濕式氧化工藝用整體撬裝式高壓氧氣壓縮機開發(fā)

歐陽樂軍，涂為媛

(1.杭州杭氧壓縮機有限公司，浙江 杭州，311305；2.杭州制氧機集團股份有限公司，浙江 杭州，311305)

1 引言

濕式氧化工藝是指在高溫高壓的條件下用氧氣作為氧化劑將廢液中有機污染物氧化成低毒或無毒物質(zhì)的過程，從而達到去除污染物的目的，具有處理效率高，氧化速率快，二次污染少等特點。近年來，為加快生態(tài)文明體制改革，國家對廢液污染物的管控越來越嚴格。因此，市場上對高壓氧氣壓縮機(以下簡稱氧壓機)的需求也越來越多。由于氧氣介質(zhì)的特殊性，特別是高壓氧氣，對脫脂要求、管道流速、排氣溫度和零部件材料等要求極為嚴格。本文結(jié)合實際合同項目，闡述氧壓機的總體方案、主要零部件以及輔助設(shè)備的設(shè)計要點。

2 總體方案設(shè)計

根據(jù)合同約定及表1中氧壓機技術(shù)參數(shù)，本項目采用活塞式壓縮機，將壓縮機主機、管路、主電機、容器、支撐、儀電控系統(tǒng)等全部集成在底架上，形成整體撬裝結(jié)構(gòu)。主電機采用變頻調(diào)節(jié)，能實現(xiàn)在690～1380 N·m3/h流量工況下連續(xù)穩(wěn)定運行。經(jīng)方案設(shè)計計算，氧壓機采用立式三列三級壓縮、氣缸無潤滑水冷卻型式。

表1 氧壓機技術(shù)參數(shù)

由于氧氣介質(zhì)獨有的特性，綜合國內(nèi)外氧壓機標準和實際運行經(jīng)驗，與氧氣接觸的零部件脫脂不合格、材料選擇不當、排氣溫度過高等都會引起氧壓機的燃爆事故，特別是高壓氧壓機。因此，對與氧氣接觸的零部件均有嚴格的脫脂和檢驗要求，并按照相關(guān)行業(yè)標準的規(guī)定，氧氣管道閥門全部采用自動閥，并且對氧氣管道和閥門的流速、材料選擇、氣缸的排氣溫度等都做了嚴格要求。此外，對于氧壓機機組的控制系統(tǒng)采用DCS系統(tǒng)，在氧壓機周圍設(shè)置防護墻，確保氧壓機在運行中發(fā)生燃爆時隔離事故，防止對周圍的人員或設(shè)備造成傷害，使氧壓機運行更加安全。

3 主要零部件設(shè)計

3.1 氣缸設(shè)計

氣缸均采用無油潤滑、循環(huán)水冷卻。一、三級氣缸設(shè)計成一體，由球墨鑄鐵鑄造而成；二級氣缸單獨設(shè)計，由灰鑄鐵鑄造而成。高壓級氣缸氣道采用全新設(shè)計結(jié)構(gòu)，承壓能力強，具有良好的鑄造性能和足夠大的緩沖容積。此外，氣缸氣道和水道還設(shè)有加強筋板，提高了氣缸強度，并采用ANSYS有限元應(yīng)力軟件對部分氣道結(jié)構(gòu)進行校核和優(yōu)化(圖1)。

圖1 氣缸氣道應(yīng)力分析

氣缸體內(nèi)襯馬氏體不銹鋼缸套，與氣缸體間隙配合，具有良好的更換性。氣缸套采用帶法蘭邊形式，通過氣缸蓋螺栓壓緊在氣缸體上，可以防止氣缸套在機組運轉(zhuǎn)中發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

氣閥裝在氣缸體內(nèi)，采用徑向布置，通過閥罩和閥蓋壓牢，氣閥采用閉式閥結(jié)構(gòu)，可通過氣閥裝拆工具拆裝。氣缸體與氣閥閥蓋、氣缸蓋的連接螺栓進行強度和疲勞核算，并用扭力扳手按規(guī)定的力矩值緊固。氣缸體與氣閥之間采用退火紫銅墊圈密封，與氣缸蓋、氣閥閥蓋之間采用O型氟橡膠圈密封。氣缸通過螺栓連接安裝在機身上，并采用圓柱銷定位。

3.2 活塞設(shè)計

圖2活塞由活塞體、活塞桿、導(dǎo)向環(huán)、活塞環(huán)、擋油盤等組成。一級活塞體采用鑄造鋁合金并經(jīng)陽極氧化，二、三級活塞體采用鑄造銅合金，通過對活塞體結(jié)構(gòu)的設(shè)計及不同材料的選用，能有效的對各級活塞配重，并對各列往復(fù)運動產(chǎn)生的振動起到平衡作用?；钊h(huán)和導(dǎo)向環(huán)均采用填充聚四氟乙烯材料，耐磨性更好，使用壽命更長?；钊麠U采用馬氏體不銹鋼鍛制而成，其螺紋是軋制成的，具有很高的抗疲勞性能，在活塞桿外圓進行特殊工藝處理，可以獲得足夠的硬度，還能降低活塞桿與填料摩擦時的溫度。活塞與活塞桿用鎖緊螺母緊固連接，用扭力扳手按規(guī)定的力矩值預(yù)緊，增加防松墊片結(jié)構(gòu)。此外，還通過鍵使活塞體和活塞桿固定，防止活塞工作時發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，使用安全可靠。

圖2 活塞組件

3.3 密封器設(shè)計

密封器由密封盒、密封環(huán)、法蘭、壓板、螺栓等組成，通過螺栓緊固在氣缸上，作用是阻止氧氣通過氣缸與活塞桿之間的縫隙泄漏，主要靠氣體的壓力差來獲得自緊密封。密封環(huán)分為減壓環(huán)、主密封環(huán)和漏氣密封環(huán)，減壓環(huán)安裝在靠近氣缸側(cè)，起到節(jié)流均壓和減少氣流脈沖的作用。二、三級密封器采用軟化水冷卻，降低了活塞桿溫度并提高密封環(huán)的使用壽命；密封器上設(shè)有放空口，將泄漏的氧氣通過密封器匯總管引至室外高處放空；密封器上還設(shè)有充氮保護裝置，防止從密封器泄漏出來的氧氣聚集形成富氧環(huán)境，提高氧壓機運行時的安全。密封器氣道盒子之間采用研磨密封，與水壓板之間采用O型密封圈密封，可以防止冷卻水進入密封器氣腔，密封器組件需要按規(guī)定做氣密性試驗。

4 輔助設(shè)備設(shè)計

4.1 氧氣管路系統(tǒng)設(shè)計

由于氧氣壓縮機排氣壓力高，設(shè)計管道時必須嚴格控制氧氣流速、PV值及管道材料的選用。此外，管道布置不僅要美觀整齊，還要保證機組有足夠的操作和維修空間。圖3是管路部分節(jié)點壓力脈動相對幅值圖，由于往復(fù)壓縮機氣流脈動的存在，設(shè)計管道系統(tǒng)時采用專業(yè)的脈動分析軟件進行校核，通過調(diào)整緩沖器的容積、管道的大小和走向、支撐的結(jié)構(gòu)和位置等措施把氣流脈動值控制在標準范圍內(nèi)，降低了氧氣管道振動值，運行時更加安全。氧氣管道法蘭采用金屬纏繞墊片密封，并用測力扳手扳緊，在用戶現(xiàn)場進行氣密性試驗，確保連接的可靠性。

圖3 壓力脈動相對幅值

4.2 潤滑油系統(tǒng)設(shè)計

氧壓機設(shè)有主油泵(壓縮機曲軸驅(qū)動)，另外還有一套供油裝置。供油裝置包括電機驅(qū)動的輔助油泵、油冷卻器、過濾器、安全閥、壓力控制閥及各種儀表，并集中安裝在一塊底板上。供油裝置上的輔助油泵采用螺桿泵，可以降低運行時產(chǎn)生的噪音并提高可靠性。氧壓機啟動前應(yīng)開啟供油裝置輔助油泵，給氧壓機以預(yù)潤滑，當氧壓機運轉(zhuǎn)后，機上油泵工作，輔助油泵停止運轉(zhuǎn)。潤滑油要通過油冷卻器進行冷卻，然后再在進入機身各潤滑點。此外，輔助油泵也用于機上油泵出現(xiàn)故障時作為備用。

4.3 撬塊的設(shè)計

氧壓機撬塊主要承受機組的自重、壓縮機工作過程中的不平衡慣性力、慣性力矩以及壓縮機安裝時地腳螺栓的預(yù)緊力。撬塊由H型鋼焊接制作，并整體進行消除焊接應(yīng)力處理。壓縮機主機、電機、容器、管道、支撐、閥門、儀電控系統(tǒng)等集中布置在撬塊上，機組重心盡量靠近撬塊中心，撬塊上還設(shè)有獨立的電機底座、主機底座、輔機底板以及加強筋板，不僅可以方便各部件單獨組裝，還可以提高撬塊的整體強度和剛度以防止底架在吊裝和運輸過程中產(chǎn)生變形。撬塊上每個地腳螺栓孔兩側(cè)都設(shè)有支緊螺釘，在用戶現(xiàn)場安裝時，用于調(diào)節(jié)機組水平。

5 結(jié)論

本文主要闡述了撬裝式高壓氧壓機的總體方案、主要零部件以及輔助設(shè)備的設(shè)計要點，旨在提高高壓氧壓機運行的安全性和可靠性。此外，設(shè)計者還需要從氧壓機所服務(wù)的工藝流程和安裝環(huán)境等方面考慮是否有其他的要求。氧壓機機組采用整體撬裝式結(jié)構(gòu)，輔機布置和管道走向合理，自動化程度高，安裝方便，運行安全，可以為工業(yè)廢液處理用濕式氧化工藝裝置提供可靠保證。