氨制冷壓縮機(jī)潤滑油國產(chǎn)化研究及應(yīng)用

王學(xué)聰

（中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江寧波 315000）

1 概述

1.1 機(jī)組概況

某公司150 萬噸/年連續(xù)重整裝置再接觸單元氨制冷壓縮機(jī)（0211-C-203），是有油濕式螺桿式壓縮機(jī)。氨冷系統(tǒng)的主要作用是利用液氨為制冷劑為再接觸系統(tǒng)提供低溫環(huán)境，重新建立氣液平衡，使氫氣和油得到有效分離，進(jìn)一步回收輕烴，提高氫氣純度，其重要性和關(guān)鍵性不言而喻。

噴油式螺桿式壓縮機(jī)性能高、無余隙容積、效率高，無吸、排氣閥裝置等易損件維修方便，是制冷壓縮機(jī)中主要機(jī)種之一，應(yīng)用廣泛[1]。它使用的制冷劑為氨（R717），是目前廣泛使用的天然制冷劑。氨的ODP（高臭氧消耗潛值）、GWP（高溫室效應(yīng)潛值）均為零，十分環(huán)保。

該壓縮機(jī)屬于德國進(jìn)口設(shè)備。機(jī)組主要由螺桿壓縮機(jī)、電機(jī)、潤滑油系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成，該機(jī)組具體參數(shù)見表1。

表1 氨制冷壓縮機(jī)機(jī)組參數(shù)

1.2 潤滑油使用概況

冷凍機(jī)油是一種專門用于對制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)部件進(jìn)行潤滑和密封的潤滑油。它與制冷介質(zhì)結(jié)合在一起，可在制冷壓縮機(jī)中跨溫度范圍循環(huán)運(yùn)行，可直接影響制冷系統(tǒng)的制冷效率[2]。

該機(jī)組在用潤滑油采用的是進(jìn)口冷凍機(jī)油GEA R-717 Oil1#（CPI1009-68）。是國外很多廠家專用的多元醇脂（POE）68 號(hào)冷凍機(jī)油。多元醇脂冷凍機(jī)油具有較低的傾點(diǎn)和揮發(fā)性，較好的氧化安定性和較長使用壽命[3]，可減少維護(hù)降低停機(jī)時(shí)間、減少日常補(bǔ)油量等，推薦用于氨制冷壓縮機(jī)、工藝氣體回轉(zhuǎn)螺桿機(jī)和工藝氣體往復(fù)機(jī)等。潤滑油具體技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 冷凍機(jī)油CPI 1009-68 技術(shù)參數(shù)

該潤滑油自裝置開工穩(wěn)定使用6 年左右，使用期間性能指標(biāo)基本達(dá)標(biāo)，日常補(bǔ)油量基本忽略不計(jì)，使用壽命可達(dá)3 年以上，未發(fā)生過設(shè)備軸瓦、軸承磨損等故障情況，總體使用效果達(dá)標(biāo)。但是在使用過程過程中仍存在以下問題和限制：①使用過程中長期存在油溫偏高的問題，長期高于50 ℃，尤其是夏季高溫時(shí)期可高達(dá)55 ℃左右（60 ℃聯(lián)鎖停機(jī)），需要采取外部淋水降溫手段；②進(jìn)口冷凍機(jī)油采購周期長，時(shí)間長達(dá)3 個(gè)月以上，事故應(yīng)急能力較差；③進(jìn)口冷凍機(jī)油需原廠采購，價(jià)格高、手續(xù)繁雜，且受限于人。

2 國產(chǎn)化研究

2.1 氨制冷機(jī)對潤滑油的要求

首先研究氨制冷壓縮機(jī)對潤滑油的要求，該氨壓機(jī)是有油濕式螺桿壓縮機(jī)，輸送介質(zhì)為氨（R717），潤滑油溫度變化大（-2～90 ℃），長期與氨混合接觸，且部分冷凍機(jī)油會(huì)與氨一起進(jìn)入到冷卻循環(huán)系統(tǒng)。因此對該潤滑油有以下要求[4]：①傾點(diǎn)低，有優(yōu)良的低溫流動(dòng)性，保證低溫條件下潤滑油不凝結(jié)，且少量進(jìn)入系統(tǒng)中的潤滑油容易再回到壓縮機(jī)；②較高的黏度指數(shù)，保證油品運(yùn)動(dòng)黏度隨溫度變化小，從而保證設(shè)備在較寬的溫度范圍內(nèi)得到更好的潤滑和密封效果；③較低的酸值，與制冷劑化學(xué)穩(wěn)定性好，不易與制冷劑（氨）介質(zhì)反應(yīng)生成沉淀等有害物質(zhì)；④較高的閃點(diǎn)，確保在高溫下潤滑油揮發(fā)性小，減少潤滑油損耗。

2.2 潤滑油國產(chǎn)化對比

通過前期技術(shù)研究和后續(xù)技術(shù)交流、對比，選擇了長城4521-1（68）冷凍機(jī)油進(jìn)行對比試驗(yàn)。具體研究、對比如下。

2.2.1 組成對比

原先使用的冷凍機(jī)油GEA R-717 Oil1#（CPI 1009-68）是多元醇脂（POE）類潤滑油，屬于脂類合成油。酯類合成油是由有機(jī)酸與有機(jī)醇在催化劑作用下通過酯化反應(yīng)脫水而獲得的由酯基官能團(tuán)組成的有機(jī)化合物。根據(jù)反應(yīng)產(chǎn)物的酯基數(shù)目和位置，可分為雙酯、多元醇酯、芳香羧酸酯和復(fù)酯。酯類合成油因其特殊的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而具有優(yōu)異的高低溫性能、黏溫性能、熱氧化安定性、潤滑性、低揮發(fā)性等優(yōu)點(diǎn)，從而在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3]。

長城牌4521-1 冷凍機(jī)油是以特定結(jié)構(gòu)半合成油為基礎(chǔ)油，并加入高效無酸添加劑精制而成的專用于氨制冷系統(tǒng)的潤滑油，基礎(chǔ)油是加氫油和PAO 合成油。聚α－烯烴合成油是指由α－烯烴在催化劑作用下聚合并通過氫化而獲得的較規(guī)則的長鏈烷烴油，其具有獨(dú)特的化學(xué)組成結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的使用性能。PAO 類基礎(chǔ)油基本上是由一類獨(dú)特的梳狀結(jié)構(gòu)的異構(gòu)烷烴所組成，其直鏈烷烴骨架有利于良好的黏溫特性，而多側(cè)鏈的異構(gòu)烷烴骨架和相對較短（不長于10 個(gè)碳數(shù)）的直鏈段有利于保持良好的低溫流動(dòng)性。勻稱規(guī)整的化學(xué)組成結(jié)構(gòu)，尤其是不含芳烴、環(huán)狀烴以及不飽和鍵，十分有利于物理、化學(xué)穩(wěn)定性等。這種勻稱規(guī)整的、由多個(gè)長度適中的直鏈烷段組成多側(cè)鏈（梳狀）的異構(gòu)烷烴，是一種非常符合現(xiàn)代潤滑油基礎(chǔ)油所要求的理想化學(xué)結(jié)構(gòu)。因此，PAO 合成油的性能優(yōu)越[5]。

GEA R-717 Oil1#和長城牌4521-1 冷凍機(jī)油均屬于合成烴基潤滑油，都是比礦物潤滑油具有更優(yōu)異的性能，非常適合用于制冷機(jī)組。

2.2.2 性能對比

對CPI 1009-68 和長城4521-1（68）冷凍機(jī)油進(jìn)行性能對比評(píng)價(jià)，結(jié)果見表3。

表3 CPI 1009-68 和長城4521-1（68）性能評(píng)價(jià)對比

從表中結(jié)果來看：①長城4521-1（68）冷凍機(jī)油為半合成基礎(chǔ)油，其黏溫性能優(yōu)于CPI 1009-68，使用中油膜強(qiáng)度和穩(wěn)定性優(yōu)于后者。且合成冷凍機(jī)油由于其優(yōu)良的熱穩(wěn)定性而被常用于以R717 為制冷劑系統(tǒng)中[6]；②長城4521-1（68）閃點(diǎn)更高，高溫下的油揮發(fā)性較??；③二者低溫性能和抗腐蝕性相當(dāng)。

綜上所述，長城4521-1（68）冷凍機(jī)油綜合性能略優(yōu)于CPI 1009-68，是可以替代使用的。

2.2.3 制冷性能試驗(yàn)

長城4521-1（68）冷凍機(jī)油采用特定組成的基礎(chǔ)油，并輔以高效抗氧抗腐蝕劑、防銹劑、抗泡劑等多種添加劑精制而成。并采用特殊的無酸添加劑體系，可防止脂肪酸銨鹽的生成，尤其適用于以氨為制冷介質(zhì)的冷凍系統(tǒng)。根據(jù)GB/T 5773—2016《容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗(yàn)方法》[7]，對制冷量、軸功率、能效比進(jìn)行考察，測量+5/40 ℃、-15/30 ℃、-15/35 ℃工況下的制冷量、軸功率和能效比，要求對內(nèi)容比進(jìn)行調(diào)節(jié)以保證軸功率最小。制冷性能試驗(yàn)所用設(shè)備信息見表4，性能對比試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表4 制冷性能試驗(yàn)設(shè)備信息

表5 性能對比試驗(yàn)結(jié)果

從制冷對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，二者制冷量接近，能效比幾乎一致，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果兩者油性能接近，試驗(yàn)后的油品性能指標(biāo)檢測結(jié)果也相當(dāng)，可以替代使用。

3 國產(chǎn)化應(yīng)用

3.1 國產(chǎn)化應(yīng)用實(shí)施

長城4521-1（68）冷凍機(jī)油經(jīng)過組成對比、性能評(píng)價(jià)對比和制冷性能試驗(yàn)對比，得出完全可以替代進(jìn)口冷凍機(jī)油CPI 1009-68。而且長城4521-1（68）冷凍機(jī)油在國內(nèi)有過多次同類型機(jī)組成功替代使用業(yè)績。例如，中國石化齊魯石化橡膠廠氨冷螺桿機(jī)使用長城4521-1（68）冷凍機(jī)油替代進(jìn)口福斯68 號(hào)冷凍機(jī)油，使用換油周期長達(dá)3～4 年。中國石化上海高橋分公司煉油一部氨制冷壓縮機(jī)使用長城4521-1（68）冷凍機(jī)油替代進(jìn)口Frick 3 冷凍機(jī)油。因此，決定采用國產(chǎn)長城4521-1（68）冷凍機(jī)油替代進(jìn)口冷凍機(jī)油，并于2021年4 月全部替換使用。

3.2 使用效果評(píng)價(jià)

該壓縮機(jī)于2021 年5 月開機(jī)使用至今，使用性能良好。具體效果如下：①潤滑油溫度大幅下降，目前穩(wěn)定在45 ℃左右，比使用CPI 1009-68 冷凍機(jī)油油溫下降將近10 ℃左右，解決了機(jī)組油溫長期偏高問題，充分保障了機(jī)組安全平穩(wěn)長周期運(yùn)行；②潤滑油溫度下降，也促使氨制冷壓縮機(jī)排氣溫度和排氣壓力下降，解決了該壓縮機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行瓶頸；③潤滑油使用至今，已穩(wěn)定運(yùn)行2 年左右，定期采樣分析各項(xiàng)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)均正常，具體結(jié)果見表6；④使用過程中潤滑油添加量基本忽略不計(jì)，后路系統(tǒng)底部排油基本不見油；⑤價(jià)格優(yōu)勢明顯，該壓縮機(jī)檢修一次性潤滑油加入量為510 kg（600 L）左右，其中CPI 1009-68 為150 元/kg，4521-1（68）為45 元/kg，因此單次檢修節(jié)約更換潤滑油費(fèi)用約5.36 萬元左右。

表6 長城4521-1（68）分析數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

該氨制冷壓縮機(jī)潤滑油國產(chǎn)化研究成果的應(yīng)用成功，打破了國外壟斷，是真正力行設(shè)備設(shè)施國產(chǎn)化，也是公司內(nèi)部首次實(shí)現(xiàn)進(jìn)口潤滑油國產(chǎn)化。該國產(chǎn)化潤滑油采購周期短，可以隨用隨到，提升了裝置應(yīng)急能力，且價(jià)格優(yōu)勢明顯，極大地減少了采購工作量。該冷凍機(jī)油性能優(yōu)越，解決了重整氨制冷壓縮機(jī)油溫長期偏高問題，解決了該壓縮機(jī)運(yùn)行瓶頸，徹底消除了設(shè)備運(yùn)行隱患。