攀钢焦炉煤气压缩机长周期运行技术研究

吕 勇，贾冬颖，姚 勇，胡云涛，胥中平

（1.攀钢钒能源动力分公司，四川攀枝花 617062；2.攀钢集团设计研究院有限公司，四川攀枝花 617062）

前言

攀钢中压焦炉煤气系统共有5 台L12.5/8 型二级压缩无油润滑焦炉煤气压缩机，将焦炉煤气主管网经脱硫脱萘系统净化后的6 kPa 焦炉煤气，压缩加压至0.8 MPa，送至变压吸附制氢系统制取纯度96%以上的氢气，供连铸坯氢氧切割和中间包烘烤等使用。

1 压缩机故障情况统计

中压焦炉煤气系统的5 台焦炉煤气压缩机（三用两备或四用一备）在投产后，检修频次逐渐增高，从初始的每半年28 次增至每月41 次，单台压缩机正常运行周期小于4天。压缩机故障部位统计结果见图1。

图1 焦炉煤气压缩机故障部位统计

由图1 可知，焦炉煤气压缩机出现故障较多的部位是吸、排气阀片和活塞环。

2 原因分析

通过跟踪分析，造成焦炉煤气压缩机故障频发的主要原因如下。

2.1 焦炉煤气粉尘、焦油、萘等杂质高

对进压缩机前的焦炉煤气取样分析，杂质含量见表1。

表1 进压缩机前焦炉煤气杂质含量 mg/m3

由表1可知，焦炉煤气中杂质主要是焦油、萘和粉尘。

在压缩机压缩过程中，随着气压升高，相应的焦油、萘组分饱和分压增加，焦油、萘容易析出，与粉尘结合形成黏结块，特别是在经过中间冷却器冷却后，压缩机二级缸内结块现象更加明显，其给系统带来的故障如下。

（1）压缩机吸、排气阀动作失效

气阀是活塞式压缩机重要部件之一，直接关系到压缩机的经济性和可靠性。压缩机的吸、排气阀的阀片是在两边压差作用下开启，阀片起、闭动作应及时迅速并开关到位［1］。但检修时发现压缩机的吸、排气阀上吸附很多杂质，导致阀体开启动作慢且不能完全开启，引起压缩机负荷调节失效、一排压力超高、二排压力低以及吸、排气阀密封性降低等故障，压缩机运行能力大幅度降低。

（2）压缩机逆止阀关闭不严

经过压缩机两级压缩后的煤气带有较多的黏结块，堆积在压缩机出口逆止阀处，导致逆止阀关闭缓慢、密封性差。

（3）一级、二级活塞环和缸体磨损加剧

带有较多黏结块的煤气，对压缩机一级活塞环、二级活塞环和缸体产生磨损，导致压缩机活塞环前后串气，活塞杆与缸体气封处压力升高，煤气从气封处泄漏到连杆瓦箱、曲轴箱等，造成现场CO含量超标（高达100～150 mg/m3），存在安全隐患，也带来气封、油封损坏，润滑油变质等一系列问题。

2.2 焦炉煤气水分含量高

焦炉煤气含有饱和水，甚至存在部分机械水（以液滴的形态存在于煤气中的水）。随着气体压力升高，其饱和分压也升高，水分更加容易析出，在一级缸体、二级缸体留存，特别是一级排气冷却器和油水分离器留存现象严重。原有压缩机没有考虑相应排水设施，排水效果差，从而造成压缩机因气阀损坏、活塞环受力变化等引发故障。

2.3 压缩机活塞环、气阀等选材不当

（1）压缩机活塞环材质

压缩机活塞环材质为PPR。该材质在气缸压缩温度达160 ℃时，对于焦油、萘的耐化学浸蚀性为不耐浸蚀。且焦炉煤气中还含有粉尘颗粒，在压缩机高速运转、无油润滑状态下，易导致活塞环磨损严重。

（2）气阀材质

压缩机吸、排气阀采用的是不锈钢铜包垫，其材料回弹性差且易变形，在压缩机压力工况下密封性能迅速降低，无法再次使用，只能更换，维护成本较高。

（3）缸体垫圈、气封、油封和其他结构材质

压缩机缸体垫圈采用普通橡胶圈，不耐高温，容易变形，易造成缸体端面煤气泄漏等故障。

气封材质采用普通橡胶，压盖压紧方式，没有流散管和氮气密封，易出现煤气泄漏等故障。

油封采用普通铝合金梳齿密封，易磨损，油封效果差，存在漏油等故障。

阀座及升程限制器采用普通钢材，存在锈蚀等故障。

曲轴、连杆、活塞杆等重要运动部件材质使用普通合金钢，长时间使用存在变形等故障。

2.4 检修质量差

虽然压缩机故障频繁，但为保产其检修基本处于抢修状态，只能处理紧急故障，检修质量无法保证，如活塞环与缸体四周间隙、端面间隙、连杆水平度、滑块与瓦间隙、十字头间隙、曲轴与瓦间隙、气阀安装密封性等均没有按照规范要求调整。

3 改进措施

针对上述原因，采取改进措施如下。

3.1 控制焦炉煤气杂质和含水量

3.1.1 提升压缩机一级进气焦炉煤气品质

为提升焦炉煤气品质，在压缩机进口设置了两套除尘装置。

（1）压缩机进口管道上设置锥形过滤器，详见图2。通过滤网过滤掉大颗粒粉尘和液滴。锥形滤芯的设计是为了在保障过滤面积的基础上尽量减小设备的体积。

图2 锥形过滤器及滤芯

（2）设置一级洗涤罐，洗涤罐内安装丝网除沫器和喷淋洗涤装置，丝网除沫器结构见图3。丝网除沫器具有比表面积大、使用方便、压降小以及除液滴效率高等优点。焦炉煤气在除沫器中由于丝网阻挡，迫使气体不断改变运动方向，从而使夹带的液滴滞留在网上。被除掉的液滴在除沫器底部聚积，当聚积到一定液量后便下落到洗涤罐底部，通过高压排水器排出，形成动态平衡。

图3 一级洗涤罐及丝网除沫器

当出现一级进口压力降低时，可以短时间停运该压缩机，使用喷淋洗涤装置对丝网除沫器进行洗涤，也可以直接更换丝网除沫器内丝网。

3.1.2 提高一排冷却器冷却能力并设置独立的二级洗涤罐和油水分离器

大幅度提高压缩机一排冷却器冷却能力，将冷却面积提高50%，保证煤气冷却至35 ℃以内。

设置独立的二级洗涤罐和油水分离器。一级压缩后，焦炉煤气压力增加，杂质沸点也随之升高，待冷却到35 ℃以下后，焦油、萘、粉尘、水分等析出凝结成液体或固体。为尽可能脱除杂质，在中间冷却器和二级气缸间设置独立的大容积二级洗涤罐、旋风式油水分离和丝网除沫器，定期排污或者更换丝网，以保证二级进气品质，提高压缩机运行周期。

3.1.3 一级缸、二级缸活塞连杆侧与气封之间增设排污管

一级缸、二级缸活塞连杆侧与气封之间增设排污管，可定期排除部分杂质和水分，改造后焦炉煤气气体压缩流程如下。

焦炉煤气→锥形过滤器→一级洗涤罐（内设丝网除沫器）→一级气缸→中间冷却器→二级洗涤罐（内设旋风油水分离器、丝网除沫器）→二级气缸→后冷分离器→逆止阀→中压焦炉煤气主管网。

3.2 压缩机吸、排气阀片材料及阀座改质

焦炉煤气压缩机的吸、排气阀片要求使用期限长，耐腐蚀、易于维修、标准化水平高。原有的不锈钢铜包垫材质，由于材料回弹性差、密封性差，不适用现场要求。

重新选用PEEK 工程塑料作为吸、排气阀片材质。该材质具有耐高温、自润滑、易加工、高机械强度、高耐磨性、低摩擦系数、耐腐蚀、嵌藏性好等优点，且具有一定弹性，具备软密封功能，即使密封面上有小颗粒物也不会影响其密封效果［2］。

将阀座材质从碳钢改为不锈钢，解决了阀座生锈和腐蚀的问题。

同时，为了减少焦炉煤气内杂质对吸、排气阀的黏附，对吸、排气阀座结构和安装角度进行了调整，减少了积水、积尘和积聚焦油的问题。同时安装吸、排气阀套排污管，采用定时排污的方式进行日常维护。图4 为改造后焦炉煤气压缩机定修（半年为一个运行周期）拆卸下来的气阀和气阀座，未发现沉积物和损坏。

图4 定修拆卸下来的气阀和气阀座

3.3 一、二级缸活塞环、支撑环改质

压缩机一、二级缸活塞环、支撑环改用耐磨铸铁材质。耐磨铸铁在气缸压缩温度160 ℃下，对焦油、萘的耐化学浸蚀性优良，耐磨性能大幅度提高。图5 为改质后的压缩机活塞环及二级缸，未出现磨损或断裂。

图5 改质后的压缩机活塞环及二级缸

3.4 一、二级缸和气封采用压力注油润滑

为了减少粉尘等小颗粒物对活塞环及气缸的磨损，压缩机一、二级缸采用压力注油润滑方式。在减小机组摩擦功的同时，减少滑动部位的磨损，延长零件寿命［3］。

气缸填料处的润滑油由单柱塞真空滴油式注油器提供，按分配阀结构比例精确分配到各个注油点，可根据需要调节螺套，使润滑油量在0～100%范围内调节。

3.5 压缩机气封改造、增加流散管和N2密封

（1）将压缩机一、二级缸气封填料密封环改质为聚四氟乙烯塑料，其在焦炉煤气杂质下具有优良的耐腐蚀性，同时具有较好的耐高温性、自润滑性、和抗蠕变性，可提高密封性能。

（2）增加流散管。为防止气封处煤气泄漏，活塞环与气封之间缸体空隙处增加流散管，降低该空隙内部压力。流散管将煤气引至厂房顶部放散。

（3）增加N2密封。在压缩机一、二级缸气封填料处增加N2密封装置，与流散管和聚四氟乙烯填料共同作用，防止煤气在厂房内泄漏。

3.6 活塞连杆、曲轴、活塞杆改质

活塞连杆、曲轴等重要运动部件采用45＃锻钢制造。活塞杆采用合金结构钢（40Cr）制造，摩擦段表面淬火处理。对油封结构形式进行优化，增加刮油环。

3.7 提高检修质量

制定了压缩机检修规程和验收标准，要求对活塞环与缸体四周间隙、端面间隙、连杆水平度、滑块与瓦间隙、十字头间隙、曲轴与瓦间隙、气阀安装密封性等按规范要求调整，以保证检修质量，满足长周期运行需求。

4 结语

针对中压焦炉煤气压缩机故障进行原因分析，改进了压缩机结构，优化了压缩机吸、排气阀片、阀座、活塞环、支撑环等材质选型，采用压力注油润滑、定期排污和N2密封等一些列措施，解决了焦炉煤气压缩机故障频发、厂房内CO 超标等问题。中压焦炉煤气压缩机检修周期延长至6 个月，大幅度降低检修工作量，达到了长周期安全稳定运行目的，满足了连铸坯氢氧切割和中包烘烤等生产需求。