D型氫氣往復(fù)式壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計探討

王華濤

（陜西延長石油物資集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西西安 710077）

0 引言

D型氫氣往復(fù)壓縮機(jī)是對稱平衡型壓縮機(jī)，介質(zhì)是氫氣，這就對設(shè)計提出了更高要求。D型氫氣壓縮機(jī)設(shè)計要考慮長周期安全平穩(wěn)運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行效率良好，結(jié)構(gòu)布局合理，外形布局緊湊，實現(xiàn)無油潤滑操作，事故狀態(tài)時有安全保護(hù)和聯(lián)鎖裝置?？傊?，設(shè)計必須滿足設(shè)備運(yùn)行安全性，經(jīng)濟(jì)性，配套性和規(guī)范化的要求。

1 氫氣壓縮機(jī)整體描述

氫氣壓縮機(jī)采用D型對稱平衡性結(jié)構(gòu)，兩列一級壓縮，氣缸均為雙作用，無油潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計，無油潤滑操作運(yùn)行。整機(jī)結(jié)構(gòu)合理，布局緊湊，動力平衡性能優(yōu)異，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，振動小、噪聲低。機(jī)組密封性能良好，易損件壽命長。驅(qū)動電機(jī)為隔爆型異步電機(jī)，電機(jī)軸通脹套聯(lián)軸器與壓縮機(jī)曲軸相連。機(jī)組備有完善的安全保護(hù)和聯(lián)鎖裝置，確保壓縮機(jī)的長周期安全運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)壓縮機(jī)處于危險工況時，能自動發(fā)出聲光報警及自動停機(jī)。機(jī)組設(shè)有進(jìn)氣緩沖器、冷卻器及潤滑系統(tǒng)等輔助設(shè)備。

2 壓縮機(jī)技術(shù)描述

2.1 技術(shù)說明

壓縮機(jī)為兩列一級壓縮，氣缸均為雙作用。壓縮機(jī)單層布置，整體撬裝。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速490 r/min，平均活塞速度3.43 m/s。氣缸出口法蘭處氣體實際排出溫度≤125℃。壓縮機(jī)填料和氣缸均采用無油潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計，無油潤滑設(shè)計控制活塞導(dǎo)向環(huán)比壓≤0.035 MPa。壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)采用一級氣缸卸荷器調(diào)節(jié)及末級旁路自動調(diào)節(jié)方式。卸荷器調(diào)節(jié)為額定流量的0%，25%，50%，75%，100%；末級旁路自動調(diào)節(jié)范圍為額定工況0～100%，氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有良好可靠性經(jīng)濟(jì)性。

機(jī)組主要部件（如氣缸、中體等）連接采用止口定位，保證精確對中。所有刮油器、中間密封和壓力填料均為帶不銹鋼卡緊彈簧的剖分環(huán)填料，填料設(shè)進(jìn)排水接口。活塞桿材料選用優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛件38CrMoAl，表面氮化，表面硬度達(dá)850 HV以上。十字頭為整體巴氏合金滑履。曲軸箱采用HT250制造，中體采用HT250；曲軸、連桿采用45＃鍛鋼，須調(diào)質(zhì)處理；十字頭體為鑄鋼。

工藝氣閥選購國際知名品牌，氮?dú)庠囓嚉忾y采用環(huán)狀氣墊閥，閥片為不銹鋼。中體和機(jī)身窗口設(shè)有帶墊片的整體金屬蓋板。中體接筒采用D型結(jié)構(gòu)，設(shè)底部排凝、頂部放空、填料進(jìn)、出水接口。壓縮機(jī)主軸瓦、連桿大頭瓦為水平剖分的薄壁圓瓦。機(jī)身設(shè)呼吸器，機(jī)身內(nèi)表面噴涂環(huán)氧富鋅防腐漆。

2.2 零部件材料（表1）

表1 零部件材料表

2.3 運(yùn)動機(jī)構(gòu)潤滑系統(tǒng)

運(yùn)動機(jī)構(gòu)的潤滑采用壓力潤滑，壓力潤滑系統(tǒng)（稀油站）包括：單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動的主油泵和輔油泵，油泵采用螺桿泵。①過濾器、管道、管件、法蘭均為不銹鋼，油系統(tǒng)所有手閥用截止閥，閥芯為不銹鋼。帶三通切換閥的雙聯(lián)過濾器，細(xì)過濾精度25 μm，配差壓表；不銹鋼濾芯，按150%負(fù)荷流量設(shè)計。②油冷卻器采用管殼式，油走管程，管束采用不銹鋼波紋管，油冷卻器的設(shè)計和制造符GB 151—2014標(biāo)準(zhǔn)，按130%負(fù)荷流量來設(shè)計，冷卻器回水管線上帶溫度表。③油泵入口從油池引出，入口帶過濾器，油泵出口帶安全閥、單向閥，有全流量回油裝置和高點排氣裝置。油泵排量有額定流量120%的能力。④油箱設(shè)現(xiàn)場液位計、溫度顯示。整套連接管道有必要的檢測、控制儀表。油箱設(shè)置恒溫自動控制器，自動監(jiān)測油溫起停電加熱器，＜15℃啟動加熱器，＞35℃時停止加熱器。潤滑油總管壓力采用3取2聯(lián)鎖設(shè)置。油箱容積≥8 min循環(huán)油流量容積。油站油箱、管路、管件、閥門及油冷器過油部件材料均為不銹鋼。

2.4 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)：

冷卻水系統(tǒng)每個冷卻點進(jìn)出口支路均裝1個閥門。冷卻回水回路配水流指示器及雙金屬溫度計。填料冷卻水入口帶雙聯(lián)過濾精度為30 μm過濾器，不銹鋼濾芯。氣體和潤滑油由循環(huán)水冷卻，氣缸和填料采用軟化水冷卻。

2.5 管路系統(tǒng)

按照P&ID圖（Process&Instrument Diagram工藝和儀表流程圖）提供相關(guān)管線、放空排污管線、水管線、儀表管線和油管線。提供進(jìn)出截止閥、出口止回閥、安全閥。氣管路及油站至機(jī)組旁的連接管線（潤滑油管線）提供材料和完整安裝圖；提供壓力填料漏氣收集接管。提供氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2.6 緩沖器、冷卻器

壓縮機(jī)組設(shè)相應(yīng)的緩沖器、冷卻器。壓力容器按照GB150—2011，GB 151—2014及容規(guī)進(jìn)行設(shè)計、制造和檢驗。

2.6.1 緩沖器。

緩沖器盡可能靠近各級氣缸進(jìn)出口，并保證足夠緩沖容積，緩沖器最小容積為其連接氣缸活塞行程容積10倍以上。緩沖器設(shè)帶套管式測溫接頭，便于測量氣體溫度及安裝高溫報警檢測元件。緩沖器設(shè)計壓力不小于相關(guān)級安全閥起跳壓力設(shè)定值。緩沖器材料為碳鋼，腐蝕裕度3.2 mm。

2.6.2 冷卻器。

各級設(shè)排氣冷卻器，冷卻后氣體溫度≤40℃。冷卻器結(jié)構(gòu)采用管殼式冷卻器，氣走管程水走殼程。設(shè)計換熱能力為額定負(fù)荷的130%以上。冷卻器的殼體為碳鋼，腐蝕裕度3.2 mm，芯子（換熱管及管板）為316不銹鋼。

2.7 電氣控制和儀表。

壓縮機(jī)安裝區(qū)域等級為Ⅱ區(qū)。所有安裝在危險區(qū)域儀表、電氣設(shè)備應(yīng)符合工廠Ⅱ區(qū)防爆要求。現(xiàn)場儀表防爆等級為dⅡCT4，防護(hù)等級IP65。壓縮機(jī)邏輯控制在用戶的DCS（Distributed Control System，分布式控制系統(tǒng)，又稱為集散控制系統(tǒng)）完成。溫度檢測采用鉑熱電阻（Pt100）。壓力、差壓變送器采用帶HART（Highway Addressable Remote Transducer尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信）協(xié)議的智能型，帶LCD（Liquid Crystal Display液晶顯示器就地顯示表頭）變送器。所有電氣開關(guān)為雙刀雙擲式。所有儀表為SI單位。賣方提供壓縮機(jī)組一次儀表，其中包括一次檢測元件、發(fā)信元件、就地顯示儀表、就地儀表盤；控制和儀表相關(guān)連接線纜及安裝材料由賣方提供。買賣雙方設(shè)計及供貨交接點為接線箱接線端子（賣方供貨）。賣方提供壓縮機(jī)組的控制方案及聯(lián)鎖邏輯圖。

2.7.1 壓力測量項目

壓力測量項目測量點數(shù)及儀表類型按P&ID見表2，表中壓縮機(jī)出口總管壓力2取2，循環(huán)油總管壓力3取2聯(lián)鎖。

2.7.2 溫度測量項目（表3）

2.7.3 過載及振動項目（表4）

2.7.4 主電機(jī)及其附屬設(shè)備

主電機(jī)額定電壓6 kV，額定功率185 kW，額定轉(zhuǎn)數(shù)490 r/min，防爆等級dⅡCT4，防護(hù)等級IP55，絕緣等級F，溫升B。電機(jī)為戶外、高效節(jié)能型，冷卻方式為自然風(fēng)冷IC411。電機(jī)銘牌額定功率不小于任何規(guī)定操作工況下所需最大功率1.1倍，且不小于出口安全閥定壓力下軸功率計算值。電機(jī)定子繞組每相裝1個雙支埋入式Pt100鉑電阻（各用1備1），測溫元件導(dǎo)線接到單獨(dú)的終端接線盒上，接線盒防護(hù)等級IP55。主電機(jī)本體既能滿足直接啟動又能滿足軟啟動要求。輔助電機(jī)及加熱設(shè)備防爆等級為dⅡCT4，防護(hù)等級IP55。電機(jī)滾動軸承選用國際知名品牌。

表2 壓力測量項目表

表3 溫度測量項目

表4 過載及振動項目表

3 檢驗及監(jiān)造描述

3.1 主要部件材料做理化分析和機(jī)械強(qiáng)度試驗

氣缸、氣缸套、氣缸蓋、曲軸箱、活塞、活塞桿、十字頭體、連桿螺栓、十字頭銷、曲軸、連桿等。零部件進(jìn)廠檢驗、加工檢驗按賣方工廠標(biāo)準(zhǔn)在賣方工廠進(jìn)行，并提供檢驗報告。

3.2 零部件進(jìn)行無損檢測提供檢查報告（表5）

表5 零部件進(jìn)行無損檢測項目

3.3 壓力試驗

壓縮機(jī)氣缸體、氣缸蓋、活塞等受壓零件的氣腔進(jìn)行水壓試驗，壓力至少為設(shè)計壓力的1.5倍，水系統(tǒng)設(shè)備水腔試驗壓力按0.8 MPa，試驗均持續(xù)30 min。機(jī)身、滑道做煤油滲漏試驗。容器的壓力試驗按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。氣缸部件做氦氣氣密性試驗，試驗壓力為最大允許工作壓力的1.1倍。

3.4 運(yùn)轉(zhuǎn)試驗

壓縮機(jī)出廠前進(jìn)行12 h無負(fù)荷機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗提供試驗報告；試車后主要摩擦部位全面拆檢提供拆檢報告；賣方在該項試驗前7 d通知買方參加試驗。②部分負(fù)荷試運(yùn)轉(zhuǎn)在買方現(xiàn)場進(jìn)行，使用全套供貨機(jī)組，以空氣為介質(zhì)，在工作轉(zhuǎn)速下至少運(yùn)轉(zhuǎn)24 h，部分負(fù)荷試運(yùn)前，買方提供安裝數(shù)據(jù)，賣方制訂試運(yùn)協(xié)議，賣方買方共同確認(rèn)是否具備試車條件，由試運(yùn)現(xiàn)場負(fù)責(zé)人組織實施，賣方派員參加調(diào)試運(yùn)轉(zhuǎn)。

試運(yùn)結(jié)束后，雙方在完整的負(fù)荷試運(yùn)報告上簽署意見，作為初步驗收文件。裝置投產(chǎn)時，應(yīng)用實際氣體在設(shè)計工況下進(jìn)行考核運(yùn)轉(zhuǎn)，買方提前7 d通知賣方參加，按照壓縮機(jī)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行72 h運(yùn)轉(zhuǎn)考核，符合要求后，雙方簽署正式驗收報告。

3.5 監(jiān)造

壓縮機(jī)在廠內(nèi)的裝配、氣缸水壓試驗和機(jī)械試運(yùn)轉(zhuǎn)、負(fù)荷試驗按相應(yīng)規(guī)范要求嚴(yán)格進(jìn)行，接受用戶的監(jiān)造和檢驗。產(chǎn)品設(shè)計制造嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，投標(biāo)方應(yīng)向招標(biāo)方出據(jù)以下文件：材料檢驗合格證，尺寸檢驗報告，無損檢測報告、裝配驗收報告及其他檢驗和試驗報告。產(chǎn)品交貨前應(yīng)對設(shè)備各部件進(jìn)行必要的檢查和試驗，保證整個設(shè)計和制造符合有關(guān)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)要求。關(guān)鍵部件制造和檢驗由招標(biāo)方派人員到現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)造。設(shè)備最終驗收在使用方安裝施工現(xiàn)場進(jìn)行。未盡事宜按國內(nèi)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，且優(yōu)先按高和嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，保證各項性能要求。

4 壓縮機(jī)性能描述

4.1 性能保證

壓縮機(jī)軸功率偏差≤+3%；壓縮機(jī)排量無負(fù)偏差；機(jī)組噪聲按GB/T 4980—2003標(biāo)準(zhǔn)測量≤85 dB（聲壓級）。機(jī)身振動烈度符合GB/T 7777—2003標(biāo)準(zhǔn)，壓縮機(jī)機(jī)械振動速度有效值≤4.5 mm/s。

4.2 壽命保證

壓縮機(jī)在現(xiàn)場環(huán)境條件及規(guī)定操作條件下，整機(jī)使用壽命≥20 a。正常操作條件下，壓縮機(jī)易損件壽命值（表6）

表6 易損件壽命表

5 結(jié)語

D型氫氣壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計是壓縮機(jī)全生命周期的一個重要組成部分，搞好優(yōu)化設(shè)計，從源頭上保證了設(shè)備克服先天不足的毛病，保證設(shè)備能按要求安裝、試車、投用并長周期安全平穩(wěn)運(yùn)行，能使設(shè)備全生命周期形成健康、科學(xué)、有序的良好運(yùn)行態(tài)勢。