某新型压缩机扩能革新探讨剖析

　　四川泸天化股份有限公司合成氨一车间 （简称合成一 ）是 20世纪 60年代从英国汉格 HG 公司引进的**套天然气连续转化制合成氨的装置， 生产能力为 300 tNH 3 /d.运行至今进行了 3次增产节能技术改造， 生产能力达到 314 tNH 3 /d和 136 tCH 3 OH /d.甲醇和氨合成系统采用 3 台电机驱动的往复式压缩机 K401A /B /C， 型号为4HG /4ap， K401A /B由意大利新比隆公司设计制造， 1966年投入运行， K401C由当时泸天化化机厂制造， 于 1974 年投运。K401A /B 机组先后改造两次、K401C改造一次， 1969 年对四段缸作了结构性的改造， 改善了缸的对中。 1989 年配合装置扩能改造， 合成系统压力由 60 0MPa降低到13 0M Pa， 以循环段取替高压的三、四段缸， 压缩机变成两个压缩段和两个循环段。

　　工艺流程为： 1 45M Pa的氢氮气经过氨冷器（H429）降温至 6 进入 K 401机组， 经一、二段压缩至 12 75MPa， 水冷却到 43 ， 然后进入联醇工序进行甲醇合成， 经分子筛脱水的气体作为循环段的补充气， 进入循环段压缩至 13 0M Pa， 然后送入合成塔进行氨合成 .

　　1. 1 工艺扩能

　　四川泸天化绿源醇业年产 40 万 t甲醇装置的弛放气量为 15644 Nm 3 /h， 温度为 55 ， 压力2 4M Pa， 气体成分。

　　绿源醇业普里森弛放气成分该弛放气如果直接排放， 不仅浪费， 而且会对环境造成污染。若回收至合成一， 不但解决了绿源醇业弛放气排放难题， 还可以解决合成一联醇装置氢平衡的难题， 符合集团公司的整体利益。

　　K401原一段设计总能力为 56586Nm 3 /h， 如果要回收绿源醇业弛放气， 其一段打气量至少要达到64899Nm 3 /h， 二段和循环段的打气量相应也要增加， 因此要回收绿源醇业弛放气， 就必须对 K401机组进行扩能改造。

　　1. 2 设备状态

　　K401A /B至今已运行了 39年， K401C 运行了 32年， 机组严重老化， 气阀检修频繁。1989机组改造后， 一、二段综合活塞力分别为 485 8kN和 433 65kN， 位于一侧； 二个循环段综合活塞力218 22kN， 位于另一侧。由于机组对称列长期受力不平衡原因， 曲轴箱的墙板 （主要受活塞力大的在一段， 其次二段 ）逐渐开始、重复、多处产生裂纹， 且裂纹长度达 1m 多， 在 2004 年多次发现K401A /B /C一段曲轴箱的墙板出现裂纹， K401C在 2004年底至 2005年初因处理墙板裂纹停机检修达 3个月， 系统无法加高负荷， 产量损失大。机组在生产维护中备品备件消耗大， 检修频繁， 且长期带病运行， 对设备和人身安全极为不利。据统计在 2002年至 2004年间， K401 停车 173次， 合计 1199 6小时， 平均每年损失合成氨 5498 3，t 按价格 1600元 / t计， 共损失 880 万元， 每年的备件费用为 91万元。

　　1. 3 电机状态

　　K401A /B /C高压同步电机 （型号为 AK116 / 55）为英国 A E I公司 60年代生产， 经过多年运行， 电机各方面性能逐渐老化， 具体表现在： 电机绝缘严重老化， 启动前需长时间烘烤； 电机滑环磨损严重， 已多次光刀处理， 直径减小接近极限； 电机启动时， 定、转子之间经常出现打火花； 励磁装置多次出故障， 电机出现袋励磁启动现象， 危及电机的安全运行。从经济和长周期运行考虑， 决定更新电机。

　　1. 4 能耗

　　因供气原因， 当整个装置负荷在双机或三机生产时， 其中有一台压缩机常处于非满负荷运行，造成无意义的功耗损失。

　　2 技改内容

　　2. 1 改造思路和要求

　　2. 1. 1 工艺要求

　　通过对氢氮气压缩机进行扩能技术改造， 各段打气能力将在原有基础上提高 20% ， 即在转化系统工艺天然气流量保持设计值 （ 12035 Nm 3 /h）和脱碳系统能力不变的前提下， 将绿源醇业弛放气补入氨冷器 H429 进口， 增加了甲醇合成系统和氨合成系统的气体流量， 车间普里森处理后的高压氢 （或合二高压氢 ）回收到 K401一段出口， 低压氢一部分用于钴钼加氢， 剩余部分回到H429进口。新的 K401（一段、二段和三段 ）还要为装置开车期间， 转化系统、甲醇合成系统氮气升温提供动力。

　　为确保脱碳、联醇、合成氨装置的性能， K401新鲜段和循环段进出口压力维持不变。由于回收绿源醇业弛放气， H 429氨冷后工艺气温度有所上升， 而 K401新鲜段温度将会下降， 但均不会影响装置的正产运行。

　　2. 1 .2 设备要求

　　K401曲轴箱体采用钢板焊接的方式成型， 加强筋及横梁也以焊接的方式与曲轴箱体连接。工作时箱体侧面 4个盖板承受气体力， 箱体顶部由两根预紧梁施加预紧力， 使箱体安装时处于预压缩状态。压缩机的活塞力都是沿着列的轴线方向作用的， 由于对称列受力不均衡， 导致曲轴箱窗口变形变化较大。根据有限元分析计算结果显示，*大载荷与*小载荷位移相差 0 3mm， 气缸轴向振动较大。技改前， 机械专业对压缩机参数进行复算。

　　从计算结果来看， 一段的气体力、综合活塞力*大， 箱体侧板开裂正好在*大应力点上， 裂纹是该处在*大交变载荷作用下产生的疲劳破坏， 而二段只发生过 3次小的裂纹， 循环段重来未发生过裂纹。经过计算和分析认为， 从两个方面避免裂纹发生， 一方面为了减小曲轴箱窗口位移， 在曲轴箱各主轴承座上方增加加强横梁； 第二方面减小综合活塞力不超过 450kN， 且对称列受力均衡。

　　另为节约投资， 保留现有曲轴箱、曲轴、中体、十字头、连杆等主要零部件。为此提出合成气按三段压缩， 循环段按一个缸设计的方案。

　　2 .1 .3 节能控制要求

　　K401A /B /C扩能技改后， 由于一段炉能力有限， 在双机或三机负荷生产， 特别是在绿源醇业无返氢时， K401机组处于非满负荷运行， 造成无意义的功耗。经反复论证， 决定在 K401A 新鲜段进口阀上增设液压式无级气量调节系统， 节约压缩机的电耗。

　　2. 2 改造设计方案

　　2 .2. 1 压缩机的技术要求

　　1）该机组的结构按合成气三段压缩， 循环段按一个缸设计， 即 1 /2 /3 /循环段各一个 .保留现有曲轴箱、曲轴、中体、十字头、连杆等零部件， 对压缩机的气缸及组件、活塞及组件、各段缓冲罐、分离罐、水冷却器、安全阀、附属管道等零部件进行重新设计、制造。

　　K401技改后结构示意图2）对合成压缩段的气缸组件、填料函、活塞环、支撑环等采用有油润滑结构； 循环段气缸设计为无油润滑结构 （填料有油 ）。各段的气体力、活塞杆载荷、十字头销载荷、综合活塞力等要小于 450kN，飞轮距不超过现有机组 5% （现有机组为 35 6tm 2）。

　　3）各级填料为有油润滑结构， 气缸为水冷式有油润滑结构 （循环段无油润滑结构 ）， 一级气缸体利用原合成气的一级气缸体， 三级缸体利用原循环段气缸体， 更换气缸套， 配制气缸盖； 二级、循环段气缸体重新设计制造， 各级缸体均设计有采取过盈配合的合金铸铁 （ JT25 - 47C）气缸套， 缸套表面粗糙度应为： R a0 2 0 6 m， 并满足当活塞直径 254mm 时， 缸套*小壁厚应为 9 5mm；当活塞直径 > 254mm 时， 缸套*小壁厚应为12mm.活塞环材料选用含有碳纤维的聚四氟乙烯 4F- 11材料， 一段、二段支承环采用巴氏合金，三段支承环优先采用含有碳纤维的聚四氟乙烯4F- 11材料， 循环段支承环采用含有碳纤维的聚四氟乙烯 4F- 11材料。

　　4） 活塞杆螺纹为滚制螺纹， 活塞杆采用42CrM oE材料制造， 磨擦表面*高硬度 HRC46 - 55， 活塞体为钢制。

　　5）为适应与活塞杆进行液压紧固连接， 十字头体利用原部件改造。

　　6）循环段气缸部件重新设计和制造， 气缸的进、排气口为上进下出结构。

　　7）各段填料密封组件重新设计制造， 为有油润滑结构。填料盒为不锈钢， 密封环材质为填充碳纤维聚四氟乙烯材料， 填料弹簧采用不锈钢材料为 17- 7PH， 填料接管为不锈钢。

　　8）刮油器组件重新设计制造， 并符合现有刮油器的安装位置以实现准确安装。

　　2 .2. 2 压缩机的主要性能及参数

　　2. 2. 3 压缩机组改造的总体安排

　　2005年 6月 10 日， 合成一合成系统扩能技术改造项目立项， 该项目总投资 3036 58万元， 项目所需资金全部为股份公司自有资金投入。

　　K401机组改造设计由沈阳鼓风机集团有限公司负责， 管道设计由泸天化设计院负责， 沈鼓对振动进行校核， 安装和施工由泸天化弘旭公司和泸天化股份公司检修车间负责。K401电机更换和增设液压控制系统等配套项目在 K401A 机组上统一实施， 即： 用佳木斯电机股份有限公司的增安型无刷励磁同步电动机， 替代 K 401A 旧电机， 新电机额定功率为 3200kW； 使用贺尔比格的 Hydro COM 控制系统， 对 K401A 一段、二段、三段进口气量进行调节， 通过回流省功实现节电降耗。

　　2. 3 技改实施

　　1） K401C改造： 2008年 2月 17日， K401C发生事故， 一段缸、活塞、活塞杆、中体， 十字头和连杆等部件严重损坏， 曲轴和曲轴箱也受到一定程度的损坏， K401C提前进入改造。4 月 1日技改工作全部结束， 在机、电、仪、化的共同确认下， 2日开始建立油循环清洗， 5日 K401C空载试车， 累计运行共 16 5个小时。 9日 K401C加压试车， 新鲜段分别加压至 5 0MPa、10M Pa， 循环段 50% 负荷运行， 试车合格后向系统送气， K401C扩能改造工作顺利结束。

　　2） K401A /B改造： 2009 年 5月 7日 7 月 5日， 在合成一车间装置大修时， 对 K401A /B实施扩能技术改造。 5 月 8 日 K401A /B 置换、隔离，10日正式开始实施改造。

　　7月 4日 K401B试车合格， 投入转化系统氮气循环。6 日 K401A 试车合格， HydroCOM 控制系统调试正常， 建立联醇装置氮气循环。

　　3 性能测试

　　3 .1 测试方案

　　2009年 4月 23日对 K401C机组进行了满负荷考核， 2010年 9月 16日 17日对 K401A /B进行考核， 通过考核达到以下目的：1）通过改造前后数据对比， 确定 K401A /B/C是否到达了设计要求。

　　2）分析压缩机改造后存在的问题。

　　3）通过改造前后产量对比， 检验改造的扩能效果和节能效果。

　　4）通过 K401A /B /C满负荷运行来检验机组运行的可靠性。

　　3. 2 考核记录和对比

　　3. 2. 1 温度

　　1） K401A /B /C各段温度设计值和实际值对比。

　　K401A /B /C 各段温度设计值和实际值对比设计值2） K401A /B /C各段进出口温差设计值和实际值对比。

　　3）数据分析：压缩机各段温差与原设计相比均有偏离， 3台车的一、二段温差均比设计值偏高； K401A /B三段与设计值接近， K401C三段温差比设计值偏高， 因调整氨合成触媒温度， 各台车四回四切断阀有一定开度， 故循环段进口温度与设计值有偏差。

　　3. 2 .2 压力

　　1）各段压力设计值和实际值对比。

　　2）各段压缩比设计值和实际值对比。

　　各段压缩比设计值和实际值对比3）数据分析：在三回一全关时， K401A 的一段进口压力比K401B略低， 但均比 K401C高。 3台车的三段出口压力均比设计值低， 其中以 K401B的三段出口压力为*低。各段压缩比， K401A /B一段压缩比明显低于 K401C和设计值， K401A /B的压力参数与设计值存在较大偏差。

　　3. 2. 3 流量

　　K401A /B /C改造后考核数据与改造相比， 结果如下：1）新 K401A /B /C实际打气量对比。

　　2）数据分析：K401A /B /C3台压缩机技改后， 机组打气量存在差别， 能力大小依次为 K401C > K401A > K401B， 与技改前比较， K401A /B/C 的气体流量增加情况。

　　在机组新鲜段满负荷运行期间， K401A /B的循环段凡尔虽加满， 但四回四仍有开度， 说明循环段的设计能力能满足要求。

　　3 .2 .4 电机

　　在 K401A /B /C 考核期间， 分别用各台电度表检测值、定子电流表指示计算值两种方式对电机进行考核， 情况如下：1） K401A /B /C电度表指示从电机电度表测试结果可知， 在 K401A /B/C满负荷运行时， K401A 的电度值比 K401B /C略高25kWh， 但由于 K401B比 K401A /C多 45kW 的励磁功率， 故 K401B的电机总功率比 K401A /C 分别高出 20kWh和 45kW.

　　2） K401A /B /C电机定子电流表指示从表中可看出， K401A 电机功率比 K401B低约 200kW， 与 K401C基本一致， 这与 627、649馈线出站电度表测量计算值基本吻合。

　　3）K401A 电机改造， 新增电机水冷器一台， 消耗循环水量为 28Nm 3 /h， 增加能耗 0 017Gcal/h.

　　3 .2. 5 无级气量调节系统

　　为了检验 K401A 无级气量调节系统的回流省功效果， 在调节系统投用期间， 根据 K401A 单机在不同负荷的情况下， 对电机功率数据进行收集和分析对比。

　　1） K401A 单机在 46% 和 75% 负荷时， 分别检测 K401A 定子电流表和电机电度表读数。

　　从数据表可看出， 根据定子电流计算出的功率与电度表检测值是基本一致的， 偏差率均低于5% ， 故可将定子电流做为计算 K401A 在不同负荷下电机功率依据。

　　2） K401A 在不同负荷下的电机功率。

　　4 结论

　　1） K401A /B /C技改后， 各段打气能力均有增加。K401A /C 与改造前比较， 打气量分别增加20 33% 和 20 8%， 达到改造设计要求 20%，K401B增加打气量 18 19% ， 未达到改造设计要求。

　　2）在技改后的大修期间， 对 K401 曲轴箱探伤未发现裂纹缺陷， 曲轴箱窗口*大载荷与*小载荷位移差， 由技改前的 0 3mm 降至 0 05mm， 这些均表明压缩机组的改造是成功的。

　　3） K401A 的无级气量调节系统具有自动调整压缩机负荷的功能， 特别是当压缩机非满负荷运行时， 调节系统回流省功的作用是非常明显的，达到了节电降耗的目的。

　　5 现有问题和建议

　　K401B扩能改造后， 打气量仅增加 18 19%，未达到改造设计要求 20% ， 需对其原因进行分析， 并做进一步整改。