压缩机电机轴降低交变应力的具体实施方法

(中国平煤神马集团许昌首山焦化公司，河南许昌 461700)

中国平煤神马集团(许昌)首山焦化公司制氢厂是首山焦化2009年底新上的化工项目，主要以首山焦化公司焦炉煤气为原料，采用国内先进的变压吸附工艺生产纯氢，也是目前国内最大的焦炉煤气制氢装置。纯度为99.99%的产品氢气通过17 km管线送至中国平煤神马尼龙化工公司，作为生产尼龙66盐的重要原料。该项目实现了煤化工到尼龙化工领域的产业延伸，形成了世界上最完整的煤基尼龙化工产业链。作为制氢厂核心部分的压缩机是保证不间断向尼龙化工输送氢气的动力之源。

但是，2011年1月18日～2月8日，7台压缩机中的4台压缩机电机轴分别出现断裂，更换新的电机轴需要3个月。为了能不间断向用户输送氢气，采用了降低变压吸附压力等方法，解决了供气危机。

1 装置流程简介

制氢装置工艺流程是:经电除焦单元过来的焦炉煤气首先进入7台往复式压缩机加压，加压至0.122 MPa后送至 200#变温吸附预处理、300#变压吸附预处理，气体进入200#、300#脱除碳氢类等大分子杂质后再次进入压缩机进行提压，当压力达到1.6 MPa后送至400#变压吸附单元，由8个吸附塔进行PSA氢提纯和脱氧，最后得到纯度为99.99%的氢气，经由输氢管道送至用户公司。

2 电机轴断裂原因简析

2010年10月18日制氢装置安装完成并试车成功，11月13日制氢厂根据用户需求单机满负荷正式向中国平煤神马尼龙化工公司输送氢气。2011年11月18日～12月8日1#～4#机相继出现电机轴断裂。

表1 1#～4#压缩机累积运行时间及应力循环周数表

从表可以看出，1#～4#压缩机断轴运行时间最短191 h，最长395 h。1#～4#压缩机运行周数均小于107发生断裂，在疲劳断裂周数范围内。

从图片中断裂面可以看出:

电机轴断裂面详见图1所示，①疲劳源区光亮度最大，在断口上常能看到明显的亮斑;②疲劳区的断口比较光滑并分布有贝纹线;③瞬断区的特点是中间平面应变区为放射状断口，边缘平面应力区出现剪切唇;④具有非常明显的疲劳断裂特征。

图1 电机轴断裂面

3 降低电机轴交变应力的具体方法

为了保证生产得以为续，整体产业链的平衡，在更换电机轴之前，我们以降低操作压力为主，减轻电机轴质量为辅，从而降低电机轴承受的交变应力。

3.1 减轻电机轴质量

为了减轻电机轴质量，降低电机轴应力，我们采取了不摘除飞轮直接摘除齿轮圈，并将齿轮圈固定的方法，该方法直接减少电机轴质量230 kg。

首先将齿轮圈摘除，将摘除的齿轮圈固定在不影响电机及压缩机运行的支架上，从而达到摘除齿轮圈的目的，此方法不仅检修周期短，而且回装速度快，不影响正常生产，实施方便，详见图2、3。

图2 飞轮示意图

图3 齿轮圈摘除前后示意图

表1 降压分析数据表

3.2 降低吸附塔工艺操作压力及压缩机电流

降低400#吸附塔吸附压力，从而减少压缩机电机输出功率，进而降低电机轴承受的交变应力。

在降低操作压力时需要逐步降低，并加强分析监控，严防超标。200#、300#吸附压力每次降低5 kPa，400#吸附压力每次降低 0.1 MPa，每次降压后监控运行72 h，分析指标合格后方可继续进行降压，直至降至最低临界值。

将每次降压后的分析数据进行统计，如表1所示。

表2 压缩机运行记录表

通过对以上降压过程的分析研究，我们最终将二级进气压力控制在70～75 kPa，四级出口压力为1.1 MPa。降低压力后，经过统计和对比发现压缩机功率明显下降，由原来的1 700 kW降为1 500 kW，电流为105 A以下，有效降低了电机轴承受的交变应力，保证了工艺生产的正常运行。

压缩机运行记录如表2所示。

4 实施效果

两种方法的实施有效地降低了压缩机电机轴的交变应力，使5#、6#、7#压缩机能长久稳定的运行。

至2011年4月20日1#、2#新的电机轴恢复完毕，我们对5#，6#，7#压缩机的运行时间及应力循环周数进行了统计，如表3所示。

表3 压缩机运行时间及应力循环周数统计表

从表中可以看出，5#、6#、7#压缩机的运行周数均大于107次方仍未断裂，均超过疲劳极限运行时间，我们采用的方法有效降低了电机轴的交变应力，确保了煤基尼龙化工产业链安全、稳定、长周期运行，得到了尼龙化工公司的肯定，达到了预期的效果。

5 结论

通过上述方法的实施，我们得知在特殊的条件下，适当减少轴的重量，可以有效降低轴的负载，延长轴的使用寿命。变压吸附工艺的操作弹性较大，在负荷允许的前提条件下，适当降低压力，可以很好利用作为长期运行和降低能耗的有效方法之一。