氮?dú)饷詫m壓縮機(jī)排氣溫度高的原因分析和改進(jìn)措施

計(jì)洪旭，王靈德，張國(guó)強(qiáng)

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州730060）

1 引言

某公司16萬(wàn)t/a聚丙烯裝置采用的是陶氏化學(xué)公司Unipol聚丙烯工藝，能生產(chǎn)出包括均聚物、無(wú)規(guī)共聚物和抗沖共聚物和抗沖共聚物在內(nèi)全范圍產(chǎn)品，可在較大操作范圍內(nèi)調(diào)節(jié)操作條件而使產(chǎn)品性能保持均一。氮?dú)饷詫m壓縮機(jī)該聚丙烯裝置生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于丙烯循環(huán)氣離心壓縮機(jī)的干氣密封，反應(yīng)器e口吹掃、分壓及置換，要求氮?dú)鈮嚎s機(jī)的氣體絕對(duì)純凈，無(wú)油潤(rùn)滑。氮?dú)饷詫m壓縮機(jī)活塞套和氣缸、填料和活塞桿采用的是迷宮密封，迷宮密封是依靠泄漏來(lái)保證密封的，迷宮密封包括許多順序排列的節(jié)流點(diǎn)和容積室，每個(gè)節(jié)流點(diǎn)作為一個(gè)微孔起作用，壓能在這里轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，下面的容積室降低氣體速度，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能和渦流能。這2個(gè)元件在密封范圍內(nèi)的重復(fù)應(yīng)用，降低了沿著活塞和活塞桿填料函蓋方向的壓力，因而達(dá)到密封效果。

氮?dú)饷詫m壓縮機(jī)的隔離段采用的是敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，活塞套和氣缸采用的迷宮密封，沒(méi)有因連續(xù)摩擦而引起活塞環(huán)和支承環(huán)磨損現(xiàn)象，維修費(fèi)用低，開(kāi)工率高，僅有極少的幾個(gè)部件要求特別維護(hù)，且凡要特別維護(hù)的部件都易于拆卸；氮?dú)饷詫m壓縮機(jī)采用立式結(jié)構(gòu)占地面積??；迷宮活塞既可逾越非金屬材料活塞環(huán)允許的最高工作溫度安全運(yùn)行，亦可高于氣缸有油潤(rùn)滑壓縮機(jī)的壓縮機(jī)油閃點(diǎn)正常工作，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。

2 問(wèn)題描述

聚丙烯裝置有2臺(tái)氮?dú)鈮嚎s機(jī)（GC2584A/B），壓縮機(jī)型號(hào)：MG-2.3/6.8～42.4，設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表1。正常工況下，壓縮機(jī)一級(jí)入口壓力為0.60～0.68 MPa，入口溫度基本接近環(huán)境溫度，二級(jí)排氣壓力要求不低于3.50 MPa，最高達(dá)到4.20 MPa。

在使用的過(guò)程中特別是夏季，壓縮機(jī)一級(jí)入口溫度達(dá)到最高達(dá)到35℃，此時(shí)提高壓縮機(jī)二級(jí)出口壓力，壓縮機(jī)一級(jí)排氣溫度就達(dá)到聯(lián)鎖值170℃停車(chē)，二級(jí)排氣溫度接近150℃（圖1），根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)壓縮機(jī)的排氣溫度不能超過(guò)150℃，針對(duì)氮?dú)鈮嚎s機(jī)存在的問(wèn)題，從壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)、氣缸間隙控制及活塞材料、填料密封等方面來(lái)解決氮?dú)饷詫m壓縮機(jī)排氣溫度的問(wèn)題。

表1 氮?dú)鈮嚎s機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 壓縮機(jī)排氣溫度曲線(xiàn)

3 原因分析及改進(jìn)措施

3.1 壓縮機(jī)氣缸冷卻系統(tǒng)

氮?dú)鈮嚎s機(jī)的冷卻水采用公用工程提供的循環(huán)水（圖2），壓縮機(jī)氣缸和一、二氣缸蓋采用串聯(lián)冷卻，冷卻水進(jìn)入氣缸套冷卻后，進(jìn)入一級(jí)氣缸蓋冷卻再進(jìn)入二級(jí)氣缸蓋冷卻，回流到總回水管路。

考慮到裝置位于鹽湖區(qū)域，公用工程循環(huán)冷卻水中氯離子含量較高，冷卻水質(zhì)對(duì)壓縮機(jī)的氣缸套、十字頭都是有影響的，長(zhǎng)時(shí)間容易結(jié)成水垢，產(chǎn)生腐蝕，因此對(duì)壓縮機(jī)氣缸循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行改造，配置一套10 t的軟水循環(huán)水站，供兩臺(tái)氮?dú)鈮嚎s機(jī)同時(shí)使用。從壓縮機(jī)運(yùn)行的記錄來(lái)看，氮?dú)鈮嚎s機(jī)氣缸溫度比較高，氣缸套冷卻后水溫已經(jīng)很高，此時(shí)再進(jìn)入氣缸蓋進(jìn)行冷卻，換熱效率大大降低，因此提出將一、二冷氣缸蓋從總管分流單獨(dú)供水，采用并聯(lián)的方式，降低壓縮機(jī)氣缸蓋進(jìn)水溫度，氣缸蓋冷卻效果會(huì)提高，從而更好的降低氣缸排氣溫度（圖3）。

3.2 氣缸間隙控制和活塞材料選擇

3.2.1 迷宮密封原理

圖2 改造前氮?dú)鈮嚎s機(jī)氣缸冷卻系統(tǒng)流程圖

圖3 改造后氮?dú)鈮嚎s機(jī)氣缸冷卻系統(tǒng)流程圖

迷宮壓縮機(jī)的迷宮密封有兩部分（圖4），一部分為迷宮活塞與氣缸間的密封，另一部分為迷宮填料與活塞桿間的密封，兩部分密封原理相同。如圖，在一定的小間隙下極少部分氣體通過(guò)各個(gè)節(jié)流點(diǎn)從高壓側(cè)流向低壓側(cè)，在通過(guò)每個(gè)節(jié)流點(diǎn)時(shí)，氣體再此將壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，當(dāng)氣體進(jìn)入齒槽中后，由于容積的突然擴(kuò)大，氣體速度急速下降（近乎于零），其一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，另一部分轉(zhuǎn)化為渦流能，經(jīng)過(guò)連續(xù)均布的節(jié)流和齒槽旋渦室的重復(fù)作用，泄漏氣體的壓力降低到低壓側(cè)壓力，達(dá)到氣密性要求。

3.2.2 壓縮機(jī)活塞組件檢查及改進(jìn)措施

現(xiàn)場(chǎng)拆檢氮?dú)鈮嚎s機(jī)一、二活塞時(shí)發(fā)現(xiàn)二級(jí)活塞存在嚴(yán)重的磨損（圖5），一級(jí)活塞的迷宮槽是完整無(wú)劃傷的。分析二級(jí)活塞磨損的原因，發(fā)現(xiàn)二級(jí)活塞為整體鍛鋁結(jié)構(gòu)，不含有活塞上、下蓋，壓縮機(jī)活塞在150℃的工作溫度下，活塞的線(xiàn)性膨脹量超出活塞和氣缸的設(shè)計(jì)間隙。對(duì)二級(jí)活塞套進(jìn)行試驗(yàn)分析，活塞套的材質(zhì)2A80為一般的鍛鋁材質(zhì)，耐高溫性能較差。

圖4 迷宮活塞密封及迷宮填料密封

圖5 二級(jí)活塞磨損情況

考慮到整體鍛鋁活塞套的線(xiàn)性膨脹量大，將二級(jí)活塞結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，采用活塞上、下蓋的結(jié)構(gòu)，減薄二級(jí)活塞套的厚度，縮小活塞套的線(xiàn)性膨脹量?；钊撞捎脟?guó)內(nèi)某金屬研究所的研制的新型耐高溫鍛鋁材料，適應(yīng)耐高溫的工況。

3.2.3 壓縮機(jī)活塞止點(diǎn)間隙檢查及改進(jìn)措施

現(xiàn)場(chǎng)拆檢氮?dú)鈮嚎s機(jī)一、二級(jí)活塞時(shí)，測(cè)量一、二級(jí)活塞的上、下止點(diǎn)間隙（圖6），發(fā)現(xiàn)一級(jí)活塞的的上止點(diǎn)間隙偏大，S1達(dá)到了3.50 mm，一級(jí)氣缸蓋和氣缸結(jié)合面存在2 mm的四氟乙烯板墊，檢查發(fā)現(xiàn)氣缸蓋和氣缸O型圈密封倒角偏大，O型圈無(wú)法密封，增加了四氟乙烯板密封，這樣雖達(dá)到了密封的效果，但增加活塞上止點(diǎn)的間隙。根據(jù)試驗(yàn)研究，增大止點(diǎn)間隙，會(huì)造成氣缸余隙系數(shù)增大，氣體被反復(fù)壓縮，排氣溫度急速升高。氣缸止點(diǎn)間隙是壓縮機(jī)排氣溫度的關(guān)鍵因素，壓縮機(jī)止點(diǎn)間隙要嚴(yán)格控制，此機(jī)型S1要嚴(yán)格控制在1.70～2.20 mm，S2要控制在0.8～1.3 mm。

將A處墊片去掉，測(cè)量O型圈的線(xiàn)徑5 mm，更換線(xiàn)徑為5.7 mm的O型圈，車(chē)削一級(jí)氣缸蓋的上端面厚度，調(diào)整一級(jí)活塞上止點(diǎn)的間隙到2.05 mm。

3.3 壓縮機(jī)填料密封檢查及改進(jìn)措施

氮?dú)鈮嚎s機(jī)的填料與活塞桿間采用接觸式密封和迷宮密封相結(jié)合的方式（圖7），填料采用多組填料環(huán)密封，現(xiàn)場(chǎng)拆檢填料時(shí)發(fā)現(xiàn)活塞桿磨損比較嚴(yán)重，特別是接觸填料部分磨損嚴(yán)重，填料磨損間隙大，會(huì)造成氣體泄漏量大，特別是一級(jí)的填料磨損比較嚴(yán)重，級(jí)間壓力降低，會(huì)造成二級(jí)負(fù)荷增加，二級(jí)排氣溫度升高。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)氮?dú)鈮嚎s機(jī)的氣缸剖面圖

圖7 氮?dú)鈮嚎s機(jī)的填料密封結(jié)構(gòu)圖

填料密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，填料活塞桿段采用內(nèi)部油冷卻，考慮填料沒(méi)有通水冷卻，活塞桿要適應(yīng)耐高溫耐磨的工況，更換活塞桿，對(duì)活塞桿的表面進(jìn)行處理，噴涂碳化鎢，增加其耐高溫耐磨性。

4 效果檢驗(yàn)

改進(jìn)后，該公司聚丙烯裝置氮?dú)鈮嚎s機(jī)于2018年7月重新投入運(yùn)行，氮?dú)鈮嚎s機(jī)一級(jí)進(jìn)口壓力0.68 MPa，進(jìn)口溫度31℃，二級(jí)排氣壓力升至4.20 MPa，一級(jí)壓縮機(jī)的排氣溫度135℃，二級(jí)排氣溫度126℃，壓縮機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)運(yùn)行穩(wěn)定，氮?dú)鈮嚎s機(jī)的排氣溫度高的問(wèn)題得到了徹底解決。

5 結(jié)語(yǔ)

氮?dú)饷詫m壓縮機(jī)是聚丙烯裝置生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，壓縮機(jī)的排氣溫度要極為重視，它會(huì)嚴(yán)重影響壓縮機(jī)各方面的使用性能及壽命，要從壓縮機(jī)的水路系統(tǒng)、壓縮機(jī)間隙檢查、活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材質(zhì)和填料密封結(jié)構(gòu)等方面予以改進(jìn)。