前后的吸排氣壓力對(duì)比 MPa

通過對(duì)氣閥彈簧和閥片升程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，降低了一級(jí)壓縮比，從而達(dá)到了降低一級(jí)排氣溫度的目的。

1.4.4二級(jí)吸排氣閥泄漏導(dǎo)致壓縮比過大

氣閥泄漏常見的表現(xiàn)形式為彈簧斷裂和閥片損壞。氣閥主要是由閥座、閥片、彈簧與升程限制器等四部分組成。在日常使用中，常常出現(xiàn)的氣閥泄漏現(xiàn)象主要出現(xiàn)在彈簧和閥片上，由于氣閥閥片和彈簧是主要做功部件，如果選材不當(dāng)或者加工有缺陷，很容易出現(xiàn)氣閥閥片和彈簧損壞從而造成排氣溫度上升。2014年7月和8月共發(fā)生3次氣閥閥片斷裂現(xiàn)象，2016年3月和5月也發(fā)生3次同類現(xiàn)象，主要原因是氣閥彈簧選用材質(zhì)不當(dāng)造成的。起初我廠新氫壓縮機(jī)選用的氣閥閥片材質(zhì)為3Cr13 ，彈簧材質(zhì)為17-7PH，氣閥的整體可靠性較低。后來(lái)對(duì)氣閥材質(zhì)進(jìn)行了改造，將氣閥閥片材質(zhì)改為PEEK，彈簧材質(zhì)仍為17-7PH；另一方面主要是使用過程中氣閥做功部件疲勞或者進(jìn)入異物造成氣閥閥片或彈簧損壞，導(dǎo)致排氣溫度上升，2017年2月至2018年4月只發(fā)生一次氣閥閥片斷裂現(xiàn)象，主要是材料疲勞造成。

2 結(jié)論

氫氣增壓機(jī)特別是多級(jí)壓縮的壓縮機(jī)，容易出現(xiàn)壓縮機(jī)排氣溫度較高的異?，F(xiàn)象，如果長(zhǎng)時(shí)間居高不下，易造成填料加速老化、密封失效，甚至氫氣外漏發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。通過多方面對(duì)本裝置新氫壓縮機(jī)排氣溫度高進(jìn)行原因分析，采取了以下措施：①定期對(duì)壓縮機(jī)氣缸冷卻水套進(jìn)行清洗，保證換熱效率；②對(duì)氣閥主要的閥片及彈簧等易損件材質(zhì)進(jìn)行升級(jí)，提高氣閥的整體可靠性，降低因氣閥損壞造成排氣溫度高，滿足長(zhǎng)周期運(yùn)行；③對(duì)氣閥的升程及彈簧性質(zhì)重新進(jìn)行調(diào)整，降低了壓縮比，從而降低壓縮機(jī)排氣溫度；④活塞環(huán)更換時(shí)對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制，保證各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)在正常范圍內(nèi)，杜絕了因活塞環(huán)串氣造成壓縮比升高的現(xiàn)象，從而降低了壓縮機(jī)排氣溫度；⑤當(dāng)壓縮機(jī)入口壓力下降造成壓縮比過大時(shí)，及時(shí)和生產(chǎn)上協(xié)調(diào)，降低壓縮機(jī)的出口壓力，保證壓縮機(jī)壓縮比在合理范圍，防止壓縮機(jī)因壓縮比較大造成排氣溫度高；⑥當(dāng)氣體組分變化造成絕熱指數(shù)上升，導(dǎo)致排氣溫度高時(shí)，及時(shí)調(diào)整壓縮機(jī)機(jī)組出口壓力，降低壓縮機(jī)壓縮比，從而達(dá)到降低排氣溫度的目的。⑦定期清理壓縮機(jī)入口過濾器，定期檢查或更換壓縮機(jī)吸排氣閥，使氣閥處于完好狀態(tài)。通過以上措施的實(shí)施，新氫壓縮機(jī)一級(jí)排氣溫度高這一異?，F(xiàn)象徹底得到解決，有力地保障了壓縮機(jī)組的安全平穩(wěn)運(yùn)行。