往復(fù)式壓縮機運行的改進(jìn)措施

1增設(shè)回空表現(xiàn),提高普及費用的可靠性在精細(xì)化行業(yè)中，新氫泵廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工機行業(yè)，如新氫泵和整臺機組的減壓機。這些核心機組的一次事故停機可能導(dǎo)致?lián)p失超過百萬元,因此提高往復(fù)式壓縮機的可靠性,不僅有助于避免重大損失,而且可以降低運行和維護(hù)費用,擴(kuò)大企業(yè)的利潤空間。此外,有的裝置在進(jìn)行擴(kuò)能改造時,利用了原設(shè)計的備機,造成往復(fù)式壓縮機沒有備用機組;再者,各廠均在精簡維護(hù)人員和削減維護(hù)費用。所以提高往復(fù)式壓縮機運行的可靠性,已成為制造商、工程公司和用戶的重要課題。2機組事故停機的問題據(jù)調(diào)查,導(dǎo)致機組非正常停機的原因有氣閥、壓力填料環(huán)、工藝問題、活塞環(huán)和支撐環(huán)等,具體事故概率見圖1。如果將氣閥、活塞環(huán)、支撐環(huán)和壓力填料環(huán)合并為同類,則機組的事故停機可謂是易損件造成的。美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API618往復(fù)式壓縮機,針對“石油、化工和氣體工業(yè)用往復(fù)式壓縮機”提出往復(fù)式壓縮機的設(shè)計和制造,必須達(dá)到不間斷地連續(xù)操作至少3年的要求。下面就有利于增強機組可靠性的一些主要因素進(jìn)行分析。3利用氣體治理工藝從圖1可以看出,工藝問題排在引發(fā)機組事故停機的第三位,應(yīng)該引起生產(chǎn)企業(yè)的高度重視。常見的工藝問題有:(1)介質(zhì)攜帶固體顆粒,導(dǎo)致氣閥、缸套的破壞;(2)介質(zhì)帶液,影響氣缸的潤滑狀況,甚至引發(fā)液擊事故;(3)裝置反應(yīng)劇烈或操作不穩(wěn)定,導(dǎo)致機組無法正常運行;(4)操作條件變化太大或采購時工況參數(shù)提交不全,機組長時間偏離設(shè)計點操作。工程公司在編制壓縮機請購單時一定要將數(shù)據(jù)提交完整,操作條件至少應(yīng)包括正常工況NOR,開工初期SOR,開工末期EOR和氮氣工況,以及各自工況下對應(yīng)的氣體成分。設(shè)計保證點應(yīng)由用戶、工程公司和制造商共同確定。如果以正常工況為設(shè)計點,機組可以獲得較高的效率。一般氫氣壓縮機輸送氣體的分子量為2～9,以氫氣為主。加氫裝置的含氫氣體通常含有少量硫化氫(H2S)。硫化氫具有強烈的腐蝕性,因此鄭學(xué)鵬.提高往復(fù)式壓縮機運行可靠性的方法淺析選材一定要注意硫化氫應(yīng)力腐蝕和氫誘導(dǎo)開裂。壓縮機中應(yīng)力比較大的部件如活塞桿,應(yīng)采用抗硫化氫的材料如17-4PH或C450等沉淀硬化不銹鋼鍛件。重整裝置的含氫氣體通常含有少量氨鹽(NH4Cl),設(shè)計過程中應(yīng)特別注意。氯化氨容易在氣閥和氣體流道上沉積,導(dǎo)致閥隙流道變窄,氣閥關(guān)閉不嚴(yán)。此外,氯化物對于PEEK材料制作的元件有負(fù)面影響。重整反應(yīng)一般伴隨少量的裂化反應(yīng),可能會產(chǎn)生芳烴組分成分,這種組分易在閥片表面產(chǎn)生粘滯,影響閥片的正確動作,導(dǎo)致閥片過早破壞。因此應(yīng)選擇氣閥閥片與閥座為線密封的形式,可以減少閥片的粘滯。為了除去氣體中的硫和氯化物[(NH4)2S,NH4Cl等],通常在裝置中增加脫硫單元和注水措施。但要注意的是,氣體經(jīng)過處理之后變成了飽和狀態(tài),壓縮機進(jìn)氣管線走向最好以步步高的方式自入口分液罐接入機組,而且要伴熱,防止凝液進(jìn)入氣缸。入口分液罐和入口過濾器的內(nèi)件必須十分可靠,防止金屬絲網(wǎng)等異物進(jìn)入氣缸。有的裝置采用氧化鋁清除氯化物,其效果比水洗更有利于提高機組運行的安全性。4易損件4.1氮氣介質(zhì)類型及升程問題氣閥故障,是機組停機最主要的原因。因此自往復(fù)式壓縮機誕生以來,氣閥一直是研究得最多的課題之一。目前煉油廠使用的氣閥一般有兩種類型:菌狀閥、環(huán)狀閥(或網(wǎng)狀閥)。對于同樣的閥孔,安裝菌狀閥獲得的有效通流面積要比安裝環(huán)狀閥小得多。因此相同的氣閥升程,氣體流經(jīng)菌狀閥的壓力降,要比流經(jīng)環(huán)狀閥(或網(wǎng)狀閥)大得多。在某兩家生產(chǎn)廠提供的氫氣壓縮機的報價中,采用菌狀閥的閥隙流速為110m/s,而采用網(wǎng)狀閥時為50m/s。因此菌狀閥往往需要設(shè)置較高的升程來降低功耗,提高效率。但由于氫氣分子量小,允許有較高的氣體流速,所以,近年來菌狀閥在氫氣壓縮機上得到了應(yīng)用。煉油裝置中,氫氣壓縮機的氣閥選型往往既要滿足正常工況下的氫氣條件,又要滿足開工時的氮氣條件。國內(nèi)比較多的做法是用同一套氣閥兼顧兩種介質(zhì),結(jié)果是氫氣工況下氣閥效率下降,氮氣工況下排氣溫度仍然維持較高的水平,影響了氣閥的壽命。在氣閥設(shè)計中的關(guān)鍵指標(biāo)是閥隙馬赫數(shù)Ma,即閥隙氣體平均流速與當(dāng)?shù)匾羲僦?由下式計算,一般不宜超過0.2。式中:R——氣體常數(shù),R≈8314/MW,kg·m/(kg·K);MW—分子量;V——氣體通過閥隙的平均流速,m/s;a——音速,,m/s;氣體通過氣閥的相對壓力損失δ與閥隙馬赫數(shù)有如下關(guān)系:式中:λ——曲拐半徑與連桿長度之比;θ——曲柄轉(zhuǎn)角。對同一機組,氮氣和氫氣通過閥隙平均流速基本相當(dāng),所以氮氣介質(zhì)的閥隙馬赫數(shù)約為氫氣的3.7倍,氮氣通過氣閥的壓力損失約是氫氣時的14倍,因此氮氣工況時會造成排氣溫度劇烈上升,導(dǎo)致氣閥過早失效。北京某石化廠就發(fā)生過氮氣工況下氣閥中的聚四氟導(dǎo)向塊被高溫氣化的事故。如果機組同時配備兩套氣閥,分別適用氫氣和氮氣,則能很好地解決這個問題。升程是氣閥設(shè)計的另一個關(guān)鍵參數(shù)。增加升程,可減小閥隙馬赫數(shù),降低能耗。但是過高的升程要求彈簧力較小,而過小的彈簧力難以保證閥片在較大的升程內(nèi)及時關(guān)閉。升程一般不宜大于閥座環(huán)形通道寬度的或閥孔通道半徑的,而且過大的升程閥片對升程限制器的撞擊速度也較大,造成閥片壽命下降,如圖2所示。所以升程的選擇應(yīng)綜合考慮效率和氣閥等方面的影響。氫氣壓縮機的氣閥升程一般位于1.0～1.6mm之間。4.2peek復(fù)合材料壓縮器填料問題是引起壓縮機故障停機的第二大主要原因。目前國內(nèi)使用的填料環(huán)材料主要是填充PTFE。這種材料的優(yōu)點是具有自潤滑性,質(zhì)地軟,不會損壞活塞桿。其缺點是磨損率較高,一般的壽命只有1年左右。為了獲得更長的使用壽命,有些制造商開始使用填充PEEK材料,其基材是PEEK,本身不具備潤滑性能,通過添加某些填充物之后,產(chǎn)生潤滑性。這種材料的特點是質(zhì)地較硬,磨損率較低,使用壽命較長,它的缺點是增加了對活塞桿的磨損。如果將活塞桿表面硬度提高至HRC70,填料環(huán)對它的磨損則很小。這種材料在國外煉油廠取得了很好的效果,填料環(huán)的壽命高達(dá)3～4年。據(jù)統(tǒng)計,有油潤滑的填料環(huán)的壽命是無油潤滑操作的2.5倍,因此在工藝允許的情況下應(yīng)盡可能采用有油潤滑設(shè)計。因為潤滑劑可以降低填料的溫度,在摩擦面產(chǎn)生油膜,減少磨損,還可以稀釋從氣缸串過來的工藝介質(zhì),防止結(jié)焦。由于填充PEEK材料與氣缸缸套的磨損率較低,近年來,制造商在活塞環(huán)和支撐環(huán)上,使用了填充PEEK材料,效果也不錯。不過,由于PEEK材料脆性大,延展性差,活塞環(huán)和支撐環(huán)不能做成整體環(huán),必須制成兩個半環(huán)才能安裝,增大了搭接處的內(nèi)泄漏量,使得壓縮過程的效率略有下降。適當(dāng)控制排氣溫度,可以提高各種環(huán)的使用壽命,如圖3所示的趨勢。美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API618往復(fù)式壓縮機明確規(guī)定氫氣壓縮機(介質(zhì)分子量小于12)的排氣溫度不得超過135℃,主要有以下原因:(1)排氣溫度升高,環(huán)的強度下降,摩擦因子增大,磨損會加劇;(2)排氣溫度升高會影響注油的粘度,造成各種不同的磨損加劇;(3)排氣溫度低,可以保持各種環(huán)的正常使用溫度和失效溫度之間有較大的富余量,有利于安全操作。5靜態(tài)組件5.1閥的裝卸、安裝氣缸如果設(shè)計成與孔口式卸荷器配套的話,可以提高氣閥的可靠性。主要有以下兩個原因:(1)氣閥更換時,減少卸荷器的拆卸、重新安裝,這樣可以減少因卸荷器故障導(dǎo)致機組停機的可能性;(2)氣缸卸荷操作時,吸氣閥無需任何動作,可以延長進(jìn)氣閥的使用壽命。隨著壓縮機的大型化,氣閥也越來越大,也越來越沉。安裝過程中墊片的就位,以及閥體的安裝是最費時且最困難的一項工作,安裝不到位就會影響氣閥的性能。氣缸的設(shè)計應(yīng)能與專用的氣閥拆卸工具配套,簡化氣閥的安裝工序。5.2軸頭泵的安裝機身應(yīng)是整體件,尤其是四曲拐機器。有的制造商為節(jié)省木模,將四曲拐機器用兩個雙曲拐機身拼裝而成,用長螺栓連接在一起。這樣就降低了機身的強度,且不利于曲軸軸承的同心度。此外對于兩拐以上的多列機器,曲軸箱兩側(cè)面應(yīng)采用拉桿螺栓緊固,不能僅僅靠頂部蓋板來增加機身的強度。曲軸與軸頭泵的連接必須采用彈性聯(lián)軸器,當(dāng)軸頭泵出故障時可以保護(hù)曲軸。有的制造商采用花鍵連接,而且曲軸軸頭泵端部蓋板沒有止口定位,容易出現(xiàn)因軸頭泵的故障導(dǎo)致曲軸破壞的事故。6運動設(shè)備6.1機組的運行維護(hù)活塞桿是最容易出問題的運動部件之一,2003年國內(nèi)就出現(xiàn)過多次活塞桿斷裂的重大事故,每次都發(fā)生在活塞桿與十字頭的連接螺紋處?；钊麠U設(shè)計中應(yīng)考慮四個問題:(1)保證活塞螺母的正確上緊;(2)保證裝配的同心度和間隙調(diào)整的方便;(3)運行過程中能維持緊固連接;(4)減少活塞桿的磨損。小機組的活塞桿與活塞和十字頭的連接一般采用力矩扳手來緊固,這樣容易破壞螺紋結(jié)構(gòu),引起過早的疲勞失效。所以大機組往往采用液壓螺栓緊固的方法,以提高螺紋的可靠性。由于螺紋的加工過程容易出現(xiàn)應(yīng)力集中,尤其是沉淀硬化不銹鋼固熔處理后硬度較高,螺紋滾制過程中容易產(chǎn)生微裂紋,更好的方法是活塞桿采用無螺紋設(shè)計,這樣可以避免因螺紋應(yīng)力集中而導(dǎo)致活塞桿斷裂。為減少活塞桿的磨損,一般需要提高活塞桿與壓力填料接觸部位的表面硬度。采用高頻淬火或滲氮,活塞桿表面硬度可以到HRC50,而采用噴涂硬質(zhì)合金的方法,硬度為HRC70,壽命達(dá)到5年以上。6.2活塞桿反向角雙作用氣缸通常會產(chǎn)生交替變化的活塞力,這有利于連桿小頭瓦的潤滑。對于小直徑氣缸、氣缸50%卸荷,或者氣閥泄漏等特殊情況,可能導(dǎo)致活塞桿反向角很小,甚至為零。國外制造商提出了一種新的思路,在小頭瓦上加工出特殊形狀的油槽,即使活塞桿反向角為零,仍然能保證小頭瓦足夠的潤滑。7輔助系統(tǒng)7.1發(fā)電機和油站的控制美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API618往復(fù)式壓縮機,提出了典型的機身潤滑系統(tǒng)流程圖和配套設(shè)備,包括2臺油泵,2臺過濾器等,其中主油泵應(yīng)為曲軸驅(qū)動軸頭泵。從可靠性的角度出發(fā),2臺油泵不應(yīng)都采用電機驅(qū)動。因為國內(nèi)各煉油廠的6000V高壓電幾乎都是自備電站供電,十分可靠,而380V低壓電多與社會電網(wǎng)連接,經(jīng)常出現(xiàn)斷電的事故,不利于機組的連續(xù)運行。油站供油總管設(shè)壓力控制閥和溫度控制閥有利于提高機組的可靠性。以往油站的配置通常采用旁路手閥來控制總管油溫和油壓,短時間內(nèi)是可以保證軸承所需要的油溫和油壓。而隨著天氣的變化、公用工程系統(tǒng)或其他原因會導(dǎo)致油溫波動,影響潤滑油的粘度,油壓隨之變化,從而造成各潤滑點的油膜不穩(wěn),導(dǎo)致運動部件的平穩(wěn)性下降、活塞桿跳動增加等不利現(xiàn)象。7.2注油系統(tǒng)控制目前,國內(nèi)使用的注油系統(tǒng)大多是單點單柱塞式,1臺壓縮機可能需要十多臺這種自吸式柱塞泵,出現(xiàn)故障的幾率非常高。國外已開始使用分配器注油系統(tǒng),在每條注油線上用控制閥來供給需要的流量。分配器注油系統(tǒng)配備的油泵數(shù)量少,可靠性要大得多,還可以設(shè)置備用泵。注油系統(tǒng)直接關(guān)系到活塞環(huán)、支撐環(huán)、壓力填料環(huán)和氣閥的正常使用,其注油量必須嚴(yán)格控制,過多的注油比注油不足更為糟糕。注油不足顯然會造成環(huán)的磨損加劇。但油量太多,會增加閥片的粘滯,影響氣閥的及時開閉,同時會在閥片表面結(jié)焦,造成氣閥性能下降。7.3冷卻水、循環(huán)水壓縮機需要冷卻的對象是氣缸和填料。良好的氣缸冷卻會降低排氣溫度,降低功耗。氣缸的溫度必須維持在介質(zhì)露點溫度以上,防止氣體凝結(jié)后造成潤滑油的稀釋和液擊現(xiàn)象。所以API618往復(fù)式壓縮機要求氣缸冷卻水溫度高于介質(zhì)入口溫度5.6℃,而填料冷卻水溫度不高于35℃,原因為填料的效率是隨工作溫度的降低而得到提高的。國內(nèi)煉油廠通常用循環(huán)水作為機組的冷卻水,這種水質(zhì)比較差,容易結(jié)垢,而且進(jìn)出口壓差特別小,一般小于0.15MPa。而填料函的冷卻水套壓降比較大,所以現(xiàn)場經(jīng)常發(fā)現(xiàn)填料冷卻水幾乎沒有流動,可見其冷卻效果是很差的。因此API618往復(fù)式壓縮機建議往復(fù)式壓縮機設(shè)獨立的冷卻水站,專門用于氣缸和填料的冷卻,冷卻介質(zhì)采用50%軟化水和50%乙二醇。8機械振動的影響由于往復(fù)式壓縮機的不均勻運動,激發(fā)管道內(nèi)部產(chǎn)生氣流脈動。脈動在傳播過程中,就會引起管道產(chǎn)生機械振動。壓縮機管線系統(tǒng)的氣流脈動會帶來許多危害,例如壓縮機的容積效率下降,氣閥工作條件惡化,功率消耗增加,控制儀表失靈等,機械振動會使管道的連接部位發(fā)生松動或疲勞破壞,甚至造成管道破裂導(dǎo)致泄漏。API618往復(fù)式壓縮機針對機型的大小,提出了三種不同的計算方法來抑制有害的脈動和振動,以提高機組的可靠性。以往的一些裝置在建設(shè)過程中沒有充分認(rèn)識到壓縮機管線的聲學(xué)脈動和機械振動的重要性,在開工過程中發(fā)現(xiàn)問題之后再增補支架。其實增加支架只能改變管線系統(tǒng)的固有頻率,并沒有降低聲學(xué)脈動。機身的振動依然存在,運動部件仍然容易產(chǎn)生跳動,氣閥的工作條件并沒有改善。但按照API618往復(fù)式壓縮機方法3進(jìn)行聲學(xué)模擬和機械分析后,效果特別明顯,如燕山、荊門、遼河等石化廠的加氫裝置,機組管線系統(tǒng)幾乎沒有振動。9在線故障診斷往復(fù)式壓縮機的控制系統(tǒng)比較簡單,可以用可編程控制器(PLC)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程顯示、報警或聯(lián)鎖停機。常規(guī)的監(jiān)測點包括介質(zhì)溫度、壓力、主軸承、潤滑油壓力、溫度、分離器液位等變量。為提高控制系統(tǒng)的可靠性,可采用冗余的PLC系統(tǒng),同時對于一些聯(lián)鎖停機點設(shè)三(二)取二表決來降低儀表誤動作的幾率。以往的控制系統(tǒng),是由用戶定期閱讀大量數(shù)據(jù)和報告,判斷是否進(jìn)行有計劃的停機和維護(hù),實踐證明既費時又沒有效果。制造商已經(jīng)開發(fā)出一種異地在線故障診斷的解決方案,見圖4。控制系統(tǒng)將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)