一種循環(huán)氫壓縮機方案選型分析

劉海洋，馬瑞紅，劉守信，牟憲城

（沈陽鼓風機集團往復有限公司，遼寧沈陽 110869）

1 引言

往復活塞式壓縮機自從19世紀誕生以來，廣泛用于石油、化工、礦山、電力、食品、醫(yī)藥等各個領域，在國家重點項目建設中發(fā)揮了重要作用。往復活塞式壓縮機具有高效節(jié)能、經濟性好，運行可靠，使用范圍廣等優(yōu)點，各優(yōu)點之間相互關聯(lián)，往往彼此矛盾。總體設計階段要考慮周到、適當，權衡利弊，突出重點、兼顧其它，選出符合使用要求的最優(yōu)設計方案。如果方案選型不當，會給壓縮機帶來“先天不足”的缺陷，后期想要彌補缺陷，就非常困難。因此，壓縮機方案選型至關重要。

遼寧某石化公司的40萬t/a環(huán)烷基潤滑油高壓加氫裝置根據工藝流程要求，需要將工藝介質（循環(huán)氫）壓力從18.3 MPa（G）提升至20.1 MPa（G）。用戶經過充分地分析、研究各類壓縮機的特點及優(yōu)點，最終決定配套2臺循環(huán)氫往復壓縮機。該循環(huán)氫壓縮機具有進氣壓力高、缸徑小、壓縮比小的特點。按照常規(guī)設計選型，采用雙作用氣缸的壓縮機，機組反向角較小。當反向角為零或者較小時，十字頭銷只能承載一個方向的活塞力，使十字頭銷和小頭瓦之間不能形成正常油膜潤滑，導致小頭瓦局部溫度過高，從而造成嚴重磨損或者燒研。

2 方案選型

根據本臺壓縮機組的工藝流程、介質參數(shù)進行熱、動力計算，并搜集國內外相近機器的資料，進行充分地分析比較，提出以下兩種比較適合的方案：

2.1 方案一

壓縮機氣缸采用軸側單作用，氣缸蓋側工作腔始終與壓縮機進氣腔連通。經過熱、動力計算，確定壓縮機組為2D50機型，結構示意見圖1。

圖1 單作用氣缸示意圖

該方案的優(yōu)點是軸側單作用，只有軸側密封填料一處外泄漏點，相比較泄漏量較少。但有以下缺點：

（1）該機組進氣壓力高，缸徑小。高壓氣體作用在活塞兩側，由于活塞兩側受力面積差1個活塞桿的截面積。如圖1所示，活塞與蓋側氣缸組成的封閉空間壓力為壓縮機進氣壓力q1，作用到活塞的面積S1=πd12/4，氣體作用到活塞上的力

壓縮機啟動前，活塞與軸側氣缸組成的封閉空間壓力同樣為壓縮機進氣q1，作用到活塞的面積氣體作用到活塞上的力F2=q1π

為了成功啟動電機，需要在電機啟動的操作流程中做一些特殊調整。首先，將壓縮機的出、入口閥門關閉，以壓縮機為小單元，將壓縮機從工藝流程中隔斷出來。其次，降低壓縮機氣缸的吸入壓力q1，從而減小氣體合力F對曲軸的阻力矩。再次，打開“一回一”回路調節(jié)閥門，實現(xiàn)機組零負荷。然后啟動電機，電機啟動達到額定轉數(shù)后，緩慢打開壓縮機的出、入口閥門，將壓縮機切入工藝系統(tǒng)中，使壓縮機入口的壓力達到額定工況的入口壓力，最后，通過緩慢關閉“一回一”回路，實現(xiàn)機組加載，正常運行。因此，壓縮機啟機的條件相對苛刻、操作“一回一”回路相對麻煩。

（2）由于壓縮機需要在低進氣壓力條件下啟機。當機組臨時停機時，機組內部充滿高壓工藝介質，想要再次啟機，必須將機組內部的高壓介質釋放火炬燃燒。對使用單位來說是一種極大的浪費，同時會造成環(huán)境污染。

（3）機組額定工況運行時，采用“一回一”回路實現(xiàn)壓縮機零負荷時，兩列的反向角分別為21°和24°，反向角相對較小，十字頭銷始終承載一個方向的活塞力，使十字頭銷和小頭瓦之間不能形成正常油膜潤滑，容易導致小頭瓦局部溫度過高，從而造成嚴重磨損或者燒研。因此，不能長時間在該工況下運行。

（4）額定工況時進氣壓力18.3 MPa（G），經核算，機組壓開氣缸吸氣閥，機組沒有反向角，十字頭銷無法得到潤滑。因此，此額定工況下，機組無法配置卸荷器實現(xiàn)“0”“100%”兩檔氣量調節(jié)。

（5）因氣缸為軸側單作用結構，氣缸蓋側工作腔與壓縮機的進氣腔連通，氣缸蓋側若產生積液將無法被氣體帶走或排出，積存在氣缸蓋側腔內，積液過多會產生活塞液擊的危害。因此，需定期排放氣缸蓋側的積液或者增設一個積液的收集罐。收集罐通高壓氣體，無形中也是增加了一種風險。

2.2 方案二

壓縮機的活塞部件設計成帶尾桿的結構，經過熱、動力計算，確定壓縮機組為2D40，結構示意見圖2。

該方案相對于軸側單作用的機型，有以下優(yōu)點：

（1）活塞桿貫穿整個氣缸，軸側和蓋側所受的氣體力作用面積相等。如圖2所示，活塞與蓋側氣缸組成的封閉空間壓力為壓縮機進氣壓力q1，作用到活塞的面積，氣體作用到活塞上的力

圖2 活塞帶尾桿結構示意圖

活塞與軸側氣缸組成的封閉空間壓力同樣為壓縮機進氣q1，作用到活塞的面積氣體作用到活塞上的力

壓縮機啟動前，氣缸內氣體對活塞作用的合力F=F1-F2=0。壓縮機啟機時活塞兩側的氣體作用力可以完全抵消，因此，活塞部件帶尾桿結構的壓縮機可以在入口高壓力的情況下，打開“一回一”回路或者壓開氣缸吸氣閥直接啟機。操作流程比較簡單。

（2）額定工況時，機組壓開氣缸吸氣閥，兩列的反向角均在100°以上。因此，機組可以配置氣缸卸荷器，實現(xiàn)“0”、“50%”、“100%”三檔氣量調節(jié)，實現(xiàn)零負荷運行和氣量調節(jié)。操作比較簡單。

（3）活塞帶尾桿結構，氣缸軸側、蓋側均做吸氣、壓縮、排氣工作，因此不會產生積液，無需定期排液或增設高壓的積液收集罐。

活塞帶尾桿結構的壓縮機有以上優(yōu)點的同時，由其結構特性決定了自身也存在缺點：

（1）活塞桿貫穿整個氣缸，在氣缸的蓋側需增設一組密封填料。相對于軸側單作用的機組，氣缸蓋側多一處外泄漏點，泄漏量相對增加。

（2）帶尾桿結構活塞的活塞桿相對于正常活塞桿要長，活塞桿尾端（氣缸蓋側）的桿跳動可能會大一些。當然，活塞桿跳動與設備的制造、加工和安裝精度等因素也有關系。

（3）若活塞桿尾端跳動大，安裝在活塞桿尾端（氣缸蓋側）的密封填料也會相對于氣缸軸側密封填料的磨損會嚴重一些。

2.3 兩種方案對比

兩種方案計算參數(shù)對比詳見表1。

表1 壓縮機參數(shù)對比表

API618中6.10.4.6條規(guī)定“只有經采購方的書面認可才能使用貫穿活塞桿”，因此，活塞帶尾桿（即貫穿活塞桿）結構壓縮機的方案需征得使用單位書面認可后方可選用。軸側單作用和活塞帶尾桿這2種壓縮機方案，各有利弊，最終用戶權衡利弊，選擇了貫穿桿這種方案。

3 結論

通過方案設計的對比可知，壓力高、缸徑小、壓縮比小的壓縮機組在方案選型時，選用活塞部件帶尾桿的設計方案更有優(yōu)勢。采用這種方案的壓縮機機型更小，機組成本低，氣缸缸徑更小，機組的受力更小，反向角更大，機組運行的可靠性更高。

該機組在2019年投產運行以來，運行平穩(wěn)，性能良好，獲得使用單位的好評。現(xiàn)場的實際使用證明，該壓縮機的方案選型是正確的，機組運行指標合格，操作方便，為用戶帶來了較好的經濟效益。