無(wú)油工藝螺桿壓縮機(jī)在氯甲烷工況的應(yīng)用

周 強(qiáng) 李 剛 孫立冬 連小松

（寧波巨化化工科技有限公司）

氯甲烷（CH3Cl），又稱一氯甲烷、甲基氯或氯代甲烷，為無(wú)色、可燃且有毒的氣體，是有機(jī)合成中重要的甲基化劑，主要用于有機(jī)硅、纖維素、農(nóng)藥及橡膠等生產(chǎn)領(lǐng)域。 在氯甲烷生產(chǎn)工藝中，無(wú)論是氣相法還是液相法，都需要將反應(yīng)生成的氯甲烷氣體經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮冷凝成液態(tài)再進(jìn)行輸送［1，2］，氯甲烷氣體壓縮工藝作為生產(chǎn)過(guò)程中的核心工藝，壓縮機(jī)的安全、穩(wěn)定、環(huán)保和節(jié)能運(yùn)行是整個(gè)生產(chǎn)裝置運(yùn)行水平的風(fēng)向標(biāo)。 從20 世紀(jì)90年代至今，由于壓縮機(jī)生產(chǎn)技術(shù)水平和投資成本的限制，再加上介質(zhì)易燃易爆、禁油禁水的特性，基本上以往復(fù)式活塞壓縮機(jī)為主。 某公司原有裝置中的活塞壓縮機(jī)存在運(yùn)行缺陷， 經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研、與相關(guān)專業(yè)廠家技術(shù)交流后，用無(wú)油工藝螺桿壓縮機(jī)替換活塞壓縮機(jī)，并在改造投運(yùn)后進(jìn)行相應(yīng)的工藝改造，使生產(chǎn)裝置達(dá)到安全穩(wěn)定、環(huán)保排放和節(jié)能運(yùn)行的目標(biāo)。

1 壓縮機(jī)選型狀況

往復(fù)式活塞壓縮機(jī)是靠活塞在氣缸內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使容積縮小而提高氣體壓力，由多個(gè)活塞、活塞環(huán)、氣閥部件、曲軸、軸瓦、十字頭及滑道等部件組成，這是最早的壓縮機(jī)型式，適用于中小氣量和各種壓力的工作條件，尤其適用于高壓和超高壓壓縮，具有排氣不均勻、氣流有脈動(dòng)、占地面積大、 維修工作量大及運(yùn)行周期短等缺點(diǎn)，但因其工藝成熟、投資較低成為機(jī)械工業(yè)中量大面廣的產(chǎn)品之一［3］。

20 世紀(jì)50 年代， 無(wú)油螺桿壓縮機(jī)首次在工業(yè)上應(yīng)用，60 年代開(kāi)發(fā)出噴油螺桿壓縮機(jī)，到70年代兩者都得到了較快的發(fā)展。 兩種螺桿壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是：無(wú)油螺桿壓縮機(jī)（圖1）通過(guò)同步齒輪嚙合，使得陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子可以保持適當(dāng)間隙而不產(chǎn)生接觸摩擦和發(fā)熱， 適用于高轉(zhuǎn)速工況，通常在機(jī)殼上設(shè)置冷卻夾套，由機(jī)殼通入冷卻介質(zhì)冷卻，也可從吸入端向轉(zhuǎn)子腔注入相當(dāng)于吸入氣體容量1%左右的冷卻液體對(duì)不純物進(jìn)行洗滌；噴油螺桿壓縮機(jī)無(wú)同步齒輪，由陽(yáng)轉(zhuǎn)子旋齒嚙合帶動(dòng)陰轉(zhuǎn)子螺桿旋轉(zhuǎn)，由于轉(zhuǎn)子之間相互摩擦，因而需要噴入油或者其他液體對(duì)螺桿進(jìn)行冷卻，且在壓縮機(jī)出口進(jìn)行氣液分離，氣體出口高壓側(cè)配有徑向推力組合軸承、平衡活塞和調(diào)節(jié)氣量的滑閥（可調(diào)節(jié)40%～100%的壓縮負(fù)荷）。 相對(duì)于無(wú)油螺桿壓縮機(jī)， 噴油螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，沒(méi)有加工精度要求高的同步齒輪，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可與電動(dòng)機(jī)直聯(lián)，適用于氣體壓差較大，排氣溫度不高，介質(zhì)與潤(rùn)滑油可以混用的場(chǎng)合。 螺桿壓縮機(jī)由于制造水平不斷提高， 技術(shù)日趨完善，兼有離心式壓縮機(jī)和往復(fù)式壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)離心壓縮機(jī)而言它無(wú)喘振、操作平穩(wěn)，相對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)而言它振動(dòng)小、使用壽命長(zhǎng)［4］。

圖1 無(wú)油螺桿壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

氯甲烷介質(zhì)有易燃易爆的特殊性，特別是作為有機(jī)硅和纖維素的甲基化劑時(shí)不能含油，但目前行業(yè)內(nèi)多采用往復(fù)式活塞壓縮機(jī)，個(gè)別廠家出于降低檢修費(fèi)用、提高運(yùn)行穩(wěn)定性的考慮，采用了噴油螺桿壓縮機(jī)，并在壓縮機(jī)出口設(shè)置兩級(jí)氣液分離器以去除壓縮氣體中的油霧，這種工藝有較大的局限性和安全風(fēng)險(xiǎn)：首先，采用兩級(jí)氣液分離器系統(tǒng)占地面積大、投資高；其次，常規(guī)的氣液分離器是采用重力分離+旋風(fēng)分離+濾芯精濾的組合式分離器，再加上去除的油霧，導(dǎo)致壓縮機(jī)出口阻力增大，做功、能耗較高；最后，一旦氣液分離器的精濾濾芯到達(dá)使用壽命后期或者破損都會(huì)使氯甲烷中含油，導(dǎo)致產(chǎn)品污染嚴(yán)重且易形成爆炸混合物，這是工藝安全所不允許的。

2 原壓縮工藝

原壓縮工藝采用4 臺(tái)2DW-35/0.5-8 型活塞壓縮機(jī)，容積流量35Nm3/min，進(jìn)口壓力0.05MPa，排氣壓力0.8MPa，軸功率190kW，配用電機(jī)功率250kW。根據(jù)裝置運(yùn)行數(shù)年的狀況分析，總結(jié)出原有壓縮工藝存在的問(wèn)題：

a. 檢修頻率高。根據(jù)活塞壓縮機(jī)的運(yùn)行周期規(guī)律，每2 000～4 000h 需中修，拆解清洗氣閥，更換閥片、填料及活塞環(huán)等，每6 000～8 000h 需大修，更換所有氣閥、連桿螺栓等。 單臺(tái)機(jī)每年至少檢修兩次，實(shí)際運(yùn)行中由于活塞機(jī)本身設(shè)計(jì)的缺陷，管道泄漏點(diǎn)多，軸瓦磨損、閥片損壞及填料刮油環(huán)損壞等現(xiàn)象更為嚴(yán)重，單臺(tái)設(shè)備年檢修費(fèi)用在15～25 萬(wàn)元人民幣。

b. 填料泄漏量不穩(wěn)定。圖2 為活塞壓縮機(jī)密封結(jié)構(gòu)型式，采用雙室結(jié)構(gòu)，接筒設(shè)置帶墊片的整體金屬蓋板，并設(shè)有底部排凝、吹掃、填料漏氣回收及氮?dú)獗Ｗo(hù)等接口；填料函設(shè)置充氮?dú)庀到y(tǒng)以保證氯甲烷氣外漏時(shí)的安全性，并配有漏氣收集接管；填料為帶不銹鋼卡緊彈簧的三六瓣平面填料，并設(shè)有氮?dú)獗Ｗo(hù)和漏氣回收裝置。 這種結(jié)構(gòu)雖然屬于活塞壓縮機(jī)中比較先進(jìn)的填料密封結(jié)構(gòu)，但隨著活塞桿的磨損，特別到壓縮機(jī)一個(gè)運(yùn)行周期8 000h 的后期，填料密封泄漏量會(huì)以幾何比例增加，在填料泄漏隔離室排放口有大量的氯甲烷排出，不僅造成氯甲烷的浪費(fèi)，也對(duì)后系統(tǒng)尾氣處理裝置的運(yùn)行帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)保超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

c. 壓縮機(jī)實(shí)際功率遠(yuǎn)超軸功率。 活塞壓縮機(jī)運(yùn)行后期時(shí)，由于軸瓦、滑道及十字頭等元件的磨損問(wèn)題，加大了運(yùn)行摩擦，造成電機(jī)的實(shí)際電流明顯上升，壓縮機(jī)實(shí)際功率就會(huì)超過(guò)軸功率。

d. 設(shè)備管道振動(dòng)大。 由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)，隨著活塞的前后移動(dòng)，吸排氣閥不停地開(kāi)啟、關(guān)閉，有規(guī)律性地重復(fù)沖擊，導(dǎo)致排氣壓力不穩(wěn)定，出口緩沖罐進(jìn)/出口管道振動(dòng)較大，容易導(dǎo)致設(shè)備管道開(kāi)裂和密封點(diǎn)泄漏。

e. 壓縮機(jī)活塞間隙比較小。 活塞壓縮機(jī)的氣閥為網(wǎng)狀閥，閥片開(kāi)啟關(guān)閉余隙較小，壓縮機(jī)進(jìn)口一旦有微量液滴，由于液滴不可壓縮，容易造成閥片損壞繼而氣缸被撞缸。

3 壓縮工藝改造方案及實(shí)施

結(jié)合原壓縮機(jī)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，該公司技術(shù)人員分析原往復(fù)式壓縮機(jī)的問(wèn)題后， 從降低檢修率、安全環(huán)保提標(biāo)和節(jié)能降耗的角度出發(fā)，結(jié)合壓縮機(jī)氣量小、排氣壓力高的特點(diǎn)，綜合考慮產(chǎn)品介質(zhì)“絕對(duì)無(wú)油”的工藝要求，決定將往復(fù)式活塞壓縮機(jī)更換為無(wú)油工藝螺桿壓縮機(jī)。 無(wú)油工藝螺桿壓縮機(jī)不受入口帶液的影響，具有結(jié)構(gòu)緊湊、排氣平穩(wěn)、無(wú)易損件及三年免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)［5］。

在方案設(shè)計(jì)初期，充分考慮到設(shè)備減量化的要求，用1 臺(tái)無(wú)油螺桿壓縮機(jī)替換原有的4 臺(tái)壓縮機(jī)， 無(wú)油螺桿壓縮機(jī)的吸氣量128.76Nm3/min，吸氣壓力/溫度0.05MPa/40℃， 排氣壓力/溫度0.75MPa/39℃（均與原有壓縮工況保持一致）。 單臺(tái)無(wú)油螺桿壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)與制造按照標(biāo)準(zhǔn)API 619 執(zhí)行，采用變頻調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍（30%～100%）的節(jié)能調(diào)節(jié)，該壓縮機(jī)采用串聯(lián)式干氣密封（圖3），它屬于非接觸動(dòng)密封，密封端面上均勻分布一系列淺槽，高速旋轉(zhuǎn)下槽內(nèi)產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)使構(gòu)成密封面的動(dòng)、靜環(huán)之間不接觸，還能產(chǎn)生高壓密封氣隔離介質(zhì)氣，此種密封型式可確保機(jī)組介質(zhì)氣泄漏量幾乎為零，并且能阻止?jié)櫥瓦M(jìn)入介質(zhì)氣中。

圖2 活塞壓縮機(jī)密封型式簡(jiǎn)圖

圖3 組合串聯(lián)式干氣密封結(jié)構(gòu)示意圖

無(wú)油工藝螺桿壓縮機(jī)方案經(jīng)安裝、調(diào)試和開(kāi)機(jī)成功后連入系統(tǒng)，并對(duì)機(jī)組進(jìn)行滿負(fù)荷運(yùn)行測(cè)試：進(jìn)氣壓力50kPa、出口壓力0.7MPa 時(shí)，冷凝量18.08t/h，壓縮機(jī)電流50.0A（額定電流60.9A）,壓縮機(jī)一級(jí)泄漏氣（小于7.5Nm3/h）滿足設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行穩(wěn)定， 各儀表參數(shù)均在設(shè)計(jì)指標(biāo)要求范圍內(nèi)。

4 改造后參數(shù)對(duì)比

無(wú)油工藝螺桿壓縮機(jī)在氯甲烷工況的成功應(yīng)用，解決了活塞式壓縮機(jī)填料泄漏量不穩(wěn)定的問(wèn)題——活塞壓縮機(jī)采用填料密封，填料本身存在一定的泄漏量， 且會(huì)隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，填料的磨損加大，氯甲烷的泄漏量也隨之逐漸增加；無(wú)油工藝螺桿壓縮機(jī)采用干氣密封，介質(zhì)氣泄漏量小且恒定。 裝置改造后，尾氣排放全部達(dá)標(biāo)，節(jié)約了原系統(tǒng)尾氣處理的費(fèi)用，系統(tǒng)的安全性和環(huán)保排放達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。 另外，采用無(wú)油工藝螺桿壓縮機(jī)滿足了氯甲烷排氣中絕對(duì)無(wú)油的設(shè)計(jì)條件，保證了產(chǎn)品無(wú)污染、質(zhì)量穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

無(wú)油工藝螺桿壓縮機(jī)與活塞壓縮機(jī)的工藝參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

5 改造經(jīng)驗(yàn)

本次改造是無(wú)油工藝螺桿壓縮機(jī)在氯甲烷工況中的首次應(yīng)用， 加之氯甲烷的沸點(diǎn)低易汽化、高壓下易冷凝、有腐蝕性及工藝含油量要求高等特點(diǎn)，針對(duì)原工藝的改造總結(jié)了以下經(jīng)驗(yàn)：

a. 針對(duì)裝置氯甲烷中帶有微量硫酸的特殊性，無(wú)油工藝螺桿壓縮機(jī)的主機(jī)殼體采用1Cr13，轉(zhuǎn)子采用2Cr13 整體鍛造，可有效防護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行中介質(zhì)的腐蝕；

b. 根據(jù)裝置防止泄漏要求高的特點(diǎn)，壓縮機(jī)密封采用迷宮密封+串聯(lián)式干氣密封的組合模式，串聯(lián)式干氣密封主要用來(lái)隔離工藝氣與潤(rùn)滑油系統(tǒng)，其中的一級(jí)密封氣采用壓縮機(jī)出口的高溫高壓氯甲烷氣體，以減少出口排氣中其他氣體的含量；

c. 螺桿壓縮機(jī)噴液介質(zhì)選用本裝置生產(chǎn)的氯甲烷，介質(zhì)混用性強(qiáng)，有足夠的壓差和過(guò)熱度保證噴入壓縮機(jī)的氯甲烷能夠有效起到冷卻作用，同時(shí)不會(huì)腐蝕壓縮機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)子和機(jī)殼；

表1 無(wú)油工藝螺桿壓縮機(jī)與活塞壓縮機(jī)的工藝參數(shù)對(duì)比

d. 干氣密封中的各級(jí)密封氣和隔離氣均配有恒溫電伴熱帶，防止管道輸送過(guò)程中密封氣冷凝導(dǎo)致的干氣密封無(wú)法脫開(kāi)、啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生磨損等問(wèn)題；

e. 為了保障壓縮機(jī)的穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行，所有壓縮機(jī)的密封氣泄漏量、泄漏壓力、排氣壓力及油壓等聯(lián)鎖停機(jī)儀表均采用三選二的設(shè)置，當(dāng)一個(gè)信號(hào)同時(shí)有3 個(gè)點(diǎn)達(dá)到2 個(gè)以上的停機(jī)條件時(shí)停機(jī)保護(hù)啟動(dòng)， 既能有效保證壓縮機(jī)安全，又可避免壓縮機(jī)因個(gè)別儀表出現(xiàn)誤差導(dǎo)致的誤停機(jī)；

f. 壓縮機(jī)噴液控制采用獨(dú)立控制系統(tǒng)（PLC和DCS 均可控制），防止壓縮機(jī)超溫，保證開(kāi)機(jī)和運(yùn)行的穩(wěn)定，噴液閥門采用電磁切斷閥和氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥雙重保護(hù)，減少了停機(jī)狀況下內(nèi)漏和誤操作的可能性。

6 結(jié)束語(yǔ)

氯甲烷工況采用1 臺(tái)無(wú)油工藝螺桿壓縮機(jī)替換4 臺(tái)活塞壓縮機(jī)的改造非常成功， 螺桿機(jī)機(jī)組的安全穩(wěn)定性、環(huán)保排放、節(jié)能運(yùn)行和檢修成本都優(yōu)于活塞機(jī)機(jī)組。 此次改造過(guò)程中的工藝設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)選型、控制方式和聯(lián)鎖保護(hù)的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，可為其他相似工況借鑒， 同時(shí)也為無(wú)油工藝螺桿壓縮機(jī)在其他易汽化介質(zhì)中的應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。