攀鋼焦爐煤氣壓縮機長周期運行技術研究

呂 勇，賈冬穎，姚 勇，胡云濤，胥中平

（1.攀鋼釩能源動力分公司，四川攀枝花 617062；2.攀鋼集團設計研究院有限公司，四川攀枝花 617062）

前言

攀鋼中壓焦爐煤氣系統共有5 臺L12.5/8 型二級壓縮無油潤滑焦爐煤氣壓縮機，將焦爐煤氣主管網經脫硫脫萘系統凈化后的6 kPa 焦爐煤氣，壓縮加壓至0.8 MPa，送至變壓吸附制氫系統制取純度96%以上的氫氣，供連鑄坯氫氧切割和中間包烘烤等使用。

1 壓縮機故障情況統計

中壓焦爐煤氣系統的5 臺焦爐煤氣壓縮機（三用兩備或四用一備）在投產后，檢修頻次逐漸增高，從初始的每半年28 次增至每月41 次，單臺壓縮機正常運行周期小于4天。壓縮機故障部位統計結果見圖1。

圖1 焦爐煤氣壓縮機故障部位統計

由圖1 可知，焦爐煤氣壓縮機出現故障較多的部位是吸、排氣閥片和活塞環。

2 原因分析

通過跟蹤分析，造成焦爐煤氣壓縮機故障頻發的主要原因如下。

2.1 焦爐煤氣粉塵、焦油、萘等雜質高

對進壓縮機前的焦爐煤氣取樣分析，雜質含量見表1。

表1 進壓縮機前焦爐煤氣雜質含量 mg/m3

由表1可知，焦爐煤氣中雜質主要是焦油、萘和粉塵。

在壓縮機壓縮過程中，隨著氣壓升高，相應的焦油、萘組分飽和分壓增加，焦油、萘容易析出，與粉塵結合形成黏結塊，特別是在經過中間冷卻器冷卻后，壓縮機二級缸內結塊現象更加明顯，其給系統帶來的故障如下。

（1）壓縮機吸、排氣閥動作失效

氣閥是活塞式壓縮機重要部件之一，直接關系到壓縮機的經濟性和可靠性。壓縮機的吸、排氣閥的閥片是在兩邊壓差作用下開啟，閥片起、閉動作應及時迅速并開關到位［1］。但檢修時發現壓縮機的吸、排氣閥上吸附很多雜質，導致閥體開啟動作慢且不能完全開啟，引起壓縮機負荷調節失效、一排壓力超高、二排壓力低以及吸、排氣閥密封性降低等故障，壓縮機運行能力大幅度降低。

（2）壓縮機逆止閥關閉不嚴

經過壓縮機兩級壓縮后的煤氣帶有較多的黏結塊，堆積在壓縮機出口逆止閥處，導致逆止閥關閉緩慢、密封性差。

（3）一級、二級活塞環和缸體磨損加劇

帶有較多黏結塊的煤氣，對壓縮機一級活塞環、二級活塞環和缸體產生磨損，導致壓縮機活塞環前后串氣，活塞桿與缸體氣封處壓力升高，煤氣從氣封處泄漏到連桿瓦箱、曲軸箱等，造成現場CO含量超標（高達100～150 mg/m3），存在安全隱患，也帶來氣封、油封損壞，潤滑油變質等一系列問題。

2.2 焦爐煤氣水分含量高

焦爐煤氣含有飽和水，甚至存在部分機械水（以液滴的形態存在于煤氣中的水）。隨著氣體壓力升高，其飽和分壓也升高，水分更加容易析出，在一級缸體、二級缸體留存，特別是一級排氣冷卻器和油水分離器留存現象嚴重。原有壓縮機沒有考慮相應排水設施，排水效果差，從而造成壓縮機因氣閥損壞、活塞環受力變化等引發故障。

2.3 壓縮機活塞環、氣閥等選材不當

（1）壓縮機活塞環材質

壓縮機活塞環材質為PPR。該材質在氣缸壓縮溫度達160 ℃時，對于焦油、萘的耐化學浸蝕性為不耐浸蝕。且焦爐煤氣中還含有粉塵顆粒，在壓縮機高速運轉、無油潤滑狀態下，易導致活塞環磨損嚴重。

（2）氣閥材質

壓縮機吸、排氣閥采用的是不銹鋼銅包墊，其材料回彈性差且易變形，在壓縮機壓力工況下密封性能迅速降低，無法再次使用，只能更換，維護成本較高。

（3）缸體墊圈、氣封、油封和其他結構材質

壓縮機缸體墊圈采用普通橡膠圈，不耐高溫，容易變形，易造成缸體端面煤氣泄漏等故障。

氣封材質采用普通橡膠，壓蓋壓緊方式，沒有流散管和氮氣密封，易出現煤氣泄漏等故障。

油封采用普通鋁合金梳齒密封，易磨損，油封效果差，存在漏油等故障。

閥座及升程限制器采用普通鋼材，存在銹蝕等故障。

曲軸、連桿、活塞桿等重要運動部件材質使用普通合金鋼，長時間使用存在變形等故障。

2.4 檢修質量差

雖然壓縮機故障頻繁，但為保產其檢修基本處于搶修狀態，只能處理緊急故障，檢修質量無法保證，如活塞環與缸體四周間隙、端面間隙、連桿水平度、滑塊與瓦間隙、十字頭間隙、曲軸與瓦間隙、氣閥安裝密封性等均沒有按照規范要求調整。

3 改進措施

針對上述原因，采取改進措施如下。

3.1 控制焦爐煤氣雜質和含水量

3.1.1 提升壓縮機一級進氣焦爐煤氣品質

為提升焦爐煤氣品質，在壓縮機進口設置了兩套除塵裝置。

（1）壓縮機進口管道上設置錐形過濾器，詳見圖2。通過濾網過濾掉大顆粒粉塵和液滴。錐形濾芯的設計是為了在保障過濾面積的基礎上盡量減小設備的體積。

圖2 錐形過濾器及濾芯

（2）設置一級洗滌罐，洗滌罐內安裝絲網除沫器和噴淋洗滌裝置，絲網除沫器結構見圖3。絲網除沫器具有比表面積大、使用方便、壓降小以及除液滴效率高等優點。焦爐煤氣在除沫器中由于絲網阻擋，迫使氣體不斷改變運動方向，從而使夾帶的液滴滯留在網上。被除掉的液滴在除沫器底部聚積，當聚積到一定液量后便下落到洗滌罐底部，通過高壓排水器排出，形成動態平衡。

圖3 一級洗滌罐及絲網除沫器

當出現一級進口壓力降低時，可以短時間停運該壓縮機，使用噴淋洗滌裝置對絲網除沫器進行洗滌，也可以直接更換絲網除沫器內絲網。

3.1.2 提高一排冷卻器冷卻能力并設置獨立的二級洗滌罐和油水分離器

大幅度提高壓縮機一排冷卻器冷卻能力，將冷卻面積提高50%，保證煤氣冷卻至35 ℃以內。

設置獨立的二級洗滌罐和油水分離器。一級壓縮后，焦爐煤氣壓力增加，雜質沸點也隨之升高，待冷卻到35 ℃以下后，焦油、萘、粉塵、水分等析出凝結成液體或固體。為盡可能脫除雜質，在中間冷卻器和二級氣缸間設置獨立的大容積二級洗滌罐、旋風式油水分離和絲網除沫器，定期排污或者更換絲網，以保證二級進氣品質，提高壓縮機運行周期。

3.1.3 一級缸、二級缸活塞連桿側與氣封之間增設排污管

一級缸、二級缸活塞連桿側與氣封之間增設排污管，可定期排除部分雜質和水分，改造后焦爐煤氣氣體壓縮流程如下。

焦爐煤氣→錐形過濾器→一級洗滌罐（內設絲網除沫器）→一級氣缸→中間冷卻器→二級洗滌罐（內設旋風油水分離器、絲網除沫器）→二級氣缸→后冷分離器→逆止閥→中壓焦爐煤氣主管網。

3.2 壓縮機吸、排氣閥片材料及閥座改質

焦爐煤氣壓縮機的吸、排氣閥片要求使用期限長，耐腐蝕、易于維修、標準化水平高。原有的不銹鋼銅包墊材質，由于材料回彈性差、密封性差，不適用現場要求。

重新選用PEEK 工程塑料作為吸、排氣閥片材質。該材質具有耐高溫、自潤滑、易加工、高機械強度、高耐磨性、低摩擦系數、耐腐蝕、嵌藏性好等優點，且具有一定彈性，具備軟密封功能，即使密封面上有小顆粒物也不會影響其密封效果［2］。

將閥座材質從碳鋼改為不銹鋼，解決了閥座生銹和腐蝕的問題。

同時，為了減少焦爐煤氣內雜質對吸、排氣閥的黏附，對吸、排氣閥座結構和安裝角度進行了調整，減少了積水、積塵和積聚焦油的問題。同時安裝吸、排氣閥套排污管，采用定時排污的方式進行日常維護。圖4 為改造后焦爐煤氣壓縮機定修（半年為一個運行周期）拆卸下來的氣閥和氣閥座，未發現沉積物和損壞。

圖4 定修拆卸下來的氣閥和氣閥座

3.3 一、二級缸活塞環、支撐環改質

壓縮機一、二級缸活塞環、支撐環改用耐磨鑄鐵材質。耐磨鑄鐵在氣缸壓縮溫度160 ℃下，對焦油、萘的耐化學浸蝕性優良，耐磨性能大幅度提高。圖5 為改質后的壓縮機活塞環及二級缸，未出現磨損或斷裂。

圖5 改質后的壓縮機活塞環及二級缸

3.4 一、二級缸和氣封采用壓力注油潤滑

為了減少粉塵等小顆粒物對活塞環及氣缸的磨損，壓縮機一、二級缸采用壓力注油潤滑方式。在減小機組摩擦功的同時，減少滑動部位的磨損，延長零件壽命［3］。

氣缸填料處的潤滑油由單柱塞真空滴油式注油器提供，按分配閥結構比例精確分配到各個注油點，可根據需要調節螺套，使潤滑油量在0～100%范圍內調節。

3.5 壓縮機氣封改造、增加流散管和N2密封

（1）將壓縮機一、二級缸氣封填料密封環改質為聚四氟乙烯塑料，其在焦爐煤氣雜質下具有優良的耐腐蝕性，同時具有較好的耐高溫性、自潤滑性、和抗蠕變性，可提高密封性能。

（2）增加流散管。為防止氣封處煤氣泄漏，活塞環與氣封之間缸體空隙處增加流散管，降低該空隙內部壓力。流散管將煤氣引至廠房頂部放散。

（3）增加N2密封。在壓縮機一、二級缸氣封填料處增加N2密封裝置，與流散管和聚四氟乙烯填料共同作用，防止煤氣在廠房內泄漏。

3.6 活塞連桿、曲軸、活塞桿改質

活塞連桿、曲軸等重要運動部件采用45＃鍛鋼制造。活塞桿采用合金結構鋼（40Cr）制造，摩擦段表面淬火處理。對油封結構形式進行優化，增加刮油環。

3.7 提高檢修質量

制定了壓縮機檢修規程和驗收標準，要求對活塞環與缸體四周間隙、端面間隙、連桿水平度、滑塊與瓦間隙、十字頭間隙、曲軸與瓦間隙、氣閥安裝密封性等按規范要求調整，以保證檢修質量，滿足長周期運行需求。

4 結語

針對中壓焦爐煤氣壓縮機故障進行原因分析，改進了壓縮機結構，優化了壓縮機吸、排氣閥片、閥座、活塞環、支撐環等材質選型，采用壓力注油潤滑、定期排污和N2密封等一些列措施，解決了焦爐煤氣壓縮機故障頻發、廠房內CO 超標等問題。中壓焦爐煤氣壓縮機檢修周期延長至6 個月，大幅度降低檢修工作量，達到了長周期安全穩定運行目的，滿足了連鑄坯氫氧切割和中包烘烤等生產需求。