小規(guī)模高壓加氫裝置壓縮機(jī)選型

吳廣宇，于波

（1.中石化洛陽工程有限公司，河南洛陽471003；2.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽110869）

小規(guī)模高壓加氫裝置壓縮機(jī)選型

吳廣宇1，于波2

（1.中石化洛陽工程有限公司，河南洛陽471003；2.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽110869）

介紹小規(guī)模高壓加氫裝置壓縮機(jī)選型過程容易出現(xiàn)的問題，通過理論分析和實(shí)際計(jì)算，找出問題出現(xiàn)的原因，提出了相應(yīng)的解決方案。

壓縮機(jī)；反向角；旋轉(zhuǎn)切向力；平衡段

1　加氫裝置壓縮機(jī)特點(diǎn)

循環(huán)氫壓縮機(jī)用于維持反應(yīng)系統(tǒng)循環(huán)氫循環(huán)，只需克服整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)氫壓降（系統(tǒng)壓降一般不大于20bar），具有壓比小、流量大的特點(diǎn)，一般選用離心式壓縮機(jī)。新氫壓縮機(jī)用于補(bǔ)充加氫反應(yīng)過程中消耗的氫氣，需將氫氣從氣源壓力壓縮升壓至反應(yīng)壓力，具有壓比大，流量相對(duì)較小的特點(diǎn)，一般選用往復(fù)壓縮機(jī)。

圖1　典型加氫裝置流程示意圖

但在小規(guī)模高壓加氫裝置中的循環(huán)氫壓縮機(jī)，由于裝置本身規(guī)模較小，操作壓力高，循環(huán)氫壓縮機(jī)流量小，宜選用往復(fù)壓縮機(jī)作為循環(huán)氫壓縮機(jī)。

2　選型過程中容易出現(xiàn)的問題

由于裝置規(guī)模小，循環(huán)氫壓縮機(jī)操作壓力高，循環(huán)氫的狀態(tài)流量小，且循環(huán)氫壓縮機(jī)壓比較小，選用往復(fù)壓縮機(jī)做循環(huán)氫壓縮機(jī)可能會(huì)存在以下問題：

2.1反向角過小

循環(huán)氫狀態(tài)流量小，則壓縮機(jī)的氣缸直徑較小，再加上壓比較小，造成氣缸在內(nèi)死點(diǎn)時(shí)，由于活塞桿占活塞面積比例過大，進(jìn)氣壓力在蓋側(cè)產(chǎn)生的指向軸側(cè)的氣體力大于排氣壓力在軸側(cè)壓縮產(chǎn)生的指向蓋側(cè)的氣體力，即Fg-HE＞Fg-CE，見圖2。導(dǎo)致氣體力一直指向軸側(cè)，進(jìn)而導(dǎo)致反向角過小，甚至沒有反向角。

以某廠35萬噸/年柴油加氫精制-改質(zhì)-臨氫降凝裝置中循環(huán)氫壓縮機(jī)為例

循環(huán)氫壓縮機(jī)為一開一備，單臺(tái)操作參數(shù)如下：

進(jìn)口流量：34 000 m3n/h

進(jìn)口壓力：10.0 MPa（A）

進(jìn)口溫度：50℃

出口壓力：11.8 MPa（A）

入口狀態(tài)流量：6.7 m3/min

如氣缸采用雙作用方案，壓縮機(jī)主要參數(shù)見表1。

圖2　氣缸氣體力示意圖

表1　壓縮機(jī)參數(shù)

活塞處于內(nèi)死點(diǎn)時(shí)的氣體力計(jì)算：

軸側(cè)氣體力

蓋側(cè)氣體力

從以上結(jié)果可以看出，氣體力一直指向曲軸側(cè)。

根據(jù)機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系［1］，見圖3，可以得出式（1）：

活塞位移

再根據(jù)位移、速度和加速度關(guān)系可得出式（2）：

往復(fù)慣性力

根據(jù)多變壓縮原理

氣體壓力

式中r——曲柄半徑，m

λ——曲柄半徑/連桿中心距，m

α——曲柄旋轉(zhuǎn)角度，弧度

ω——曲軸轉(zhuǎn)速，r/min

m——往復(fù)質(zhì)量，m

p——?dú)怏w壓力

V——?dú)怏w容積

將壓縮機(jī)參數(shù)值帶入式（1）、（2）、（3），暫不考慮氣閥彈簧力引起的進(jìn)排氣壓力的變化和往復(fù)摩擦力，氣體按理想氣體考慮，計(jì)算可得壓縮機(jī)的往復(fù)慣性力、氣體力、綜合活塞力圖，如圖4。

圖3　曲軸連桿系統(tǒng)幾何關(guān)系圖

圖4　受力圖

從圖4可以看出，氣體力一直指向軸側(cè)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可得，反向角約48°，反向角較小。API618-2007第6.6.4條對(duì)反向角的要求：有些已經(jīng)被證實(shí)可靠的有槽襯套設(shè)計(jì)，反向角≥15°，但前提是證實(shí)可靠。

2.2旋轉(zhuǎn)切向力不均勻度過大

由于綜合活塞力的不均勻性，根據(jù)綜合活塞力和旋轉(zhuǎn)切向力的關(guān)系，計(jì)算可得旋轉(zhuǎn)切向力的不均勻度比較大，進(jìn)而導(dǎo)致壓縮機(jī)飛輪矩增大。

往復(fù)壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)切向力與綜合活塞力的關(guān)系見圖5。

圖5　切向力幾何關(guān)系圖

通過連桿，作用在曲柄銷上的力pc可以分解為2個(gè)方向的分力：垂直于曲柄的切向力T和沿曲柄半徑方向的徑向力Rx。根據(jù)相應(yīng)的三角關(guān)系可得：

pt——綜合活塞力

將綜合活塞力pt的計(jì)算值帶入上式，可得壓縮機(jī)的切向力圖6。

圖6　旋轉(zhuǎn)切向力圖

切向力圖的正確性可以用熱力學(xué)計(jì)算中所得功率來校核，按功率計(jì)算得到的平均切向力計(jì)算公式如下

從圖6可以看出，切向力的分布很不均勻。

積分下限是α=0，上限是α=αi，Td為驅(qū)動(dòng)力，T0為阻力（即旋轉(zhuǎn)切向力）。

L0-i表示從0-αi曲軸所接受的功，如果此段時(shí)間內(nèi)L最大，則該點(diǎn)的角速度最大，為ωmax，如果此段時(shí)間內(nèi)L最小，則此點(diǎn)的角速度最小，為ωmin。

式中δ——旋轉(zhuǎn)不均勻度，表示一轉(zhuǎn)中的角速度變化大小

ωmax——轉(zhuǎn)動(dòng)中的最大角速度（rad/s）

ωmin——轉(zhuǎn)動(dòng)中的最小角速度（rad/s）

以剛性聯(lián)軸器連接，軸功率150 kW以上，為減少對(duì)電網(wǎng)影響，一般取δ≤1/100。根據(jù)動(dòng)能定理，曲軸在一轉(zhuǎn)中的能量變化的最大值等于外力在這段時(shí)間內(nèi)對(duì)曲軸所作的功，即

根據(jù)理論力學(xué)習(xí)慣，將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J寫成習(xí)慣的飛輪矩形式

式中m——旋轉(zhuǎn)剛體質(zhì)量，kg

R、D——旋轉(zhuǎn)剛體的回轉(zhuǎn)半徑、直徑，m

G——旋轉(zhuǎn)剛體重量，N

GD2——飛輪矩，Nm2

根據(jù)壓縮機(jī)的切向力圖，可以看出，由于切向力的不均勻度比較大，造成ΔL較大，進(jìn)而導(dǎo)致壓縮機(jī)飛輪矩增大，而壓縮機(jī)制造廠固定機(jī)型所能提供的飛輪矩是一定的，多余的飛輪矩就需要由電機(jī)提供，如果所需飛輪矩過大，會(huì)使電機(jī)升檔。

此類問題在多級(jí)壓縮的新氫壓縮機(jī)的高壓級(jí)，缸徑小，壓力很高的情況下也可能會(huì)出現(xiàn)，設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)予以考慮。

3　解決方案

3.1軸側(cè)工作，蓋側(cè)做平衡段

圖7　蓋側(cè)做平衡段圖

氣缸軸側(cè)工作，蓋側(cè)做平衡段，引入口氣做平衡氣。由于只是軸側(cè)工作，氣缸直徑將增大，活塞桿直徑占去活塞面積有一定程度減小，且蓋側(cè)引入口氣做平衡氣，整個(gè)氣體力的反向情況大有改善，進(jìn)而反向角增大，如圖7。

仍以某廠循環(huán)氫壓縮機(jī)為例，采用軸側(cè)單作用方案，壓縮機(jī)參數(shù)如表2。

表2　壓縮機(jī)參數(shù)

將以上參數(shù)帶入相應(yīng)計(jì)算公式，計(jì)算可得壓縮機(jī)的往復(fù)慣性力、氣體力、綜合活塞力圖。

從圖8可以看出，反向角約為100°，情況大有改善。

將旋轉(zhuǎn)切向力計(jì)算數(shù)據(jù)和公式帶入，可得旋轉(zhuǎn)切向力圖，如圖9。

軸功率不變，故旋轉(zhuǎn)切向力的平均值不變，仍為25.9 kN。

圖8　蓋側(cè)做平衡段受力圖

由圖9可以看出，旋轉(zhuǎn)切向力的不均勻情況也有很大改善。

圖9　蓋側(cè)做平衡段旋轉(zhuǎn)切向力圖

圖10　軸側(cè)做平衡段圖

需要注意的問題：

由于蓋側(cè)為平衡段，氣體無法通過排氣閥排出，如果循環(huán)氫中有可能存在液相，或壓縮機(jī)采用少油潤滑操作，需考慮蓋側(cè)排液問題。

另外由于入口氣體在平衡段中反復(fù)進(jìn)出，是否會(huì)引起溫升需考慮。

3.2蓋側(cè)工作，軸側(cè)做平衡段

氣缸蓋側(cè)工作，軸側(cè)做平衡段，引出口壓力做平衡氣。由于只是蓋側(cè)工作，氣缸直徑將增大，并且軸側(cè)引出口壓力做平衡氣，氣體力的反向也將有所改善，預(yù)計(jì)反向角增大，如圖10。

需注意的問題：氣缸填料部分無壓力脈動(dòng)，與往復(fù)機(jī)壓力填料工作原理不符，容易產(chǎn)生泄漏，經(jīng)與相關(guān)氣閥公司咨詢，10 MPa以上無脈動(dòng)的填料，沒有業(yè)績。且循環(huán)氫中含有硫化氫，一旦泄漏，風(fēng)險(xiǎn)太大，此種方案不推薦采用。

3.3貫穿活塞桿

氣缸仍采用雙作用，活塞桿貫通氣缸，由于活塞兩側(cè)工作面積相同，活塞桿影響不存在，反向角和旋轉(zhuǎn)切向力的均勻性都應(yīng)較好。但活塞桿長度增加，活塞桿的平直度和跳動(dòng)值難以保證，同時(shí)增加了一套填料系統(tǒng)，容易產(chǎn)生泄漏，且成本增加。API618不推薦使用此種方案。

圖11　貫串活塞桿圖

3.4采用P型機(jī)

壓縮機(jī)基礎(chǔ)件仍采用2D型，只有一列工作，氣缸采用雙作用，剩余一列只設(shè)十字頭滑道和平衡十字頭以平衡往復(fù)慣性力，不設(shè)中體和氣缸。由于只有一列工作，氣缸直徑增大，由活塞桿占活塞的面積比降減小，預(yù)計(jì)反向角將增大。若活塞質(zhì)量和活塞桿質(zhì)量較大，所需的平衡質(zhì)量超出制造廠標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)型的適用范圍，平衡列需進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

4　注意事項(xiàng)

（1）在流量較小，壓比較小，壓縮機(jī)選型計(jì)算時(shí)，如只計(jì)算氣體力，初選機(jī)型時(shí)，壓縮機(jī)機(jī)型需要適當(dāng)升檔；

（2）循環(huán)氫壓縮機(jī)的安全閥起跳工況，安全閥壓力設(shè)定值設(shè)為1.1倍時(shí)，如電機(jī)功率增加過多，定壓值可考慮適當(dāng)降低；

（3）壓縮機(jī)的選材，加氫裝置循環(huán)氫中一般含有硫化氫，壓縮機(jī)和輔機(jī)部分的選材要考慮硫化氫腐蝕；

（4）在加氫裂化、渣油加氫等高壓加氫裝置中，新氫壓縮機(jī)如選用雙三級(jí)壓縮，也可能會(huì)出現(xiàn)反向角過小，旋轉(zhuǎn)切向力的不均勻度過大的問題，選型時(shí)需加以重視。

5　結(jié)論

小規(guī)模高壓加氫中，循環(huán)氫壓縮機(jī)宜選用往復(fù)機(jī)。在小流量，小壓比情況下，往復(fù)機(jī)的具體方案經(jīng)計(jì)算，如果反向角經(jīng)三方確認(rèn)可行，且飛輪矩不導(dǎo)致電機(jī)過大升檔，優(yōu)先采用雙作用方案。如經(jīng)計(jì)算后，反向角過小，且飛輪矩導(dǎo)致電機(jī)升檔較多，宜采用軸側(cè)工作，蓋側(cè)做平衡段方案。軸側(cè)做平衡段、貫通活塞桿、P型機(jī)方案除非制造廠有相當(dāng)?shù)氖褂脴I(yè)績，且三方認(rèn)可，一般不推薦使用。

［1］房子嚴(yán)，等.化工機(jī)器［M］.北京：中國石化出版社，1999.

［2］活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)編寫組.活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1973.

Type Selection of Compressor for High Pressure and Small Scale Hydrogenization Unit

WU Guang-yu1，YU Bo2
（1.Luoyang Petrochemical Engineering Corporation/Sinopec，Luoyang 471003，China；2.Shenyang Blower Works Group Corporation，Shenyang 110869，China）

This paper has explained the problems which may occur during the type selection of compressor for high pressure and small scale hydrogenization unit.The reason was found by theoretical analysis and calculation.And the solution was provided.

compressor；rod reversal；rotating tangential force；balance section

TH457

B

1006-2971（2015）04-0046-05

吳廣宇（1981-），男，工程師，現(xiàn)在中石化洛陽工程有限公司設(shè)備室從事動(dòng)設(shè)備選型工作。E-mail：wugy.lpec@sinopec.com

2015-04-09