干式螺桿壓縮機(jī)在芳烴干氣壓縮中的研究與應(yīng)用

劉劍鋒

（中國(guó)石化天津分公司，天津300271）

1 引言

無(wú)油工藝螺桿壓縮機(jī)由于同時(shí)具備容積式與回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的特點(diǎn)[1]，可靠、耐臟、維護(hù)方便、適應(yīng)性強(qiáng)，因此被廣泛的應(yīng)用于礦山、化工、動(dòng)力、冶金、建筑、機(jī)械、制冷等工業(yè)部門(mén)[-2]。根據(jù)工藝要求，無(wú)油工藝螺桿壓縮機(jī)分為濕式壓縮機(jī)和干式壓縮機(jī)，干式螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中無(wú)需向腔內(nèi)噴液冷卻，并采用可靠的密封系統(tǒng)將工藝氣和潤(rùn)滑油系統(tǒng)完全隔離開(kāi)來(lái)，適用于工藝氣不能被污染的場(chǎng)合，可確保壓縮過(guò)程中工藝氣體的絕對(duì)純凈。

干式螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較高，對(duì)軸承和軸封要求較高。同時(shí)，干式壓縮機(jī)在殼體上設(shè)水夾層以降低壓縮氣體溫度。根據(jù)壓縮介質(zhì)的不同，干式壓縮機(jī)單級(jí)壓比可以達(dá)到2～3.5，通過(guò)兩級(jí)或多級(jí)串聯(lián)可以達(dá)到6以上。目前主要應(yīng)用的壓縮場(chǎng)合主要有氯乙烯（VCM）、丁二烯（DMF法） 等。

2 芳烴干氣壓縮的工藝介紹

目前，擁有芳烴生產(chǎn)全套工藝技術(shù)的專(zhuān)利商為美國(guó)UOP和法國(guó)IFP兩家，國(guó)內(nèi)企業(yè)中除鎮(zhèn)海煉化與大連福佳大化采用IFP工藝外，其余廠家均采用UOP工藝。UOP工藝芳烴聯(lián)合裝置通常包括催化重整、芳烴抽提、二甲苯分離、歧化及烷基轉(zhuǎn)移、吸附分離和二甲苯異構(gòu)化等裝置。其中，歧化工藝氣體裝置與異構(gòu)化工藝脫庚烷裝置將產(chǎn)生部分干氣，這部分氣體中主要組分為乙烷和甲烷，可增壓輸送至乙烯裂解單元，這樣比將干氣并入燃料氣系統(tǒng)產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1示出LG22/0.25-1.0芳烴干式螺桿壓縮機(jī)工藝氣系統(tǒng)流程。來(lái)自歧化異構(gòu)化裝置的尾氣經(jīng)入口過(guò)濾器進(jìn)入干式螺桿壓縮機(jī)壓縮至1.0 MPa（G）后，冷卻至40℃送至乙烯裂解單元。

為控制設(shè)備噪聲，干式螺桿壓縮機(jī)出入口均安裝消聲器；為穩(wěn)定入口壓力，在冷卻器出口和螺桿壓縮機(jī)入口之間設(shè)有循環(huán)回流調(diào)節(jié)閥。

（1） 氣體特點(diǎn)

芳烴干氣來(lái)自歧化和異構(gòu)化裝置的尾氣。尾氣中主要以乙烷、丙烷為主，同時(shí)含有一定量的氫氣和碳4組分，詳細(xì)的組分如下表1所示。

圖1 L G 22/0.25-1.0芳烴干氣壓縮機(jī)流程圖

表1 芳烴干氣組成

根據(jù)上表，芳烴干氣的平均分子量約為35.5，氣體的絕熱指數(shù)約為1.16。該氣體物理性質(zhì)可推斷，氣體的泄漏聲速較低，表明無(wú)油干式壓縮機(jī)的內(nèi)泄漏量較小，因此在壓縮過(guò)程中能夠保證較高的容積效率。同時(shí)，由于絕熱指數(shù)低，意味著氣體壓縮過(guò)程中較不易發(fā)熱。這些性質(zhì)決定了芳烴干氣壓縮可以在較高的壓比范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)干式壓縮，而不至于排氣溫度過(guò)高導(dǎo)致壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子咬合。

（2） 工況特點(diǎn)

歧化、異構(gòu)化裝置所泄放的尾氣帶有一定的壓力，需經(jīng)壓縮機(jī)提壓后進(jìn)入乙烯裂解單元。壓縮機(jī)的具體操作工況如表2所示。

根據(jù)表2所示，壓縮機(jī)的進(jìn)排氣壓比為3.14，進(jìn)排氣壓差為0.75 MPa（G）。相應(yīng)的吸氣量在螺桿壓縮機(jī)的適用范圍內(nèi)。

表2 操作工況

3 芳烴干氣螺桿壓縮機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

LG22/0.25-1.0芳烴干氣螺桿壓縮機(jī)的主要機(jī)型參數(shù)如表3所示。

表3 機(jī)型參數(shù)

3.1 內(nèi)容積比的設(shè)計(jì)

內(nèi)容積比是螺桿壓縮機(jī)的重要參數(shù)。理想情況下，螺桿壓縮機(jī)內(nèi)容積比的設(shè)置應(yīng)保證內(nèi)壓力與排氣壓力一致，當(dāng)內(nèi)外壓力不相等時(shí)將造成額外的功率損耗。在干式螺桿壓縮機(jī)中，額外的功耗將全部施加于工藝氣體中，造成壓縮機(jī)的排氣溫度升高。合適的內(nèi)容積比取決于氣體物性、操作條件、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、排氣孔結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子型線等參數(shù)，因此不同的氣體和工況下，相對(duì)應(yīng)的內(nèi)容積比不盡相同。根據(jù)本項(xiàng)目，考察不同內(nèi)容積比下的軸功率和排氣溫度，結(jié)果如下圖2所示。

圖2 不同內(nèi)容積比下的軸功率和排氣溫度

根據(jù)圖2所示，芳烴干氣壓縮機(jī)的內(nèi)容積比在2.5時(shí)，壓縮過(guò)程的軸功率最低，排氣溫度也最小，是最佳的內(nèi)容積比。

3.2 齒頂速度的設(shè)計(jì)

螺桿壓縮機(jī)存在最佳的齒頂速度，在此速度下運(yùn)行，壓縮機(jī)的效率最高。最佳齒頂速度取決于氣體物性、工況參數(shù)、相對(duì)間隙值和轉(zhuǎn)子型線[3]。通常情況下，干式螺桿壓縮機(jī)的最佳齒頂速度高于噴液螺桿壓縮機(jī)。根據(jù)芳烴干氣壓縮機(jī)的運(yùn)行工況，考察不同齒頂速度下的容積效率和排氣溫度如下圖3所示。

圖3 不同齒頂速度的容積效率和排氣溫度

根據(jù)芳烴干氣的工況和選用的壓縮機(jī)，計(jì)算的最佳齒頂速度為65 m/s。理論上為保證壓縮的效率，設(shè)計(jì)的齒頂速度應(yīng)在最佳齒頂速度，但與空氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)理念不同，工藝螺桿壓縮機(jī)更關(guān)注可靠性。因此實(shí)際的齒頂速度還受軸承、軸封和同步齒輪的限制。雖然在最佳的齒頂速度下芳烴干氣壓縮機(jī)可獲得較高的經(jīng)濟(jì)性，但也帶來(lái)了存在的風(fēng)險(xiǎn)，如機(jī)器振動(dòng)和噪聲增大。因此芳烴干氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的齒頂速度在44 m/s，能夠同時(shí)兼顧可靠性和安全性。

3.3 靜態(tài)嚙合間隙的設(shè)計(jì)

無(wú)油螺桿壓縮機(jī)的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子之間并不接觸，存在嚙合間隙，相對(duì)間隙的大小影響螺桿壓縮機(jī)的效率，更確切地說(shuō)，影響螺桿壓縮機(jī)的效率取決于“熱態(tài)”間隙[4]。陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子在環(huán)境溫度下進(jìn)行嚙合時(shí)，所形成的“冷態(tài)”間隙，并非實(shí)際運(yùn)行時(shí)的間隙值，當(dāng)運(yùn)行溫度與嚙合時(shí)的環(huán)境溫度不同時(shí)，螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子發(fā)生熱脹冷縮的形變，使轉(zhuǎn)子的實(shí)際嚙合間隙值發(fā)生改變，此時(shí)的間隙值即為“熱態(tài)”間隙。芳烴干氣壓縮機(jī)在額定工況運(yùn)行時(shí)，不同的冷態(tài)間隙所對(duì)應(yīng)的排氣溫度及熱態(tài)間隙值如圖4所示。

根據(jù)圖4所示，一方面，當(dāng)冷態(tài)間隙越大壓縮機(jī)的內(nèi)泄漏越嚴(yán)重，效率越低，干式壓縮機(jī)的排氣溫度越高；另一方面，當(dāng)冷態(tài)間隙越大時(shí)，轉(zhuǎn)子間的熱態(tài)間隙越大，轉(zhuǎn)子越不容易咬合，運(yùn)行的安全性越高。因此實(shí)際的冷態(tài)間隙值應(yīng)兼顧這兩方面，即要保證較高效率，又要防止轉(zhuǎn)子咬合。芳烴干氣壓縮機(jī)適宜的冷態(tài)嚙合間隙值應(yīng)為0.3～0.4 mm。

圖4 不同冷態(tài)間隙下的熱態(tài)間隙和排氣溫度

3.4 殼體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

芳烴干氣壓縮機(jī)在額定工況下的排氣溫度大于100℃，為防止壓縮機(jī)的殼體產(chǎn)生過(guò)度變形，因此需要設(shè)置相應(yīng)的水夾層，并且采用更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。為此選用的干式螺桿壓縮機(jī)為兩段式帶水夾層結(jié)構(gòu)，同時(shí)干式螺桿壓縮機(jī)的噪聲較高，優(yōu)化排氣通道和殼體的結(jié)構(gòu)能夠起到良好的降噪作用[5]。總體外形結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 干式螺桿壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)外觀圖

芳烴干氣螺桿壓縮機(jī)水夾層結(jié)構(gòu)可有效防止殼體受熱變形，同時(shí)兩段式也降低了對(duì)中裝配的難度，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提高了設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行能力，根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)情況測(cè)量的最大振動(dòng)值遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求值。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

我公司選用芳烴干氣無(wú)油干式螺桿壓縮機(jī)為國(guó)內(nèi)某廠家的LG22/0.25-1.0型號(hào)壓縮機(jī)。該設(shè)備順利通過(guò)了空氣試車(chē)和工藝氣試車(chē)，并以2013年10月份正式投入使用，經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，各項(xiàng)性能平穩(wěn)。

芳烴干氣壓縮機(jī)的順利運(yùn)行減少了尾氣的排放，為裂解單元提供了寶貴的原料，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。由于采用了干式壓縮機(jī)技術(shù)，流程簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，減少了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的巡檢和檢修工作量，具有良好的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語(yǔ)

工藝螺桿壓縮機(jī)與化工生產(chǎn)工藝結(jié)合緊密。無(wú)油干式螺桿壓縮機(jī)經(jīng)過(guò)關(guān)鍵技術(shù)的分析與研究，在芳烴干氣壓縮工藝中具備良好的適應(yīng)性，并在實(shí)際運(yùn)行中獲得成功。因此，在相同的工藝中可進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐茝V，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果。

[1] Glen B，Peter A，Russ C，Dry Screw Compressors in Process Gas Applications Including Maintenance Considerations[J].Proceedings of the Twenty-first Turbo Machinery Symposium，1992：3-19

[2]邢子文.螺桿壓縮機(jī)——理論、設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

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[4] 林德.螺桿壓縮機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

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