合成氣凈化裝置燃料氣壓縮機(jī)潤(rùn)滑方式探討

何 凱 楊 莉 姚德群

（中國(guó)寰球工程有限公司北京分公司）

在大型煤炭間接液化項(xiàng)目合成氣凈化裝置中， 常選用往復(fù)活塞式壓縮機(jī)將燃料氣進(jìn)行壓縮，然后為下游工業(yè)爐燒嘴提供燃料。 往復(fù)活塞式壓縮機(jī)氣缸潤(rùn)滑方式主要包括無油潤(rùn)滑和有油潤(rùn)滑［1］。 其中無油潤(rùn)滑壓縮機(jī)通常采用聚四氟乙烯（PTFE）、聚酰亞胺（PI）等自潤(rùn)滑材料作為活塞環(huán)的填充材料，壓縮機(jī)工作過程中，無需往氣缸中注入潤(rùn)滑油，因此可以保證壓縮氣體不被潤(rùn)滑油霧污染， 有效提高下游設(shè)備工作的可靠性，但是無油潤(rùn)滑壓縮機(jī)往往造價(jià)高昂，而且正常運(yùn)行10 000h 后需要更換機(jī)頭［2］。 有油潤(rùn)滑壓縮機(jī)需要在氣缸上開注油口并配置注油機(jī)，壓縮機(jī)工作過程中不斷注入潤(rùn)滑油，雖然可以大幅減少易損件和氣缸的磨損， 延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命，但是注入潤(rùn)滑油的油霧可能會(huì)污染被壓縮氣體，因此往往需要在壓縮機(jī)出口增加油霧分離器。 工業(yè)爐燒嘴對(duì)燃料氣純度有較高的要求，過量油霧的混入可能導(dǎo)致燒嘴意外燒壞，導(dǎo)致下游工業(yè)爐無法正常運(yùn)行，造成整個(gè)凈化裝置停產(chǎn)。 因此，燃料氣壓縮機(jī)潤(rùn)滑方式的選擇很大程度上會(huì)影響合成氣凈化裝置的正常運(yùn)行。 筆者以某大型煤炭間接液化項(xiàng)目合成氣凈化裝置中的燃料氣壓縮機(jī)為例，分析燃料氣壓縮機(jī)潤(rùn)滑方式的選擇對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行的影響及其應(yīng)對(duì)策略。

1 燃料氣壓縮機(jī)運(yùn)行工況下的介質(zhì)特性

化裝置中燃料氣壓縮機(jī)在不同運(yùn)行工況下的參數(shù)，表2 為不同工況下的氣體組分。 從表2 中的數(shù)據(jù)可知， 被壓縮介質(zhì)中CO 和H2為主要成分，根據(jù)化學(xué)原理可知CO 和H2在高溫狀態(tài)下可發(fā)生可逆反應(yīng)生成C 和H2O， 化學(xué)反應(yīng)方程式為CO+H2?C+H2O。

表1 燃料氣壓縮機(jī)在不同運(yùn)行工況下的參數(shù)

表2 不同工況下的燃料氣組分 %

雖然燃料氣壓縮機(jī)排氣溫度達(dá)不到CO 和H2快速充分反應(yīng)所需的溫度 （250～260℃），但是在90℃以上會(huì)有極少量碳焦粒產(chǎn)生，燃料氣壓縮機(jī)理論排氣溫度87.47℃， 考慮到實(shí)際運(yùn)行過程中溫度的波動(dòng)，排氣溫度在某個(gè)特定時(shí)段極有可能在90℃以上，因此會(huì)有極少量碳焦粒析出。

碳焦粒是一種固體顆粒，若長(zhǎng)時(shí)間沉積在氣缸套與活塞環(huán)之間，會(huì)增大氣缸套與活塞環(huán)的表面粗糙度， 進(jìn)而加速活塞環(huán)和氣缸套之間的磨損，縮短壓縮機(jī)氣缸和易損件活塞環(huán)的使用壽命［3］。

2 不同潤(rùn)滑方式可能導(dǎo)致的后果分析

無論采用無油潤(rùn)滑還是有油潤(rùn)滑，壓縮機(jī)氣缸內(nèi)都會(huì)有極少量碳焦粒沉積，碳焦粒在不同潤(rùn)滑方式下產(chǎn)生的影響不盡相同。

2.1 無油潤(rùn)滑

無油潤(rùn)滑采用的是自潤(rùn)滑活塞環(huán)，雖然造價(jià)高昂［4］，但是對(duì)下游設(shè)備影響最小。 然而，無油潤(rùn)滑磨損系數(shù)K受氣缸表面粗糙度影響很大， 兩者的關(guān)系曲線如圖1 所示［5］。

圖1 無油潤(rùn)滑磨損系數(shù)與氣缸表面粗糙度的關(guān)系

一般氣缸的表面粗糙度在0.4～0.8μm 之間，然而碳焦粒的存在會(huì)將氣缸和活塞環(huán)的表面粗糙度提高到1.0～1.6μm 甚至更高，也可能將無油潤(rùn)滑的磨損系數(shù)提高30%以上，加快活塞環(huán)和氣缸套的磨損（圖2），從而大幅降低壓縮機(jī)的使用壽命［6］。

2.2 有油潤(rùn)滑

有油潤(rùn)滑是在壓縮機(jī)運(yùn)行過程中通過注油口由注油器注入潤(rùn)滑油，這種潤(rùn)滑方式下磨損系數(shù)K 受氣缸表面粗糙度的影響相對(duì)較小，兩者的關(guān)系曲線如圖3 所示。

圖2 壓縮機(jī)氣缸套及活塞環(huán)的磨損情況

圖3 有油潤(rùn)滑磨損系數(shù)與氣缸表面粗糙度的關(guān)系

雖然碳焦粒的存在提高了氣缸和活塞環(huán)的表面粗糙度， 但是對(duì)磨損系數(shù)的影響不是很大，因此對(duì)氣缸套和活塞環(huán)的磨損影響有限［4］。但是，采用有油潤(rùn)滑必然會(huì)產(chǎn)生油霧并混入燃料氣中，盡管要經(jīng)過油霧分離器的分離，但仍然會(huì)有部分油霧進(jìn)入下游工業(yè)爐燒嘴。 不同工業(yè)爐燒嘴廠家對(duì)燃料氣純度要求不盡相同，若混入燃料氣的油霧超過廠家給定的上限值，則會(huì)燒壞燒嘴，造成整個(gè)裝置停產(chǎn)。

3 燃料氣壓縮機(jī)潤(rùn)滑方式的選用原則

無論是無油潤(rùn)滑還是有油潤(rùn)滑都存在著局限性，故燃料氣壓縮機(jī)在選擇潤(rùn)滑方式時(shí)需要視情況而定，不可一概而論。 工程實(shí)踐中保證裝置的正?？煽窟\(yùn)行是首要目標(biāo)，在保證裝置正常可靠運(yùn)行的前提下應(yīng)著重考慮降低設(shè)備成本投入，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益最大化［7］。

基于上述原則可制定出燃料氣壓縮機(jī)潤(rùn)滑方式選擇的基本原則， 即無論選用何種潤(rùn)滑方式，首要前提是不影響下游工業(yè)爐燒嘴的正常運(yùn)行，在此基礎(chǔ)上應(yīng)盡可能降低燃料氣壓縮機(jī)成本投入。 具體選用原則如下：

a. 壓縮機(jī)廠家選用有油潤(rùn)滑的方式，若經(jīng)壓縮機(jī)到分離器分離后的燃料氣純度可以滿足工業(yè)爐廠商對(duì)燃料氣純度的要求，則建議優(yōu)先選用有油潤(rùn)滑，以降低設(shè)備成本。

b. 如經(jīng)過計(jì)算， 燃料氣壓縮機(jī)排氣溫度較低，遠(yuǎn)低于CO 和H2反應(yīng)產(chǎn)生結(jié)焦的溫度90℃［8］，且不會(huì)產(chǎn)生一氧化碳結(jié)焦降低壓縮機(jī)使用壽命的問題，為提高整個(gè)裝置的安全可靠性，則建議選用無油潤(rùn)滑。

上述兩種情況在工程實(shí)踐中較為常見，相對(duì)容易確定壓縮機(jī)的潤(rùn)滑方式。 但是，部分情況下壓縮機(jī)廠家無法確認(rèn)經(jīng)壓縮機(jī)到分離器分離后的燃料氣純度， 即無法計(jì)算出經(jīng)過分離器后有多少油霧仍然殘留在燃料氣中， 同時(shí)壓縮機(jī)的排氣溫度十分接近或者超過一氧化碳的結(jié)焦溫度， 在這種情況下單獨(dú)選取無油潤(rùn)滑或者單獨(dú)選取有油潤(rùn)滑的方式都不是最佳選擇， 故可按照下述方法配置潤(rùn)滑方式： 建議壓縮機(jī)按照無油潤(rùn)滑設(shè)計(jì)，同時(shí)在氣缸上預(yù)留注油口，配置注油機(jī)， 以便設(shè)備運(yùn)行時(shí)視具體情況靈活調(diào)整潤(rùn)滑方式。

4 工程應(yīng)用

某大型煤炭間接液化項(xiàng)目合成氣凈化裝置燃料氣壓縮機(jī)工藝數(shù)據(jù)見表1。 該項(xiàng)目選用的是德國(guó)諾曼艾索公司生產(chǎn)的TZL300 型往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，外形布置如圖4 所示。

圖4 某合成氣凈化裝置燃料氣壓縮機(jī)

此設(shè)備排氣溫度87.47℃，非常接近一氧化碳結(jié)焦溫度，并且壓縮機(jī)廠商無法準(zhǔn)確計(jì)算出經(jīng)壓縮機(jī)到油霧分離器分離后的燃料氣純度，因此無法提前確定選用無油潤(rùn)滑還是有油潤(rùn)滑。 最終該壓縮機(jī)按照無油潤(rùn)滑設(shè)計(jì)，同時(shí)配置如下氣缸和填料注油設(shè)備：

a. 機(jī)械注油器（單點(diǎn)單注），電機(jī)驅(qū)動(dòng)；

b. 4 個(gè)備用柱塞；

c. 油箱儲(chǔ)油量保證30h 正常運(yùn)行流量；

d. 油箱帶可視玻璃視窗；

e. 帶恒溫油加熱器；

f. 油箱低液位報(bào)警系統(tǒng)；

g. 潤(rùn)滑油流量0%～200%手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。

由于無法提前確定注入的潤(rùn)滑油流量與經(jīng)分離器分離后混入燃料氣的油霧流量之間的定量關(guān)系， 因此配備潤(rùn)滑油流量0%～200%手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，以便實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油流量靈活調(diào)節(jié)，從0%開始緩慢增加潤(rùn)滑油注入量， 同時(shí)嚴(yán)密監(jiān)測(cè)下游設(shè)備配置儀表顯示數(shù)據(jù)，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

該裝置開車成功后燃料氣壓縮機(jī)投入使用，采用的是無油潤(rùn)滑，使用期間發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)磨損比預(yù)期要快，并且氣缸套也有細(xì)微磨損，雖然設(shè)備能正常使用， 但是有可能無法達(dá)到預(yù)期使用壽命。 設(shè)備運(yùn)行一年后為延長(zhǎng)燃料氣壓縮機(jī)的使用壽命，嘗試注入少量潤(rùn)滑油，磨損情況得到改善，目前該設(shè)備仍正常運(yùn)行。

由此可見，在初期無法確定壓縮機(jī)潤(rùn)滑方式的情況下，采用無油潤(rùn)滑設(shè)計(jì)同時(shí)選裝潤(rùn)滑油注入設(shè)備是一種行之有效的方法。

5 結(jié)束語

燃料氣壓縮機(jī)選擇無油潤(rùn)滑與有油潤(rùn)滑各有優(yōu)缺點(diǎn)，在進(jìn)行具體設(shè)備的潤(rùn)滑方式選擇時(shí)應(yīng)針對(duì)不同的操作工況做出合理的選擇。 常規(guī)工況下按照優(yōu)先保證裝置的正常運(yùn)行，綜合考慮降低設(shè)備的成本投入即可。 在特殊工況下若單獨(dú)選用無油潤(rùn)滑或有油潤(rùn)滑都不是最佳選擇，此時(shí)可按照無油潤(rùn)滑設(shè)計(jì)同時(shí)配置有油潤(rùn)滑設(shè)備，為設(shè)備正常運(yùn)行靈活變換潤(rùn)滑方式提供操作彈性空間。