提升高壓氫氣壓縮機效能的技術改造

鞏慶剛，趙永剛

（山東鋁業有限公司氯堿廠，山東淄博）

山東鋁業有限公司氯堿廠離子膜燒堿產能15 萬t/a，氯氣13 萬t/a，投產初期，氫氣除少量用于鹽酸生產和作為氫氣鍋爐的燃料外， 大部分放空。隨著氫氣作為化工原料和新能源的需求越來越大，氯堿廠陸續投用3 臺高壓氫氣壓縮機和3 臺低壓氫氣壓縮機，用于氫氣充裝槽車和氫氣外售管道。

1 氫壓機運行現狀

氫氣壓縮機于2014年投用， 已成為氯堿廠新的經濟增長點，從每天外售氫氣3 萬m3，發展到現在每天售出10 萬m3以上， 氫氣利用率平均在90%以上， 創造的經濟效益從開始的每年約一千萬元，到現在每年約三千萬元，為氯堿廠的發展做出巨大貢獻。目前3 臺低壓氫壓機運行穩定，3 臺高壓氫壓機運行故障率較高，效能未充分發揮。

2 高壓氫壓機工作原理與配置

高壓氫氣壓縮機為對稱平衡型、五級水冷式結構，重要組件包括鑄鐵氣缸、鑄鐵缸套、鑄鐵缸蓋、鑄鐵曲軸、連桿、十字頭（包括十字頭滑道）、填料、活塞（包括活塞環）、刮油環、不銹鋼活塞連桿、不銹鋼氣閥等，此外還有一些附屬設備，如氣體過濾器、緩沖器、潤滑油管路等。 氫氣壓縮機運行包括吸氣、壓縮和排氣3 個過程，由電機通過飛輪聯軸器帶動曲柄連桿機構運轉，連桿與十字頭相連，十字頭推動活塞往復運動， 氣體在活塞壓縮下通過氣閥排出，將常壓氫氣通過五級壓縮至20 MPa。

氣閥是壓縮機的重要部件之一，采用平面環狀閥結構，作用原理是利用活塞上下運動時氣體壓差自動啟閉，從而控制氣缸的進氣和排氣。 氣閥由螺栓、開口銷、螺母、閥座、閥片、彈簧和升高限制器等組成，其運行效果對壓縮機的排氣量和功率損失有很大影響。 氣閥的運動零件——閥片和彈簧長期處于高溫下受沖擊工作，屬壓縮機的易損件。 高壓氫氣壓縮機結構圖見圖1。

圖1 高壓氫氣壓縮機結構圖

高壓氫壓機設計參數：（1）產能1000 m3/h；（2）一級出口壓力0.3 MPa，二級出口壓力1.15 MPa，三級出口壓力3.5 MPa，四級出口壓力8 MPa，五級出口壓力20 MPa；（3）產品氫氣含水≤20×10-6。

3 高壓氫壓機運行中出現的問題及原因分析

3.1 主要問題

（1）高壓氫壓機一級和二級氣缸冷卻器排水量大；

（2）高壓氫壓機一級和二級氣缸的彈簧頻繁斷裂，并造成閥片損壞；

（3）高壓氫壓機效能低，氫氣充裝量小，電耗高。

3.2 原因分析

氫氣系統工藝流程： 來自電解崗位氫氣總管的高溫濕氫氣進入氫氣洗滌塔底部， 氫氣洗滌水池的循環冷凝水通過循環水降溫后打入氫氣洗滌塔頂部。 氫氣與冷凝水逆流接觸，降低氫氣溫度，大部分水分被冷凝析出，經底部排出， 底部有水封，防止氫氣逸出。 被洗滌冷卻后的氫氣從洗滌塔頂部出來，進入3 臺高壓氫壓機，經過一級、二級壓縮后，從二級壓縮機出口進入干燥系統保護塔， 除去氫氣雜質，再進入氣液分離罐，進入干燥塔利用氧化鋁球除去水分，進入產品氣緩沖罐，再進入高壓氫壓機三級壓縮機進口，氫氣經三、四、五級壓縮后輸送至氫氣充裝臺對氫氣槽車進行充裝。 氫氣處理工藝流程圖見圖2。

圖2 氫氣處理工藝流程圖

通過對氫氣處理的工藝流程進行深入分析發現，由于氫氣在洗滌塔與洗滌水逆流接觸，氫氣中含水為飽和水蒸氣。 從氫氣洗滌塔出來的氫氣溫度為45～55 ℃，平均含水量84 g/m3，進入高壓氫壓機后，因為壓縮機氣缸的工作溫度為120～150 ℃，氫氣中大量的水分在氣缸內瞬間氣化， 壓力迅速上升，產生巨大沖擊力，容易使閥片彈簧脆斷，并在一級和二級氣缸冷卻器冷凝成液體水，造成一級和二級氣缸冷卻器排水閥排水量大，排水時間長，同時影響氫氣壓縮效能，造成氫氣充裝能力下降，電耗升高；如果一級和二級氣缸冷卻器排水閥不及時排水，造成氧化鋁球失效，會影響氫氣干燥，使氫氣產品含水量高，影響客戶正常使用。

4 技術改進

4.1 技術改進原理

氫氣中的水含量可以根據安托尼 （Antoine）方程計算，安托尼方程通常用來計算物質的飽和蒸氣壓，計算水的飽和蒸氣壓的公式如下：

式中：P—水在T 溫度時的飽和蒸氣壓，kPa；

T—水的溫度，℃。

根據安托尼方程，在相同壓力下，氫氣中水的飽和蒸氣壓與溫度高低有密切關系，溫度越高飽和蒸氣壓越高，可以通過降低氫氣溫度來降低氫氣中水分的飽和蒸氣壓，減少氫氣含水量。

根據理想氣體狀態方程PV=nRT 可推導：

式中：C—氣體飽和質量濃度，g/m3；

P—水在T 溫度時的飽和蒸氣壓，Pa；

T—水的溫度，℃。

M—水的摩爾質量，18 g/mol；

R—8.314 氣體常數，J/（mol·K）。

根據公式（1）、（2）計算的飽和水蒸氣含水量與實驗檢測的數據非常接近。 不同溫度下水的飽和蒸氣壓及水含量變化趨勢見圖3。

圖3 不同溫度下水的飽和蒸氣壓及水含量變化趨勢圖

電解槽出來的氫氣溫度70～78 ℃，經過氫氣洗滌塔降溫后，氫氣溫度為45～55 ℃，飽和水蒸氣含水65～103 g/m3，平均值為84 g/m3；如果將氫氣溫度降低到20 ℃，含水量將下降到17.2806 g/m3以下，減少79%的水分。 通過論證認為，在氫氣洗滌塔與高壓氫壓機之間的氫氣管道上增加氫氣冷卻器和水霧捕集器來降低氫氣含水量的方案可行。

4.2 技術改進內容

改進后，被洗滌冷卻后的氫氣從洗滌塔頂部出來，再從頂部進入新增的氫氣冷卻器，經過7～15 ℃的冷水進一步冷卻，從底部進入水霧捕集器，除去氫氣中的水分，再通過氫氣分配臺分別進入3 臺高壓氫壓機，經過一級、二級壓縮后，從二級壓縮機出口進入干燥系統保護塔，除去氫氣中的油，再進入氣液分離罐， 進入干燥塔中， 利用氧化鋁球除去水分，進入產品氣緩沖罐，再進入高壓氫壓機三級壓縮進口，氫氣經三、四、五級壓縮后，壓力達到19.5 MPa，輸送至氫氣充裝臺，對氫氣槽車進行充裝。 改進后氫氣處理工藝流程圖見圖4。

圖4 改進后的氫氣處理工藝流程圖

4.3 改進過程

氫氣冷卻器和水霧捕集器按每小時通過3000 m3氫氣、溫度由45～55 ℃冷卻到20 ℃進行設計，具體參數見表1。

表1 氫氣冷卻器和水霧捕集器的設計參數

根據設計參數制作氫氣冷卻器和水霧捕集器，提前安裝就位，并用管道連接，利用生產裝置大修停車的時機與氫氣壓縮機氫氣管道進行改造，并投入使用。 冷水機組的出水溫度實際控制在8～10 ℃、冷水壓力0.15～0.30 MPa，氫氣冷卻器的氫氣流量3000 m3/h、壓力1.0～3.5 kPa，降溫效果良好，水霧捕集器除水效果明顯，進入高壓氫氣壓縮機的氫氣溫度穩定在18 ℃左右。

5 改進效果分析

在氫氣洗滌塔后、高壓氫壓機前增加氫氣冷卻器和水霧捕集器后，進入高壓氫壓機的氫氣平均溫度控制在18 ℃，含水量約15.36 g/m3，比改造前下降約81.7%， 高壓氫壓機一級和二級氣缸冷卻器排水量明顯減少，排水時間只有3～5 s；氫壓機平均檢修周期由33.8 天延長到41.5 天， 高壓氫氣壓縮機效能達到85%以上，改造效果明顯。

5.1 氫氣壓縮機效能統計分析

氫氣冷卻器和水霧捕集器于2022年6月21日投入運行，改造前后6 天的氫氣壓縮機效能統計表見表2。

表2 改造前后氫氣壓縮機效能統計表

改造前高壓氫壓機運行1 h 平均充裝氫氣量700.65 m3， 改造后高壓氫壓機運行1 h 平均充裝氫氣量857.7 m3，改造后，平均每小時充裝量提高157 m3，氫氣壓縮機平均效能提高15.7%。

提高高壓氫壓機相同運行時間的氫氣充裝量相當于減少高壓氫壓機運行時間，節省了電能，減少了槽車充裝時間，提高了工作效率。 改造前后6 天的氫氣壓縮機效能對比見圖5。

5.2 運行周期變化

改造前后的氫氣壓縮機連續運行時間統計表見表3。

表3 改造前后氫氣壓縮機連續運行時間統計表

氫氣系統工藝改造前， 氫氣壓縮機單臺平均連續運行時間33.8 天； 改造后平均連續運行時間41.5 天，單臺平均延長7.7 天。

5.3 經濟效益分析

（1）2022年1-5月， 每月高壓氫氣平均充裝量123.48 萬m3，7-12月每月高壓氫氣平均充裝量159.99 萬m3，比前期增加36.51 萬m3，每月增加經濟效益54.77 萬元，2022年7 -12月增加經濟效益328.61 萬元， 預計2023年全年增加經濟效益657.22 萬元。

（2）節省檢修費用。 高壓氫壓機運行周期由33.8天延長到41.5天， 相當于單臺高壓氫壓機每年減少2 次檢修，3 臺共減少6 次檢修， 節省檢修費用4.632 萬元。

（3）由于氫氣壓縮機效能提升，在生產裝置低負荷運行時，減少了氫氣壓縮機運行的時間。

（4）氫氣系統改造后，每年預計增加效益、降低檢修費用合計661.854 萬元。

6 結語

通過在氫氣壓縮機前增加氫氣冷卻器和水霧捕集器來降低氫氣溫度， 有效降低了氫氣含水量，減少了彈簧脆斷和閥片故障，延長了檢修周期。 氫氣壓縮機運行穩定，降低了檢修費用，保證了氫氣充裝量，大幅提升了客戶滿意度。