一种循环氢压缩机方案选型分析

刘海洋，马瑞红，刘守信，牟宪城

（沈阳鼓风机集团往复有限公司，辽宁沈阳 110869）

1 引言

往复活塞式压缩机自从19世纪诞生以来，广泛用于石油、化工、矿山、电力、食品、医药等各个领域，在国家重点项目建设中发挥了重要作用。往复活塞式压缩机具有高效节能、经济性好，运行可靠，使用范围广等优点，各优点之间相互关联，往往彼此矛盾。总体设计阶段要考虑周到、适当，权衡利弊，突出重点、兼顾其它，选出符合使用要求的最优设计方案。如果方案选型不当，会给压缩机带来“先天不足”的缺陷，后期想要弥补缺陷，就非常困难。因此，压缩机方案选型至关重要。

辽宁某石化公司的40万t/a环烷基润滑油高压加氢装置根据工艺流程要求，需要将工艺介质（循环氢）压力从18.3 MPa（G）提升至20.1 MPa（G）。用户经过充分地分析、研究各类压缩机的特点及优点，最终决定配套2台循环氢往复压缩机。该循环氢压缩机具有进气压力高、缸径小、压缩比小的特点。按照常规设计选型，采用双作用气缸的压缩机，机组反向角较小。当反向角为零或者较小时，十字头销只能承载一个方向的活塞力，使十字头销和小头瓦之间不能形成正常油膜润滑，导致小头瓦局部温度过高，从而造成严重磨损或者烧研。

2 方案选型

根据本台压缩机组的工艺流程、介质参数进行热、动力计算，并搜集国内外相近机器的资料，进行充分地分析比较，提出以下两种比较适合的方案：

2.1 方案一

压缩机气缸采用轴侧单作用，气缸盖侧工作腔始终与压缩机进气腔连通。经过热、动力计算，确定压缩机组为2D50机型，结构示意见图1。

图1 单作用气缸示意图

该方案的优点是轴侧单作用，只有轴侧密封填料一处外泄漏点，相比较泄漏量较少。但有以下缺点：

（1）该机组进气压力高，缸径小。高压气体作用在活塞两侧，由于活塞两侧受力面积差1个活塞杆的截面积。如图1所示，活塞与盖侧气缸组成的封闭空间压力为压缩机进气压力q1，作用到活塞的面积S1=πd12/4，气体作用到活塞上的力

压缩机启动前，活塞与轴侧气缸组成的封闭空间压力同样为压缩机进气q1，作用到活塞的面积气体作用到活塞上的力F2=q1π

为了成功启动电机，需要在电机启动的操作流程中做一些特殊调整。首先，将压缩机的出、入口阀门关闭，以压缩机为小单元，将压缩机从工艺流程中隔断出来。其次，降低压缩机气缸的吸入压力q1，从而减小气体合力F对曲轴的阻力矩。再次，打开“一回一”回路调节阀门，实现机组零负荷。然后启动电机，电机启动达到额定转数后，缓慢打开压缩机的出、入口阀门，将压缩机切入工艺系统中，使压缩机入口的压力达到额定工况的入口压力，最后，通过缓慢关闭“一回一”回路，实现机组加载，正常运行。因此，压缩机启机的条件相对苛刻、操作“一回一”回路相对麻烦。

（2）由于压缩机需要在低进气压力条件下启机。当机组临时停机时，机组内部充满高压工艺介质，想要再次启机，必须将机组内部的高压介质释放火炬燃烧。对使用单位来说是一种极大的浪费，同时会造成环境污染。

（3）机组额定工况运行时，采用“一回一”回路实现压缩机零负荷时，两列的反向角分别为21°和24°，反向角相对较小，十字头销始终承载一个方向的活塞力，使十字头销和小头瓦之间不能形成正常油膜润滑，容易导致小头瓦局部温度过高，从而造成严重磨损或者烧研。因此，不能长时间在该工况下运行。

（4）额定工况时进气压力18.3 MPa（G），经核算，机组压开气缸吸气阀，机组没有反向角，十字头销无法得到润滑。因此，此额定工况下，机组无法配置卸荷器实现“0”“100%”两档气量调节。

（5）因气缸为轴侧单作用结构，气缸盖侧工作腔与压缩机的进气腔连通，气缸盖侧若产生积液将无法被气体带走或排出，积存在气缸盖侧腔内，积液过多会产生活塞液击的危害。因此，需定期排放气缸盖侧的积液或者增设一个积液的收集罐。收集罐通高压气体，无形中也是增加了一种风险。

2.2 方案二

压缩机的活塞部件设计成带尾杆的结构，经过热、动力计算，确定压缩机组为2D40，结构示意见图2。

该方案相对于轴侧单作用的机型，有以下优点：

（1）活塞杆贯穿整个气缸，轴侧和盖侧所受的气体力作用面积相等。如图2所示，活塞与盖侧气缸组成的封闭空间压力为压缩机进气压力q1，作用到活塞的面积，气体作用到活塞上的力

图2 活塞带尾杆结构示意图

活塞与轴侧气缸组成的封闭空间压力同样为压缩机进气q1，作用到活塞的面积气体作用到活塞上的力

压缩机启动前，气缸内气体对活塞作用的合力F=F1-F2=0。压缩机启机时活塞两侧的气体作用力可以完全抵消，因此，活塞部件带尾杆结构的压缩机可以在入口高压力的情况下，打开“一回一”回路或者压开气缸吸气阀直接启机。操作流程比较简单。

（2）额定工况时，机组压开气缸吸气阀，两列的反向角均在100°以上。因此，机组可以配置气缸卸荷器，实现“0”、“50%”、“100%”三档气量调节，实现零负荷运行和气量调节。操作比较简单。

（3）活塞带尾杆结构，气缸轴侧、盖侧均做吸气、压缩、排气工作，因此不会产生积液，无需定期排液或增设高压的积液收集罐。

活塞带尾杆结构的压缩机有以上优点的同时，由其结构特性决定了自身也存在缺点：

（1）活塞杆贯穿整个气缸，在气缸的盖侧需增设一组密封填料。相对于轴侧单作用的机组，气缸盖侧多一处外泄漏点，泄漏量相对增加。

（2）带尾杆结构活塞的活塞杆相对于正常活塞杆要长，活塞杆尾端（气缸盖侧）的杆跳动可能会大一些。当然，活塞杆跳动与设备的制造、加工和安装精度等因素也有关系。

（3）若活塞杆尾端跳动大，安装在活塞杆尾端（气缸盖侧）的密封填料也会相对于气缸轴侧密封填料的磨损会严重一些。

2.3 两种方案对比

两种方案计算参数对比详见表1。

表1 压缩机参数对比表

API618中6.10.4.6条规定“只有经采购方的书面认可才能使用贯穿活塞杆”，因此，活塞带尾杆（即贯穿活塞杆）结构压缩机的方案需征得使用单位书面认可后方可选用。轴侧单作用和活塞带尾杆这2种压缩机方案，各有利弊，最终用户权衡利弊，选择了贯穿杆这种方案。

3 结论

通过方案设计的对比可知，压力高、缸径小、压缩比小的压缩机组在方案选型时，选用活塞部件带尾杆的设计方案更有优势。采用这种方案的压缩机机型更小，机组成本低，气缸缸径更小，机组的受力更小，反向角更大，机组运行的可靠性更高。

该机组在2019年投产运行以来，运行平稳，性能良好，获得使用单位的好评。现场的实际使用证明，该压缩机的方案选型是正确的，机组运行指标合格，操作方便，为用户带来了较好的经济效益。