苯乙烯裝置尾氣壓縮機的理想特性及優化策略

汪 波 劉慧穎

（江蘇利士德化工有限責任公司） （江蘇雙良鍋爐有限公司)

苯乙烯裝置尾氣壓縮機的理想特性及優化策略

對苯乙烯裝置尾氣壓縮機的理想特性進行分析，并對提高壓縮機能力問題進行詳細的闡述。

尾氣壓縮機 理想特性 優化設計 螺桿轉子 密封

0 前言

對稱轉子螺桿壓縮機由瑞典Svenska Rotor Maskina(SRM)公司開發并于上世紀50年代投入市場。到了1970年代，SRM又開發出了不對稱轉子，并且用于螺桿壓縮機。這種改進對螺桿壓縮機帶來了較好的效果因而被工業界認可，從而得到廣泛的使用。1980年代,一家日本壓縮機制造商——日本神戶制鋼所，開發出用于研究螺桿壓縮機轉子結構的電腦程序，使神戶制鋼所能夠研制自己的新的轉子結構。近年來，在乙苯/苯乙烯 （EB/SM）裝置中，人們對苯乙烯工藝反應工段的尾氣壓縮機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作為尾氣壓縮機得到了廣泛的應用。

本文介紹了使尾氣壓縮機更具可靠性的最新綜合技術，以及壓縮機在設計上的改進，并對提高壓縮機能力的問題進行了討論。

1 尾氣壓縮機的理想特性

在各種氣體壓縮機中，無油螺桿壓縮機被認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任公司） （江蘇雙良鍋爐有限公司)

由于無油螺桿壓縮機的這些特性，設計苯乙烯尾氣壓縮機時，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 無油螺桿壓縮機的特性

圖1 可調同步齒輪

（4）分子質量的改變；

（5）流量波動。

進一步說，無油螺桿壓縮機用作尾氣壓縮機時，應注意下述若干問題。

1.1 運行

（1）底部出口管

在工藝發生波動時,壓縮機內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”的設計避免了從出口管道和消音器處掉落的堅硬聚合物對轉子造成的損壞。

通過壓縮機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內形成的聚合物。 “底部出口”的設計使壓縮機具有自我排放功能，從而防止水或溶劑在殼體內積聚。

（2） 盤車機構

在壓縮機內設置轉子的盤車機構，以防止在停車期間可能產生的聚合物 “凍結”轉子。盤車機構可以安裝在壓縮機的轉子端、驅動軸端或齒輪處（若裝有齒輪）。壓縮機運行時，盤車機構與轉動部件脫開。

（3） 消音器

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

1.2 機械可靠性

（1）水平剖分殼體

在長期運行中，壓縮機殼體因受到氣體壓力和熱應力的作用而發生變形。為了防止由于變形而導致氣體泄漏，殼體上與工藝氣體接觸的部分不應有T形或十字形剖分結構。簡潔的 “水平剖分”結構能減小壓縮機殼體變形，這種設計通常優于其他結構設計。

（2）同步齒輪間隙

在無油螺桿壓縮機中，同步齒輪是壓縮機可靠性較薄弱的環節之一。如果同步齒輪間隙大于轉子間的間隙，那么當緊急停車、氣體回流引起轉子反轉時，可能會造成轉子的故障。減小同步齒輪的間隙能最大限度地消除這種現象，但是這給同步齒輪的制造帶來很大的難度。 “拼接”設計使同步齒輪間隙可以調整，從而解決了這一難題。圖1即為一可調同步齒輪結構。

（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、回流氣體導致反向轉動時，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子和殼體發生腐蝕。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） 耐磨轉子

轉子應采用耐腐蝕的材料。通常選用的材質為相當于ASTM A182 F6NM(13Cr-4Ni)的不銹鋼鍛件。

1.3 維護

（1）確定同步齒輪安裝位置時應考慮方便維護

同步齒輪和止推軸承是螺桿壓縮機的高風險部件之一，拆卸同步齒輪幾乎意味著壓縮機的整體拆卸。結構設計時應將同步齒輪與止推軸承分別安裝在不同側，從而方便止推軸承的維護。檢修或更換止推軸承時不需要徹底大修壓縮機，因此可最大限度地減少相關的停車時間。

（2）水平剖分式殼體

水平剖分式殼體適用于大型壓縮機。對于大能力壓縮機，水平剖分式結構便于取出和安裝殼體內的重而長的轉子，如圖2所示。

圖2 水平剖分式殼體

1.4 軸封選擇

在選擇軸封系統時，應考慮以下因素：

（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用的軸封有下述幾種：

（1）帶有密封介質 （氮氣、蒸汽、天然氣、水）的節流碳環密封；

（2）帶有隔離氣體 （氮氣、天然氣）的軸承油膜密封；

（3）干氣密封。

帶有密封介質的節流碳環密封具有下述特點：應用最普遍、最經濟；有大量密封介質。當蒸汽和水用作一次密封介質時，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。加入隔離氣體可使潤滑油不和尾氣接觸，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流碳環密封更少。此外，維護費用也較低（軸套充當密封環）。

2 苯乙烯無油螺桿壓縮機的最新設計

（1） 干氣密封

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

如果含有水和聚合成分，自立型干氣密封可能會失效。為此密封內側必須注入完全干凈和干燥的密封氣，系統極為復雜。

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

以下為氣體隔離（靜態）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，因而沒有機械損失;

（e）密封使用壽命長。

現有的密封形式有單端面、單端面加支撐限制環和串聯等多種形式。

（2）采用水平剖分殼體

采用下進下出的水平剖分殼體，可以有效地防止苯乙烯或其它易結焦的物質進入機體，提高壓縮機的平穩性和可靠性；另一方面，還便于消音器的合理布置，使主機平臺布置得便于維修和巡檢。

（3） 采用新型的 “3×5” 轉子

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

圖3 “4×6” 轉子結構

圖4 “3 x 5”轉子和 “4 x 6”轉子結構的比較

在直徑不變的情況下，采用 “3×5”轉子可提高壓縮機的效率。 “3×5”轉子和 “4×6”轉子結構的比較如圖4所示。

3 現有的壓縮機改造

一些苯乙烯裝置業主對現有壓縮機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。對于現有壓縮機增加能力的問題，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是由蒸汽透平驅動的，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。 如果設備允許進一步增加速度，例如增加到10%，那么壓縮機就可以增加更大的能力。當然，這還要取決于驅動器的能力。如果是電機驅動，可以通過更換齒輪增加速度。

壓縮機改造時用戶必須咨詢原設備供應商，以避免發生機械故障，例如由扭轉引起的共振等。有時還需要更換聯軸器以避免共振。

（2）能力較大量增加 （15%或更多）

高速度時注入水和溶劑會導致轉子過度腐蝕。為此，連續運轉的尾氣壓縮機轉子頂端線速度應限制在150～155 m/s以內。當能力較大量增加時，壓縮機的大多數結構必須改變。即使根據推測，增加速度不會發生機械故障也不行。建議用戶綜合考慮：采用新結構轉子，并且增加轉子長度。如果更換相同直徑的轉子， “3×5”轉子能夠提供更大的能力。

4 結語

苯乙烯裝置的尾氣壓縮機做為苯乙烯裝置的關鍵設備，其對裝置的穩定運行及生產能力的提高有著至關重要的作用。對苯乙烯裝置尾氣壓縮機理想特性進行深入的研究，對壓縮機的使用、維護、優化設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）