Claus风机润滑油乳化问题研究及应对

杨 洋，李 凯，谷卓然，李治鹏，李跃杰，李长春，向春林

(中石化广元天然气净化有限公司，四川 广元 628000)

Claus硫磺回收工艺是目前国内外硫磺回收使用最普遍工艺【1】。中石化广元天然气净化有限公司(简称净化公司)采用了常规Claus炉非常规分流硫磺回收工艺【2】。Claus风机(K-301)是该工艺的关键机组，其主要作用是为Claus炉和加氢炉提供足够的空气【2-3】。在硫磺回收单元中，其可确保再生硫化氢按规定比例与氧气反应生成二氧化硫；二氧化硫继续与未反应的硫化氢反应而生成单质硫；少量未反应的硫化氢在转化器中继续反应，最终将硫化氢转化成硫磺产品。在尾气回收单元中，其可为加氢炉提供氧气，进而制备一氧化碳等还原性气体，以降低尾气中二氧化硫含量。当Claus风机因轴承温度、振动和位移值超高等一系列非正常停车后，Claus炉将联锁停炉。若Claus炉长时间(30 min以上)未能恢复将导致硫磺回收单元停车。Claus风机停车还会造成加氢炉停炉，使加氢反应无法进行，进而导致联合装置尾气中二氧化硫排放超标。目前净化公司尾炉烟气外排严格按照环保指标控制，其中ρ(SO2)≤960 mg/m3，ρ(NOx)≤50 mg/m3，若Claus风机停车，则可能导致尾气排放超出上述控制指标，所以其平稳运行对净化厂硫磺回收和尾气处理单元、甚至整个联合装置起着决定性作用。

Claus风机的润滑油是影响Claus风机平稳运行的重要因素，其好坏程度直接影响设备轴承振动【4-5】、温度【6】，甚至使用寿命【7-8】。净化公司四套联合装置的Claus风机都采用阿特拉斯公司生产的VG32型机油，且采用强制润滑的润滑方式。强制润滑技术是集过滤、润滑和冷却于一体的循环系统。该系统由供油泵将润滑油强制压送到轴承部位，超过设定液位的润滑油自动回流到油箱，使磨损润滑液面始终保持恒定，从而保证供油量充足且稳定。因此强制润滑系统不但润滑效果良好，而且冷却效果也很突出，与其他润滑方式相比，具有更易控制、更均匀、更可靠等优势【9-10】。在分析导致K-301跳车事故原因的过程中发现，润滑油乳化变质使K-301轴承温度升高，是引发跳车的主要原因之一。K-301对润滑油的品质要求较高，其对阿特拉斯·科普VG32型润滑油的换油指标要求见表1。从表1中可以看出，在水分大于0.1%和旋转氧弹值小于238 min等情况下，整套系统的润滑油将不能使用，必须全部更换。而润滑油价格昂贵，更换一次费用为18万元RMB。为了促进净化公司降本增效和解决Claus风机的润滑油乳化问题，通过分析润滑油乳化的原因，进而给出解决方案，确保了装置的安全平稳运行。

表1 阿特拉斯·科普VG32型润滑油换油指标

1 强制润滑原理

Claus风机润滑系统流程见图1。

图1 Claus风机润滑系统流程

Claus风机润滑系统分为2种运行状态，即备用状态和在用状态。当润滑油系统为备用状态时(润滑油温度为40～42 ℃)，润滑油从油箱通过油泵升压后运送到换向混合恒温阀，由于此阀门需在润滑油温度为45 ℃以上方能打开，故润滑油直接走流程②，通过过滤器、减压阀输送到各润滑点；当该系统为在用状态时，润滑油温为60 ℃左右，此时润滑油走流程①，经过换热器冷却后，再经过滤器、减压阀，最后到达各润滑点。

2 温度和振动值超高引起联锁跳车原理

风机报警联锁数据见表2。

为了保证Claus风机和整个联合装置的安全平稳运行，净化公司设置了安全仪表系统(SIS)。当轴承温度、振动值等参数超出设定值时，SIS会就直接联锁关断，如表2所示；当齿轮箱高速轴驱动端、齿轮箱高速轴非驱动端和齿轮箱低速轴驱动端温度超过107 ℃时，分散控制系统(DCS)面板上就会发出报警，操作人员需及时处理；若处理不及时，温度持续上升至113 ℃，Claus风机就会直接联锁跳车，大量原料气放空导致经济损失，同时还会造成尾气二氧化硫超标等环保事故。同理，润滑油总管和风机出口管温度的联锁跳车值分别为62 ℃和191 ℃，齿轮箱高速轴非驱动端的振动联锁跳车值为58 μm，同时也可以根据设备使用情况和当地环境条件适当进行联锁值修改，有利于设备安全运行。

表2 风机报警联锁数据

图2为温度或振动超标导致K-301联锁跳车的控制示意。生产中一旦K-301的轴承温度或振动值超出设定值，温度信号就会通过热电阻转换成电信号传给AI卡件(模拟信号输入)，AI卡件经过大约100 ms运算后传送给K-301自带的CPU(中央处理器)系统，CPU按照设定逻辑运算，经过100～200 ms的运算后将运算结果信号传递给PK150调速器，使PK150调速器输出值降为0 r/min，进而使K-301停车。

图2 温度或振动超标导致K-301联锁跳车控制示意

3 润滑油乳化情况分析

3.1 润滑油乳化对Claus风机轴承温度的影响

齿轮箱高速轴驱动端(TE-32601)温度变化趋势如图3所示。

将乳化后的润滑油静置4 h后，出现了明显的油水分离现象(见图4)，而且下层的水分明显多于油相。这是因为润滑系统在长期使用过程中密封垫片老化，换热器水相缓慢渗透到油相中，形成了油水混合物。从图3 看出，润滑油长期使用过程中，随着润滑油缓慢乳化，Cluas风机齿轮箱高速轴驱动端温度逐渐升高，90 d的时间内，温度从72 ℃左右缓慢升至85 ℃左右。运用Origin8.5拟合了齿轮箱高速轴驱动端(TE-32601)的温度变化曲线，得到y=69.7+0.321x-0.001 76x2方程，并利用该方程对TE-32601的温度发展趋势进行判断。其温度上升趋势表明，润滑油乳化对Cluas风机齿轮箱高速轴驱动端温度有明显影响。

图3 齿轮箱高速轴驱动端(TE-32601)温度变化趋势

图4 润滑油静置4 h后油水分层情况

3.2 润滑油成分分析

首先对乳化润滑油进行外观和水分分析【11】，然后将润滑油进行油水分离，对得到的油相进行化学分析，结果如表3所示。

从表3分析结果来看，长期使用的润滑油有如下特点：

表3 润滑油分析数据

1) 外观和水分分析表明，乳化后的润滑油较新油浑浊，产生了大量的油水混合物；

2) 40 ℃时测得的在用润滑油运动黏度与新油相差不大，但是黏度指数从127 mm2/s降低到113 mm2/s，表明该润滑油的运动粘度受温度的影响较为明显，系统温度升高或降低都将影响润滑油的润滑效果;

3) 在用润滑油的闪点从233 ℃降低到225 ℃，表明润滑油发生闪燃的概率大大增加，系统发生火灾的危险性增大；

4) 在用润滑油的抗乳性从7.0 min降低到6.0 min，旋转氧弹指标从1 200 min降低到660 min，说明油品的抗氧化性能有下降趋势；

5) 在用油泡沫性在程序Ⅰ和程序Ⅲ测得的参数值分别为150/0和40/0，明显大于参考值，表明在用润滑油具有更大的产生泡沫的倾向，而由此产生的不良润滑、润滑损失和气穴现象都会导致Claus风机故障；

6) 在用润滑油的铜腐蚀和酸值与新油的相应参数值没有变化。

3.1节和3.2的分析表明：K-301润滑油箱垫片性能变差和润滑油自身降解是导致润滑油乳化的主要原因。

4 应对措施

4.1 设备密封圈老化应对措施

图5为强制润滑系统中油箱换热器外观。通过与生产厂家交流并进行资料调研，研制出一种新型密封垫片。该密封垫片具有更好耐腐蚀、抗压、抗高温、耐臭氧等优良性能(如表4所示)。停机后，采用新型垫片对老化的密封垫片进行更换。首先将润滑油排除干净，对油冷器进行拆卸检查、清洗和整改，然后再进行密封垫片安装，更换全新油冷器封头垫片并进行现场水压密封测试，测试条件为0.7 MPa(工作压力的1.25倍)水压，保压24 h。测试结果为压降低于0.5%，确定密封性合格。

图5 换热器和封头检修

4.2 润滑油降解的应对措施

针对3.2中油品的理化性能分析结果，从工厂实际条件出发，制定出2条有效措施以应对润滑油的降解：1)定期补充新油，缓解润滑油整体氧化趋势，并定期进行分析化验，加强监控，将旋转氧弹长期控制在886 min以上；2)加强更加廉价和性能优良的润滑油的研制。目前研制的YB-1型润滑油与在用润滑油阿特拉斯·科普VG32型润滑油性质相当，拟进一步进行实际应用测试。2种润滑油的效果对比见表5。

表4 新旧垫片物性参数对比

表5 阿特拉斯·科普VG32型润滑油与YB-1型国产润滑油效果对比

从表5可以看出，国产YB-1型润滑油与阿特拉斯·科普VG32润滑油在理化指标上性能相当，其中在24 ℃时国产YB-1型润滑油的泡沫性(35/0)明显优于阿特拉斯·科普VG32润滑油(100/0)，价格远低于VG32润滑油。

5 效果检验及总结

5.1 效果检验

润滑油乳化问题得到解决后， Claus风机的轴承温度、 振动值等均在正常范围内， 以齿轮箱高速轴驱动端(TE-32601)温度变化为例，其改造后TE-32601的变化趋势见图6。从图6中可以看出，在20多天的检测过程中，TE-32601的温度值一直保持在68～70 ℃，表明润滑油乳化问题得到解决后，Claus风机运行良好。

图6 齿轮箱高速轴驱动端(TE-32601)温度变化趋势

5.2 结语

通过对K-301强制润滑系统介绍和润滑油乳化原因分析和应对措施研究，得到以下结论：

1) Claus风机通过SIS系统对K-301风机进行保护，当K-301轴承温度等参数超出设定值时，风机直接联锁跳车。

2) 润滑油箱密封垫片逐渐老化， 导致换热器水相进入油箱， 造成润滑油进水乳化， 通过研制新的垫片并进行更换， 保证了润滑油系统的密封性。

3) 通过分析在用润滑油的化学成分，研究出补充新油和研制价廉质优的润滑油等应对措施，解决Claus风机润滑油乳化问题和为净化公司降本增效。