大型6列往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)的開發(fā)研制

張 欣，韓衛(wèi)國(guó)，楊成炯，韓玉昌，張小建，任希文，錢則剛

(1. 中石化廣州(洛陽)工程有限公司，廣東 廣州 510620；2. 中國(guó)石化塔河煉化有限責(zé)任公司，新疆 庫車 842000；3. 沈陽遠(yuǎn)大壓縮機(jī)有限公司，遼寧 沈陽 110027；4. 合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230009)

隨著我國(guó)石化工業(yè)大型化和多元化發(fā)展，往復(fù)式壓縮機(jī)逐漸向大流量、大噸位、多列化發(fā)展。在國(guó)外著名廠商(如德萊賽蘭、新比隆等)的產(chǎn)品系列中，往復(fù)式壓縮機(jī)活塞桿最大允許連續(xù)負(fù)荷(最大允許活塞力)已高達(dá)150 t，最多列數(shù)已達(dá)10列【1】，最大軸功率突破16 000 kW。近年來在我國(guó)石化大型往復(fù)壓縮機(jī)應(yīng)用中引進(jìn)比例較高。由于進(jìn)口往復(fù)機(jī)一次性投資成本高， 交貨周期長(zhǎng)， 制約了我國(guó)石化工程建設(shè)的成本和進(jìn)度。同時(shí)， 由于進(jìn)口機(jī)組備品備件價(jià)格高， 造成檢維修費(fèi)用高。

當(dāng)前國(guó)產(chǎn)往復(fù)式壓縮機(jī)噸位已逐漸增大，已由80 t、125 t發(fā)展到150 t。然而在煉油裝置中，國(guó)產(chǎn)大噸位往復(fù)機(jī)的列數(shù)局限于4列，不能完全適應(yīng)石油化工裝置中3級(jí)及以上壓縮的大型氫氣壓縮機(jī)組的應(yīng)用。為了適應(yīng)不同裝置工藝操作，需進(jìn)一步開發(fā)具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多列大噸位具往復(fù)式壓縮機(jī)。

2012年，依托中國(guó)石化塔河煉化有限責(zé)任公司60萬t/a連續(xù)重整裝置，由中國(guó)石化立項(xiàng)，中石化廣州(洛陽)工程有限公司、中國(guó)石化塔河煉化有限責(zé)任公司、沈陽遠(yuǎn)大壓縮機(jī)有限公司(簡(jiǎn)稱沈陽遠(yuǎn)大)和合肥通用機(jī)械研究院(簡(jiǎn)稱合肥通機(jī)院)聯(lián)合開發(fā)了6M80大型往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)，用作裝置重整氫增壓機(jī)組。經(jīng)過設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)檢驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試和試車等各環(huán)節(jié)，該機(jī)于2014年7月成功投入應(yīng)用。

1 開發(fā)應(yīng)用前景、選型對(duì)比和研發(fā)目標(biāo)

1.1 可優(yōu)化機(jī)組選型方案，發(fā)揮大型機(jī)組的優(yōu)良動(dòng)力特性，改善機(jī)組運(yùn)行狀況

在煉油廠大型裝置(如加氫裂化、渣油加氫、連續(xù)重整等)中，常有介質(zhì)為氫氣或富氫氣的3級(jí)壓縮需求，在合成氨等大型化工裝置中甚至還存在6級(jí)壓縮需求。對(duì)于上述需求，6列往復(fù)式壓縮機(jī)均可勝任。

目前，在上述裝置典型的3級(jí)壓縮需求下，往往采用4列往復(fù)式壓縮機(jī)。在增大的流量和增高的壓比條件下，機(jī)組選型往往會(huì)遇到如下情況：a)第1級(jí)氣缸直徑過大；b)采用3級(jí)壓縮綜合活塞力超過許用值時(shí)，不得不提高噸位或選擇4級(jí)壓縮； c)為降低噸位和活塞力不得不選用雙3級(jí)氣缸?？晒┻x型的方案時(shí)常單一拼湊，難談盡善盡美。如果選用6列往復(fù)式壓縮機(jī)，可通過優(yōu)化6列氣缸在各級(jí)中排列組合，實(shí)現(xiàn)級(jí)數(shù)與列數(shù)的合理匹配，使選型更加豐富，為大型往復(fù)式壓縮機(jī)選型提供更多選項(xiàng)。

與4列機(jī)型相比，6列對(duì)稱平衡型往復(fù)式壓縮機(jī)，由于列數(shù)增多，在理論上可實(shí)現(xiàn)往復(fù)慣性力和往復(fù)慣性力矩的完全平衡，使機(jī)組振動(dòng)更小，壓縮機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)【2】。

6列對(duì)稱平衡型往復(fù)式壓縮機(jī)，可通過采用3對(duì)曲拐間平面錯(cuò)角的合理分配，使切向力分布更均勻，從而減小機(jī)器飛輪力矩需求， 減小飛輪尺寸， 降低對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的需求【1】； 可使旋轉(zhuǎn)更均勻， 更易實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)不均勻度1/100的指標(biāo)， 而且振動(dòng)更小， 電流沖擊小， 更不用額外通過提高電機(jī)機(jī)座號(hào)來提高電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩。以本次6M(HE)80課題為例，壓縮機(jī)所需飛輪力矩GD2僅為9.9 t·m2。而根據(jù)不同操作條件所選用的4M125型大型往復(fù)式壓縮機(jī)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩均在55～68 t·m2之間。

6列氣缸還可通過每一級(jí)均采用2列或以上的氣缸減少氣流脈動(dòng)影響。且相同級(jí)數(shù)的多列氣缸可共用緩沖罐，使氣流脈動(dòng)更平穩(wěn)，有利于長(zhǎng)期穩(wěn)定操作。

1.2 研發(fā)目標(biāo)和選型對(duì)比

開發(fā)研制6M80大型往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)，是為了滿足中國(guó)石化塔河煉化60萬t/a連續(xù)重整裝置重整氫增壓機(jī)的工藝操作要求，并同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，使其預(yù)期的可靠性、經(jīng)濟(jì)性及綜合機(jī)械性能達(dá)到進(jìn)口同類產(chǎn)品水平，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立自主國(guó)產(chǎn)化，替代進(jìn)口，有效降低設(shè)備投資成本、交貨周期和維修成本。

塔河煉化60萬t/a連續(xù)重整裝置重整氫增壓機(jī)工藝操作條件如表1所示。

表1 塔河煉化60萬t/a連續(xù)重整裝置重整氫增壓機(jī)工藝操作條件

從上表可知，由于壓比較高，為滿足排氣溫度要求【3】，需采用3級(jí)壓縮。

若采用通常的4M機(jī)型,即4列氣缸3級(jí)壓縮，氣缸直徑都將超大,其中一級(jí)缸徑將超過1 m。大缸徑水冷式氣缸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在加工制造和質(zhì)量保證等方面存在困難，易出現(xiàn)缺陷【4】，在煉油裝置中運(yùn)用較少，可靠性不高。且由于二、三級(jí)缸徑增大，將造成計(jì)算綜合活塞力超過類似裝置4M80機(jī)型的最大允許活塞力。若提高噸位至125 t，一則當(dāng)時(shí)4M125型尚處于研發(fā)階段，缺乏應(yīng)用驗(yàn)證；二則該機(jī)氣缸、活塞、活塞桿及基礎(chǔ)件等零部件的質(zhì)量和尺寸均將增大。大質(zhì)量、大尺寸、大負(fù)荷造成機(jī)器受力增加，軸承負(fù)荷增加，隨之帶來一系列振動(dòng)、磨損和泄漏等難題，都將給機(jī)器的運(yùn)行和維護(hù)帶來不便。

由于該項(xiàng)目復(fù)用中石化某分公司60萬t/a重整裝置設(shè)計(jì)， 從復(fù)用設(shè)計(jì)、 設(shè)計(jì)工期、 平面布置等方面綜合考慮， 機(jī)組布置采用1用1備方案。對(duì)于新建裝置，還可采用2用1備的機(jī)組布置方案。

無論選擇1用1備還是2用1備布置方案，均需具體問題具體分析。首先，對(duì)于3級(jí)氫氣壓縮用途，如上所述，6列壓縮機(jī)獨(dú)有其優(yōu)點(diǎn)；其次，應(yīng)核算壓縮機(jī)噸位可否進(jìn)一步降低；然后，再從機(jī)組及其設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的設(shè)備、管道及閥門、電氣及儀表等的設(shè)計(jì)工程量、機(jī)組備用率、設(shè)備布置、占地及管道設(shè)計(jì)、設(shè)備運(yùn)行和維修、一次性投資成本以及機(jī)組運(yùn)行的可靠性等諸多方面加以綜合考慮。

經(jīng)過比選，確定選用6M80型方案，對(duì)稱平衡型機(jī)身，3級(jí)壓縮，6列氣缸采用3-2-1布局，即第一級(jí)3列氣缸、第二級(jí)2列氣缸、第三級(jí)1列氣缸。這樣可實(shí)現(xiàn)以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 降低氣缸直徑(一級(jí)850 mm、二級(jí)680 mm、三級(jí)590 mm)；

2) 降低最大允許活塞力(降低噸位)；

3) 降低往復(fù)慣性質(zhì)量，可實(shí)現(xiàn)往復(fù)慣性力和往復(fù)慣性力矩的平衡或近乎平衡；

4) 降低壓縮機(jī)飛輪力矩需求，飛輪力矩僅9.9 t·m2；

5) 降低一次性投資成本及設(shè)計(jì)工程量；

6) 缸徑小，活塞桿直徑小，提高操作可靠性；

7) 降低檢修難度。

2 研制攻關(guān)及其關(guān)鍵技術(shù)特征

隨著機(jī)組大型化和多列化發(fā)展，軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)可靠運(yùn)行的不利影響日益顯現(xiàn)。以前通常只對(duì)6列及以上機(jī)組進(jìn)行分析，不對(duì)4列以內(nèi)機(jī)型進(jìn)行分析，但是，有時(shí)大型4列機(jī)型的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率會(huì)接近或進(jìn)入10倍轉(zhuǎn)速以內(nèi)，因扭轉(zhuǎn)共振引起較大振動(dòng)應(yīng)力，甚至可能導(dǎo)致壓縮機(jī)曲軸或電機(jī)軸斷裂等嚴(yán)重事故，需加以重視【5-7】。

國(guó)內(nèi)已先后開發(fā)研制成功80 t、125 t和150 t 的往復(fù)式壓縮機(jī)，但是在用大型往復(fù)機(jī)存在分體式對(duì)稱平衡型機(jī)身、自由鍛造型連桿、拼接式曲軸等未優(yōu)化的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征。

6M(HE)80型壓縮機(jī)采用了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段以及與目前國(guó)際主流往復(fù)式壓縮機(jī)相仿的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的運(yùn)用

1) 數(shù)字建模及機(jī)械強(qiáng)度、剛度分析技術(shù)

除借鑒傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法外，還利用PRO/E等計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)字化建?！?】，然后運(yùn)用ANSYS 有限元分析軟件對(duì)整體鑄造結(jié)構(gòu)對(duì)稱平衡型機(jī)身進(jìn)行強(qiáng)度和彈性變形量分析計(jì)算，以及對(duì)模鍛連桿強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算等，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。

2) 軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析

沈陽遠(yuǎn)大與合肥通機(jī)院分別采用不同方法對(duì)6M(HE)80壓縮機(jī)進(jìn)行了軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析及動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。沈陽遠(yuǎn)大借助ANSYS分析軟件采用有限元法分析模塊【6】，合肥通機(jī)院通過程序軟件采用解析法【7】進(jìn)行分析，兩家單位扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析結(jié)果相互印證,共同得出結(jié)論,如表2所示。由表2可知:一階扭轉(zhuǎn)固有頻率處于機(jī)組速度和電機(jī)電網(wǎng)頻率10%范圍之外，位于7倍頻和8倍頻之間,且未進(jìn)入7倍頻和8倍頻的5%范圍內(nèi),滿足API 618標(biāo)準(zhǔn)要求,不會(huì)發(fā)生扭振危害。

表2 重整氫增壓機(jī)組軸系扭轉(zhuǎn)固有頻率

2.2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)制造

1) 6列整體鑄造對(duì)稱平衡型機(jī)身

采用6列整體鑄造對(duì)稱平衡型機(jī)身，外壁帶有加強(qiáng)筋，頂部?jī)蓚?cè)壁板用多根雙拉桿螺栓拉緊，進(jìn)一步增加整體強(qiáng)度和剛性。整體機(jī)身軸承孔采用同軸加工，保證曲軸支撐軸承同軸度，進(jìn)而保證平穩(wěn)可靠運(yùn)行，同時(shí)方便安裝找正。

2) 大型6列整體鍛造曲軸

隨著我國(guó)機(jī)械加工制造能力的提高，已具備加工大型整體鍛造型曲軸的能力。6M(HE)80型壓縮機(jī)采用大型整體鍛造曲軸，具有更優(yōu)的強(qiáng)度、韌性和疲勞強(qiáng)度。曲軸為無油孔結(jié)構(gòu)，避免產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，進(jìn)一步提高強(qiáng)度和可靠性。曲軸中間部位設(shè)計(jì)有減震器安裝位置，便于在意外發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，通過增加減震器改變曲軸的自振頻率以避免共振的發(fā)生。

3) 大型模鍛連桿

采用大型整體模鍛連桿，具有更優(yōu)的強(qiáng)度、韌性和疲勞強(qiáng)度。在保證連桿強(qiáng)度的前提下，降低連桿質(zhì)量，以減小機(jī)器往復(fù)慣性質(zhì)量，進(jìn)而減小機(jī)器慣性力，提高機(jī)組操作穩(wěn)定性，同時(shí)減少工程量。

4) 大噸位基礎(chǔ)件的技術(shù)儲(chǔ)備

該機(jī)的開發(fā)研制，還同時(shí)具備了6列、活塞桿最大允許連續(xù)負(fù)荷1 250 kN的對(duì)稱平衡型往復(fù)式壓縮機(jī)基礎(chǔ)件的設(shè)計(jì)及制造能力，為該機(jī)型的投用和推廣提供了技術(shù)儲(chǔ)備。

3 投用與推廣前景

經(jīng)過設(shè)計(jì)、制造、裝配、水壓試驗(yàn)以及機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)等一整套試制過程，6M(HE)80型壓縮機(jī)于2014年初交付現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，隨后陸續(xù)進(jìn)行了壓縮機(jī)空負(fù)荷試車、空氣負(fù)荷試車等試驗(yàn)驗(yàn)證。并于同年7月11日隨著裝置開工運(yùn)行正式投入工業(yè)應(yīng)用。

在壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)顯示，氣缸振動(dòng)情況良好，各列氣缸在x-y-z方向(往復(fù)方向-曲軸軸線方向-垂直于前兩個(gè)方向的方向)上振動(dòng)最大值6.2 mm/s，最小值2.1 mm/s，遠(yuǎn)優(yōu)于GB/T 7777—2003規(guī)定的振動(dòng)烈度標(biāo)準(zhǔn)值【8】。

6M(HE)80壓縮機(jī)的流量、壓力/溫度、機(jī)身和軸承振動(dòng)、軸瓦溫度等各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)均正常，電機(jī)電流波動(dòng)較小，滿足重整裝置工藝生產(chǎn)需求，達(dá)到了預(yù)期的研發(fā)目標(biāo)，獲得用戶和專家認(rèn)可，并于2016年10月通過了新產(chǎn)品鑒定。

2007年，在由中石化洛陽工程有限公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的大連石化360萬t/a加氫裂化裝置中， 新氫壓縮機(jī)組進(jìn)口，采用了最大允許活塞力為80 t的6列往復(fù)式壓縮機(jī)組；據(jù)了解，在澳大利亞BP公司的一套連續(xù)重整裝置中，采用了最大允許活塞力為82.5 t的6列往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)； 在印尼的一套加氫裂化裝置中，采用了最大允許活塞力125 t的6列往復(fù)式新氫壓縮機(jī)?？梢?，大型6列往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)的應(yīng)用尚有很大探索空間。

4 結(jié)語

6M(HE)80型壓縮機(jī)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了大型6列往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)的獨(dú)立自主國(guó)產(chǎn)化，運(yùn)用了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段，憑借關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)國(guó)內(nèi)大型往復(fù)式壓縮機(jī)傳統(tǒng)技術(shù)的突破。該項(xiàng)目滿足工藝操作要求，達(dá)到了預(yù)期的研發(fā)目標(biāo)。

該機(jī)型的研發(fā)，為我國(guó)石化工業(yè)大型裝置中氫氣壓縮機(jī)的選型提供了新選項(xiàng)，也為控制成本、提高效益、確定最優(yōu)的選型配置方案提供了更多選項(xiàng)。

該機(jī)型的研發(fā)，豐富了往復(fù)式壓縮機(jī)型大型基礎(chǔ)件型譜，也為將來研制開發(fā)更大噸位和更多列數(shù)的超大型往復(fù)式壓縮機(jī)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。