大型6列往復式氫氣壓縮機的開發研制

張 欣，韓衛國，楊成炯，韓玉昌，張小建，任希文，錢則剛

(1. 中石化廣州(洛陽)工程有限公司，廣東 廣州 510620；2. 中國石化塔河煉化有限責任公司，新疆 庫車 842000；3. 沈陽遠大壓縮機有限公司，遼寧 沈陽 110027；4. 合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230009)

隨著我國石化工業大型化和多元化發展，往復式壓縮機逐漸向大流量、大噸位、多列化發展。在國外著名廠商(如德萊賽蘭、新比隆等)的產品系列中，往復式壓縮機活塞桿最大允許連續負荷(最大允許活塞力)已高達150 t，最多列數已達10列【1】，最大軸功率突破16 000 kW。近年來在我國石化大型往復壓縮機應用中引進比例較高。由于進口往復機一次性投資成本高， 交貨周期長， 制約了我國石化工程建設的成本和進度。同時， 由于進口機組備品備件價格高， 造成檢維修費用高。

當前國產往復式壓縮機噸位已逐漸增大，已由80 t、125 t發展到150 t。然而在煉油裝置中，國產大噸位往復機的列數局限于4列，不能完全適應石油化工裝置中3級及以上壓縮的大型氫氣壓縮機組的應用。為了適應不同裝置工藝操作，需進一步開發具有獨立自主知識產權的多列大噸位具往復式壓縮機。

2012年，依托中國石化塔河煉化有限責任公司60萬t/a連續重整裝置，由中國石化立項，中石化廣州(洛陽)工程有限公司、中國石化塔河煉化有限責任公司、沈陽遠大壓縮機有限公司(簡稱沈陽遠大)和合肥通用機械研究院(簡稱合肥通機院)聯合開發了6M80大型往復式氫氣壓縮機，用作裝置重整氫增壓機組。經過設計、制造、試驗檢驗、現場安裝調試和試車等各環節，該機于2014年7月成功投入應用。

1 開發應用前景、選型對比和研發目標

1.1 可優化機組選型方案，發揮大型機組的優良動力特性，改善機組運行狀況

在煉油廠大型裝置(如加氫裂化、渣油加氫、連續重整等)中，常有介質為氫氣或富氫氣的3級壓縮需求，在合成氨等大型化工裝置中甚至還存在6級壓縮需求。對于上述需求，6列往復式壓縮機均可勝任。

目前，在上述裝置典型的3級壓縮需求下，往往采用4列往復式壓縮機。在增大的流量和增高的壓比條件下，機組選型往往會遇到如下情況：a)第1級氣缸直徑過大；b)采用3級壓縮綜合活塞力超過許用值時，不得不提高噸位或選擇4級壓縮； c)為降低噸位和活塞力不得不選用雙3級氣缸。可供選型的方案時常單一拼湊，難談盡善盡美。如果選用6列往復式壓縮機，可通過優化6列氣缸在各級中排列組合，實現級數與列數的合理匹配，使選型更加豐富，為大型往復式壓縮機選型提供更多選項。

與4列機型相比，6列對稱平衡型往復式壓縮機，由于列數增多，在理論上可實現往復慣性力和往復慣性力矩的完全平衡，使機組振動更小，壓縮機運行更平穩【2】。

6列對稱平衡型往復式壓縮機，可通過采用3對曲拐間平面錯角的合理分配，使切向力分布更均勻，從而減小機器飛輪力矩需求， 減小飛輪尺寸， 降低對電動機驅動力矩的需求【1】； 可使旋轉更均勻， 更易實現旋轉不均勻度1/100的指標， 而且振動更小， 電流沖擊小， 更不用額外通過提高電機機座號來提高電機的驅動力矩。以本次6M(HE)80課題為例，壓縮機所需飛輪力矩GD2僅為9.9 t·m2。而根據不同操作條件所選用的4M125型大型往復式壓縮機，據不完全統計，電機的驅動力矩均在55～68 t·m2之間。

6列氣缸還可通過每一級均采用2列或以上的氣缸減少氣流脈動影響。且相同級數的多列氣缸可共用緩沖罐，使氣流脈動更平穩，有利于長期穩定操作。

1.2 研發目標和選型對比

開發研制6M80大型往復式氫氣壓縮機，是為了滿足中國石化塔河煉化60萬t/a連續重整裝置重整氫增壓機的工藝操作要求，并同時滿足標準要求，使其預期的可靠性、經濟性及綜合機械性能達到進口同類產品水平，實現獨立自主國產化，替代進口，有效降低設備投資成本、交貨周期和維修成本。

塔河煉化60萬t/a連續重整裝置重整氫增壓機工藝操作條件如表1所示。

表1 塔河煉化60萬t/a連續重整裝置重整氫增壓機工藝操作條件

從上表可知，由于壓比較高，為滿足排氣溫度要求【3】，需采用3級壓縮。

若采用通常的4M機型,即4列氣缸3級壓縮，氣缸直徑都將超大,其中一級缸徑將超過1 m。大缸徑水冷式氣缸結構復雜，在加工制造和質量保證等方面存在困難，易出現缺陷【4】，在煉油裝置中運用較少，可靠性不高。且由于二、三級缸徑增大，將造成計算綜合活塞力超過類似裝置4M80機型的最大允許活塞力。若提高噸位至125 t，一則當時4M125型尚處于研發階段，缺乏應用驗證；二則該機氣缸、活塞、活塞桿及基礎件等零部件的質量和尺寸均將增大。大質量、大尺寸、大負荷造成機器受力增加，軸承負荷增加，隨之帶來一系列振動、磨損和泄漏等難題，都將給機器的運行和維護帶來不便。

由于該項目復用中石化某分公司60萬t/a重整裝置設計， 從復用設計、 設計工期、 平面布置等方面綜合考慮， 機組布置采用1用1備方案。對于新建裝置，還可采用2用1備的機組布置方案。

無論選擇1用1備還是2用1備布置方案，均需具體問題具體分析。首先，對于3級氫氣壓縮用途，如上所述，6列壓縮機獨有其優點；其次，應核算壓縮機噸位可否進一步降低；然后，再從機組及其設計范圍內的設備、管道及閥門、電氣及儀表等的設計工程量、機組備用率、設備布置、占地及管道設計、設備運行和維修、一次性投資成本以及機組運行的可靠性等諸多方面加以綜合考慮。

經過比選，確定選用6M80型方案，對稱平衡型機身，3級壓縮，6列氣缸采用3-2-1布局，即第一級3列氣缸、第二級2列氣缸、第三級1列氣缸。這樣可實現以下優點：

1) 降低氣缸直徑(一級850 mm、二級680 mm、三級590 mm)；

2) 降低最大允許活塞力(降低噸位)；

3) 降低往復慣性質量，可實現往復慣性力和往復慣性力矩的平衡或近乎平衡；

4) 降低壓縮機飛輪力矩需求，飛輪力矩僅9.9 t·m2；

5) 降低一次性投資成本及設計工程量；

6) 缸徑小，活塞桿直徑小，提高操作可靠性；

7) 降低檢修難度。

2 研制攻關及其關鍵技術特征

隨著機組大型化和多列化發展，軸系扭轉振動對往復式壓縮機可靠運行的不利影響日益顯現。以前通常只對6列及以上機組進行分析，不對4列以內機型進行分析，但是，有時大型4列機型的扭轉振動固有頻率會接近或進入10倍轉速以內，因扭轉共振引起較大振動應力，甚至可能導致壓縮機曲軸或電機軸斷裂等嚴重事故，需加以重視【5-7】。

國內已先后開發研制成功80 t、125 t和150 t 的往復式壓縮機，但是在用大型往復機存在分體式對稱平衡型機身、自由鍛造型連桿、拼接式曲軸等未優化的傳統結構特征。

6M(HE)80型壓縮機采用了計算機輔助設計等現代設計手段以及與目前國際主流往復式壓縮機相仿的關鍵技術。

2.1 計算機輔助設計技術的運用

1) 數字建模及機械強度、剛度分析技術

除借鑒傳統經驗設計方法外，還利用PRO/E等計算機軟件進行數字化建模【6】，然后運用ANSYS 有限元分析軟件對整體鑄造結構對稱平衡型機身進行強度和彈性變形量分析計算，以及對模鍛連桿強度進行分析計算等，進一步提高結構設計的合理性和可靠性。

2) 軸系扭轉振動分析

沈陽遠大與合肥通機院分別采用不同方法對6M(HE)80壓縮機進行了軸系扭轉振動分析及動態響應分析。沈陽遠大借助ANSYS分析軟件采用有限元法分析模塊【6】，合肥通機院通過程序軟件采用解析法【7】進行分析，兩家單位扭轉振動分析結果相互印證,共同得出結論,如表2所示。由表2可知:一階扭轉固有頻率處于機組速度和電機電網頻率10%范圍之外，位于7倍頻和8倍頻之間,且未進入7倍頻和8倍頻的5%范圍內,滿足API 618標準要求,不會發生扭振危害。

表2 重整氫增壓機組軸系扭轉固有頻率

2.2 關鍵部件的設計制造

1) 6列整體鑄造對稱平衡型機身

采用6列整體鑄造對稱平衡型機身，外壁帶有加強筋，頂部兩側壁板用多根雙拉桿螺栓拉緊，進一步增加整體強度和剛性。整體機身軸承孔采用同軸加工，保證曲軸支撐軸承同軸度，進而保證平穩可靠運行，同時方便安裝找正。

2) 大型6列整體鍛造曲軸

隨著我國機械加工制造能力的提高，已具備加工大型整體鍛造型曲軸的能力。6M(HE)80型壓縮機采用大型整體鍛造曲軸，具有更優的強度、韌性和疲勞強度。曲軸為無油孔結構，避免產生局部應力集中，進一步提高強度和可靠性。曲軸中間部位設計有減震器安裝位置，便于在意外發生扭轉振動時，通過增加減震器改變曲軸的自振頻率以避免共振的發生。

3) 大型模鍛連桿

采用大型整體模鍛連桿，具有更優的強度、韌性和疲勞強度。在保證連桿強度的前提下，降低連桿質量，以減小機器往復慣性質量，進而減小機器慣性力，提高機組操作穩定性，同時減少工程量。

4) 大噸位基礎件的技術儲備

該機的開發研制，還同時具備了6列、活塞桿最大允許連續負荷1 250 kN的對稱平衡型往復式壓縮機基礎件的設計及制造能力，為該機型的投用和推廣提供了技術儲備。

3 投用與推廣前景

經過設計、制造、裝配、水壓試驗以及機械運轉試驗等一整套試制過程，6M(HE)80型壓縮機于2014年初交付現場安裝調試，隨后陸續進行了壓縮機空負荷試車、空氣負荷試車等試驗驗證。并于同年7月11日隨著裝置開工運行正式投入工業應用。

在壓縮機運行過程中，現場采集的數據顯示，氣缸振動情況良好，各列氣缸在x-y-z方向(往復方向-曲軸軸線方向-垂直于前兩個方向的方向)上振動最大值6.2 mm/s，最小值2.1 mm/s，遠優于GB/T 7777—2003規定的振動烈度標準值【8】。

6M(HE)80壓縮機的流量、壓力/溫度、機身和軸承振動、軸瓦溫度等各項運行指標均正常，電機電流波動較小，滿足重整裝置工藝生產需求，達到了預期的研發目標，獲得用戶和專家認可，并于2016年10月通過了新產品鑒定。

2007年，在由中石化洛陽工程有限公司負責設計的大連石化360萬t/a加氫裂化裝置中， 新氫壓縮機組進口，采用了最大允許活塞力為80 t的6列往復式壓縮機組；據了解，在澳大利亞BP公司的一套連續重整裝置中，采用了最大允許活塞力為82.5 t的6列往復式氫氣壓縮機； 在印尼的一套加氫裂化裝置中，采用了最大允許活塞力125 t的6列往復式新氫壓縮機。可見，大型6列往復式氫氣壓縮機的應用尚有很大探索空間。

4 結語

6M(HE)80型壓縮機的研發，實現了大型6列往復式氫氣壓縮機的獨立自主國產化，運用了計算機輔助設計等現代設計手段，憑借關鍵技術實現了對國內大型往復式壓縮機傳統技術的突破。該項目滿足工藝操作要求，達到了預期的研發目標。

該機型的研發，為我國石化工業大型裝置中氫氣壓縮機的選型提供了新選項，也為控制成本、提高效益、確定最優的選型配置方案提供了更多選項。

該機型的研發，豐富了往復式壓縮機型大型基礎件型譜，也為將來研制開發更大噸位和更多列數的超大型往復式壓縮機打下了堅實的基礎。